Laser Cutting of Stainless Steel

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Généralités sur l'acier inoxydable

Les alliages d'acier inoxydable contiennent au minimum 12 % de chrome comme élément d'alliage. La surface d'un inox poli présente un éclat miroir, une longue durée de vie et une capacité d'auto-régénération. Sa haute résistance à la corrosion provient d'un film d'oxydes insolubles des éléments d'alliage, qui se renouvelle spontanément au contact de l'oxygène de l'air. Ce revêtement restaure son intégrité par lui-même en cas d'endommagement.

Comme éléments d'alliage on utilise : chrome, nickel, silicium, manganèse, molybdène, tungstène, niobium, bore, cuivre, vanadium, titane, etc. Le pourcentage d'additifs et le procédé d'alliage déterminent les propriétés physiques, mécaniques et chimiques de l'acier.

Les caractéristiques anticorrosion du métal ferreux proviennent du chrome et du nickel — ils donnent aussi à l'acier sa teinte claire et son éclat. L'alliage au nickel empêche l'interaction du fer avec l'eau en présence d'oxygène. Le chrome au-delà de 12 % forme instantanément un film protecteur uniforme à la surface du métal, bloquant la réaction chimique entre l'oxygène et le fer.

Classification des aciers alliés

Selon le degré d'alliage :

acier faiblement allié — éléments d'alliage jusqu'à 2,5 % ;
acier moyennement allié — éléments d'alliage de 2,5 à 10 % ;
acier fortement allié — éléments d'alliage de 10 à 50 %.

Selon les propriétés :

résistance normale et élevée ;
résistant au froid ;
réfractaire (résistant à la chaleur) ;
résistant à la corrosion atmosphérique et à la corrosion par l'eau de mer ;
durcissables par traitement thermique et thermochimique, etc.

Selon l'usage :

Aciers alliés de construction. Utilisés pour des structures soudées.
Aciers de mécanique générale. Utilisés pour les pièces de machines, mécanismes et carters.
Aciers à outils. Utilisés pour la fabrication d'outils.

Difficultés d'usinage de l'acier inoxydable

Les difficultés tiennent aux propriétés de l'alliage :

la forte teneur en éléments d'alliage peut provoquer le scoriage de la surface de coupe ;
des oxydes réfractaires se forment dans la zone d'échauffement, gênant le passage du laser le long de la ligne de coupe et augmentant la consommation d'énergie ;
les aciers à fort chrome et chrome-nickel ont une faible fluidité, ce qui complique également la coupe.

Processus de découpe de l'acier inoxydable

Le processus se déroule par étapes :

échauffement ;
fusion ;
vaporisation progressive des éléments issus de la décomposition du matériau.

Le faisceau laser est une source de chaleur où se concentre un gaz à très haute température. Le faisceau a une section de 10–20 µm et une densité de puissance de 100 MW/cm². Sur une si petite zone, cette énergie suffit largement à fondre le matériau instantanément. Grâce au processus thermophysique, l'acier se sépare et la structure du métal n'est modifiée qu'au point de contact.

Particularités de l'inox

La base de cet acier est une masse de fer mélangée à du chrome. Selon le fabricant, on ajoute du nickel et d'autres composés d'alliage pour améliorer les propriétés.

L'inox possède une très bonne résistance à la corrosion et une longue durée de vie (plusieurs décennies). Ses propriétés ne changent pas même après des années d'utilisation. L'inox est largement utilisé pour les tôles, treillis, tuyauteries, etc.

