Laser Beam Focusing

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Introduction

Les fabricants ne priorisent pas les mêmes paramètres dans leurs têtes de découpe laser. Certains insistent sur la plus petite taille de spot possible ; d'autres se concentrent sur l'orientation des lentilles et la perpendicularité de leur axe par rapport au faisceau. En réalité, aucun paramètre n'est intrinsèquement plus important que l'autre : leur poids varie selon les conditions de coupe. Maintenir la position du foyer dans le matériau est décisif pour que les paramètres de coupe fonctionnent et pour obtenir une qualité de chant constamment élevée.

Focalisation pour la coupe de métal épais

Pour des tôles de plus de 20 mm, il faut créer une zone de fusion plus large pour produire un bain de fusion volumineux, qui doit être évacué pendant la coupe. Pour créer ce spot de perçage agrandi, on focalise le faisceau soit au-dessus, soit au-dessous de la surface du matériau, selon le gaz d'assistance. Focaliser un petit spot sur la surface est donc en général moins efficace pour les matériaux épais.

Focalisation pour la coupe de métal mince

Pour des tôles minces de 1–3 mm, il faut un point focalisé sur la surface du métal. C'est nettement plus efficace qu'un spot plus grand, car aucun canal large n'est nécessaire pour évacuer la matière.

Gaz d'assistance en découpe laser

Un facteur critique en découpe laser est le gaz d'assistance : oxygène, azote ou air comprimé. Chaque gaz possède des propriétés spécifiques liées à l'accélération de la combustion, à l'évacuation du matériau fondu, ou aux deux.

En découpe laser, les gaz d'assistance soutiennent l'une de deux réactions : exothermique ou endothermique. Les règles de focalisation dépendent du type de réaction et du gaz utilisé.

Focalisation en coupe exothermique

Dans une réaction exothermique, le gaz confère à la coupe des propriétés accélératrices — par exemple l'oxygène. Lors de cette réaction, le métal bout littéralement : l'énergie intense du faisceau le vaporise et l'oxygène réagit efficacement avec le métal à l'état fondu. Le processus se déroule à haute pression ; avec l'oxygène, le matériau de base atteint pendant la coupe les températures les plus élevées, produisant vapeur métallique et évaporation supplémentaire.

La coupe de tôles épaisses suppose un motif de perçage plus grand — utilisé en production pour créer une saignée large évacuant la matière fondue durant la coupe.

Règles de focalisation pour réactions exothermiques : le foyer doit être au-dessus de la surface — pour les matériaux épais — ou sur la surface supérieure — pour les plus minces.

Lorsque le foyer est au-dessus du matériau, on utilise généralement basse pression et faible débit pour favoriser la liquéfaction puis déplacer la matière fondue. Très peu de matière s'évapore réellement, car un faible débit d'oxygène ne peut soutenir une évaporation complète.
Lorsque le foyer est exactement sur la surface, on utilise généralement haute pression et débit important. Cela suffit à soutenir une évaporation intense.

C'est pourquoi sur les tables de coupe utilisées surtout pour du matériau mince on voit très peu de matière accumulée sur les supports. Les tables consacrées aux matériaux épais accumulent au contraire beaucoup plus de matière sur leurs supports.

Focalisation en coupe endothermique

Les réactions endothermiques surviennent avec un gaz inerte. Azote et argon appartiennent à cette catégorie.

Pendant cette réaction, le gaz ne fait qu'assister l'éjection de la matière fondue par la saignée. Le processus endothermique dépend fortement de l'énergie initiale du faisceau focalisé pour amener rapidement le métal de base à l'état fondu et former une saignée propre. Le gaz inerte déplace alors le matériau liquéfié à travers le canal de coupe, laissant une surface coupée nette, sans adhérence de scories.

Règles de focalisation pour réactions endothermiques : la position du foyer doit être au bas du matériau ou légèrement en dessous. Maintenir le foyer sous le matériau crée une petite forme en V dans la section de la saignée, permettant au gaz haute pression de comprimer le métal fondu et de l'expulser par la base du canal à grande vitesse.

Les réactions endothermiques exigent volume élevé et haute pression pour soutenir une évacuation rapide de la matière fondue.

Air comprimé

L'air comprimé en gaz d'assistance produit en pratique des réactions endothermique et exothermique simultanées. Comme l'air est composé majoritairement d'azote (≈78 %), il s'agit d'abord d'une réaction endothermique ; le faible taux d'oxygène (≈20 %) provoque une réaction exothermique simultanée mais plus modeste. Cela accélère la fusion du métal de base par la réactivité de l'oxygène. Le reste de l'air est essentiellement inerte et ne participe qu'à la réaction endothermique conduite par l'azote.

La coupe à l'air comprimé donne les meilleurs résultats lorsque le foyer est maintenu au centre de l'épaisseur du matériau.

Maîtrise du point focal

Chaque aspect du maintien d'une projection correcte du point focal doit être contrôlé. Le faisceau brut dans le résonateur optique doit être en bon état, et le faisceau doit être correctement acheminé jusqu'à la lentille.

