Cut Quality Problems: Dross / Mill Scale

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Scories (dross) — définition et causes d'apparition

Les scories sont du métal fondu oxydé et solidifié qui reste dans la saignée (kerf) après le passage du faisceau laser. C'est le problème de qualité le plus courant en découpe laser. Les scories peuvent apparaître sous la forme :

de gros dépôts en cloque le long de l'arête inférieure de la tôle — scories à basse vitesse ;
de fines bavures solidifiées de matière non coupée — scories à haute vitesse ;
d'une fine couche le long de la surface supérieure de la tôle — éclaboussures supérieures (top spatter).

La formation de scories dépend de nombreuses variables du processus : vitesse de déplacement de la tête, distance buse–pièce (standoff), pression du gaz, tension et état des consommables. Influencent également les propriétés du matériau — épaisseur, type, nuance, composition chimique, état de surface, planéité et même les variations de température pendant la coupe. Les trois paramètres prépondérants sont : vitesse de coupe, pression du gaz et distance buse–pièce.

Scories à basse vitesse

Si la vitesse de coupe est trop faible, le faisceau commence à "chercher" de la matière supplémentaire à couper. Une pression de gaz insuffisante n'arrive pas à chasser le métal fondu hors de la saignée. Le métal fondu s'accumule alors le long de l'arête inférieure de la tôle sous forme de dépôts sphériques épais — ce sont les scories à basse vitesse. Une puissance trop élevée signifie qu'à un instant donné davantage d'énergie est déposée dans la zone de coupe. Une puissance excessive ou un standoff trop faible peuvent eux aussi produire des scories à basse vitesse.

Pour éliminer les scories à basse vitesse :

Augmenter la vitesse de coupe.
Augmenter la distance entre la buse et la pièce.
Réduire la puissance.
Si aucune de ces actions n'améliore la qualité, envisager une buse de plus petit diamètre.

Scories à haute vitesse

Si la vitesse de coupe est trop élevée, la coupe se met à traîner le long de la saignée, produisant de petites bavures solidifiées de matière non coupée ou des scories "roulantes" le long de l'arête inférieure. Les scories à haute vitesse sont plus tenaces : leur retrait demande en général un usinage mécanique important. À vitesse excessive, la coupe devient instable : la longueur de la colonne du faisceau dans la saignée s'allonge et se raccourcit alternativement, formant une "crête longitudinale" d'étincelles et de métal fondu. Le faisceau peut ne pas traverser toute l'épaisseur du métal ou s'éteindre.

Une grande distance buse–pièce ou une puissance trop faible (pour l'épaisseur et la vitesse considérées) peuvent également produire des scories à haute vitesse.

Pour éliminer les scories à haute vitesse :

Inspecter la buse à la recherche de signes d'usure (entailles, perçage hors cote ou orifice ovalisé).
Réduire la vitesse de coupe.
Réduire la distance entre la buse et la pièce.
Augmenter la puissance.

Scories par éclaboussures supérieures

Les éclaboussures supérieures sont un dépôt de métal solidifié projeté sur la face supérieure de la pièce. Ce type de scories s'enlève facilement. Causes : vitesse de coupe trop élevée ou standoff trop grand. Elles proviennent du tourbillon du panache plasma qui, sous un certain angle d'attaque, éjecte le métal fondu hors de l'avant de la saignée plutôt que de le pousser vers le bas.

Pour éliminer les éclaboussures supérieures :

Inspecter la buse à la recherche d'usure.
Réduire la vitesse.
Réduire la distance buse–pièce.

Fenêtre sans scories

Entre les hautes et basses vitesses de coupe générant des scories, il existe une plage spécifique (fenêtre) de vitesses où les scories n'apparaissent pas ou apparaissent très peu. Trouver cette fenêtre est l'enjeu principal pour minimiser les reprises sur les pièces découpées au laser.

Cette fenêtre dépend du gaz. L'azote et l'air donnent une fenêtre sans scories relativement étroite lors de la coupe d'acier doux, tandis qu'avec l'oxygène la fenêtre est plus large. (L'oxygène réagit avec l'acier doux et produit de petites éclaboussures ; chaque goutte a une tension superficielle plus faible et s'évacue plus facilement de la saignée.)

La fenêtre sans scories dépend aussi du type de matériau. Par exemple, la coupe d'acier laminé à froid ou décapé produit moins de scories que celle d'acier laminé à chaud ou non décapé.

Pour déterminer la vitesse de coupe optimale :

Méthode 1. Effectuer plusieurs coupes consécutives à différentes vitesses et retenir celle qui produit le moins de scories. Les stries de coupe (drag lines) — les fines crêtes sur la face coupée — sont un bon indicateur de vitesse. À basse vitesse, les stries sont verticales et perpendiculaires au plan de la tôle ; à haute vitesse, elles sont inclinées, en forme de S, parallèles à la tôle le long de l'arête inférieure. À partir des stries, l'opérateur peut décider d'augmenter ou de réduire la vitesse pour entrer dans la fenêtre sans scories. De nombreux opérateurs ralentissent par réflexe dès que les scories apparaissent — alors qu'il faut souvent au contraire accélérer.
Méthode 2. Observer le faisceau pendant la coupe et faire varier la vitesse de manière sensible pour obtenir les meilleures caractéristiques de l'arc du faisceau. Examiner l'angle sous lequel l'arc sort de la pièce. Avec de l'air, l'arc doit être vertical à la sortie sous la tôle. Avec de l'azote, un léger retard de l'arc est optimal. Avec de l'oxygène, la vitesse idéale est celle pour laquelle l'arc prend une légère avance.