Principaux éléments d'alliage

Nickel. Présent dans les nuances inoxydables austénitiques ; influence le couplage énergétique et l'échange de chaleur, limitant l'épaisseur que l'on peut couper à une puissance laser donnée.
Chrome. Élément alphagène (ferritisant). Utilisé seul ou en combinaison avec d'autres. Son apport élargit l'intervalle de solidification et augmente résistance et dureté sans nuire à la ductilité. Dès 1 %, il améliore les propriétés mécaniques ; à 5 % il augmente la tenue à chaud, et les alliages résistants aux acides et à la chaleur contiennent encore plus de chrome, jusqu'à 28 %.
Silicium. Élément alphagène. Sans effet sur la viscosité, il accroît la limite de résistance et la limite d'élasticité, la perméabilité magnétique et la conductivité électrique. Améliore ductilité, tenue aux acides et propriétés mécaniques.
Manganèse. Gammagène (austénitisant) ; améliore la trempabilité et élève le seuil de fluidité du métal. Renforce la résistance à l'abrasion et aux chocs.
Molybdène. Augmente nettement dureté, résistance et trempabilité. Présent à plus forte concentration dans les aciers réfractaires et rapides ; dans les aciers de construction, généralement sous 0,4 %.
Tungstène. Carburigène, augmente les limites de résistance et de dureté. Ajouté jusqu'à 18 % dans les alliages d'outils à coupe rapide, il optimise la tenue à chaud et aux chocs.
Niobium. Fort carburigène. Ajouté aux inox pour minimiser la corrosion intergranulaire, et aux aciers au manganèse pour réduire la fragilité de revenu.
Bore. Augmente la trempabilité. Meilleure alternative pour remplacer le coûteux molybdène et le nickel.
Cuivre. Sa présence augmente la limite d'élasticité, la ductilité et la résistance à la corrosion. En construction navale, il résout efficacement le problème de l'encrassement de la partie immergée par algues et coquillages.
Vanadium. Carburigène qui augmente la résistance et la ténacité. Les alliages au vanadium présentent une excellente résistance aux chocs et une inertie aux contraintes, mais ils sont très coûteux.
Titane. En fixant le carbone sous forme de carbures stables, il affine les grains d'austénite et réduit la sensibilité à la corrosion intergranulaire. Augmente la tenue aux acides et, avec d'autres carburigènes, favorise l'autotrempe de l'acier.

Découpe laser de l'acier inoxydable au gaz inerte et à l'oxygène

La découpe laser au gaz inerte (et véritablement inerte) est le procédé le plus utilisé pour l'acier inoxydable. La découpe laser à l'oxygène est également employée lorsque l'oxydation de la coupe n'est pas critique. On traite ci-après la découpe laser de l'inox au gaz inerte (azote) et au gaz actif (oxygène) comme gaz d'assistance, ainsi que les questions de sécurité au travail pour ces deux procédés.

Dans la découpe laser au gaz inerte (également appelée découpe laser par fusion), le faisceau laser est la seule source de chaleur et le jet de gaz inerte à haute pression fournit la force mécanique pour expulser le bain fondu.

Les aciers inoxydables ont une conductivité thermique relativement faible, ce qui permet de les découper à des vitesses relativement élevées, car l'énergie reste sur le front de coupe au lieu de se dissiper dans le matériau en avant de l'arête de coupe.

L'azote est le gaz d'assistance le plus utilisé pour cette technique, en raison de son faible coût et de sa faible réactivité chimique comparée aux gaz véritablement inertes que sont l'argon et l'hélium.

La découpe à l'azote produit des arêtes de coupe de haute qualité, et la vitesse de coupe est généralement supérieure à celle de la découpe à l'oxygène.

L'adhérence sur l'arête inférieure du matériau, due à la haute viscosité du métal fondu, peut poser problème en découpe azote, mais elle se résout généralement par une pression de gaz d'assistance très élevée. L'azote haute pression est utilisé lorsque la qualité d'arête prime sur la vitesse de coupe.

L'azote est le gaz privilégié pour la découpe de l'acier inoxydable, des aciers fortement alliés et des alliages d'aluminium et de nickel ; il faut une pression de gaz plus élevée pour évacuer le métal fondu de la saignée. La haute pression fournit la force mécanique supplémentaire nécessaire pour souffler la matière fondue hors de la coupe. Avec une découpe azote haute pression sur inox, on obtient une arête brillante et sans oxyde, mais la vitesse de traitement est inférieure à celle de l'argon ou de l'hélium.

Le principal problème de la découpe au gaz inerte est la formation de bavures de matière déposée sous la saignée. La solution passe par l'optimisation des paramètres clés : diamètre de buse, position de focalisation et pression de gaz.

La pression d'azote se situe dans la plage 10–20 bar et augmente avec l'épaisseur du matériau. La pureté de l'azote gazeux doit être supérieure à 99,8 %.