Utiliser une lentille à la bonne distance focale modifie la vitesse de fusion et l'épaisseur maximale traitable.

Le choix du gaz d'assistance détermine en grande partie la position du foyer dans le matériau :

Coupe laser à l'oxygène (exothermique) — foyer directement sur la surface ou au-dessus. De très petites variations de foyer sont nécessaires, sauf lors d'un passage entre coupe haute pression et basse pression, car le foyer est toujours sur la surface ou à proximité et ne dépend donc pas des variations d'épaisseur.
Coupe laser à l'azote (endothermique) — le foyer dépend fortement de l'épaisseur, car il se situe au fond du matériau ou à proximité.

Dans tous les cas, tous les points focaux essentiels peuvent être atteints via la CNC et un dispositif d'autofocus, par exemple un miroir adaptatif.

Miroir adaptatif

Un miroir adaptatif modifie la forme de sa surface en appliquant une pression à l'arrière. À l'état normal, sans pression, la surface du miroir est concave. Sous pression, elle passe de concave à plane puis à convexe. Changer la forme du miroir modifie le front d'onde du faisceau et donc la taille du faisceau sur la lentille et la position de la projection du foyer dans le matériau.

Distance focale de la lentille

Pour la coupe, on utilise généralement des systèmes optiques de focales 125 mm et 150 mm.

Optique 125 mm — adaptée uniquement aux faibles épaisseurs de 1–3 mm. La 125 mm produit une saignée plus étroite que la 150 mm, ce qui donne une densité d'énergie plus élevée à puissance laser identique. Les vitesses de coupe possibles avec la 125 mm sont donc légèrement supérieures pour la même épaisseur et la même puissance. Si l'on coupe surtout des matériaux minces, on recommande pour des raisons économiques la 125 mm.
Optique 150 mm — avantage d'une plus grande profondeur de coupe. Utilisable de manière universelle sur une large plage d'épaisseurs, mais surtout employée pour les matériaux plus épais.

Position du foyer

L'emplacement précis du foyer est une exigence clé pour de bons résultats de coupe.

Pour la découpe laser de l'acier au carbone :

Tôles jusqu'à environ 6 mm : foyer optimal sur la surface (endothermique).
Tôles de 8 mm et plus : le foyer doit être au-dessus de la surface (exothermique).
Coupe haute pression d'acier inoxydable ou d'aluminium : foyer sur la tôle.

En pratique, le foyer peut être placé à environ 2/3 de l'épaisseur de la tôle à l'intérieur de la tôle.

Chaque changement d'épaisseur signifie donc en général un changement de position du foyer.

Centrage de la buse

La lentille de focalisation doit être installée de telle sorte que le faisceau focalisé soit au centre de l'orifice de la buse. Le faisceau focalisé peut être au maximum à ±0,05 mm du centre par rapport à la buse.

Même avec une bonne qualité de coupe, un faisceau décentré peut rendre la qualité dépendante de la direction. Au pire, la coupe est satisfaisante dans un sens et, dans d'autres, le matériau n'est pas coupé proprement, voire pas séparé.

En coupe gaz d'acier au carbone, des étincelles peuvent apparaître sur la surface de la tôle dans la direction opposée à l'excentricité.

Contamination des lentilles

Important : une forte contamination peut endommager les lentilles et toute la tête de coupe.

Effets :

À mesure que la longueur de coupe augmente, des bavures se forment ; saignée et rugosité de surface augmentent.
Dans l'acier au carbone, tendance à la formation de cratères.
Au pire, la pièce ne se détache pas de la tôle après usinage.

Maintenance et remplacement de la lentille de focalisation

Dépose et pose de la lentille de focalisation :

Déposez la tête de coupe et placez-la dans un endroit propre. Nettoyez toute la poussière sur sa surface.
Placez la tête horizontalement. Retirez les vis de fixation de bas en haut (voir fig. 6.5 — démontage du verre de protection et de l'ensemble buse).
Retirez la bague d'arrêt du ressort et la lentille avec la clé d'extraction.
Remplacez ou nettoyez la lentille.
Dans le sens indiqué fig. 6.7, insérez avec précaution la lentille et la bague d'arrêt du ressort dans le support de lentille et serrez correctement la bague.

Pratique : réglage du foyer sur laser fibre

Avant de travailler sur une machine laser fibre, il faut régler la distance focale correcte entre la tête et le matériau à couper. Largeur et qualité de la saignée, formation de bavures et vitesse de coupe en dépendent.

La focalisation est un aspect clé de l'utilisation d'un laser. Pour une coupe de qualité, il faut concentrer l'énergie en un point précis — cela augmente l'intensité du faisceau.

Le diamètre du spot et la profondeur de foyer dépendent de la distance focale.

Le foyer se règle : au-dessus du métal, sur le métal ou sous le métal.

Foyer positif — le flux photonique est au-dessus du plan de la pièce. Utilisé pour la coupe de l'acier au carbone. La formation de scories est évitée et l'oxygène favorise l'oxydation du métal depuis l'arête de coupe jusqu'à la face inférieure de la tôle. Lorsque le foyer positif augmente, le diamètre du spot sur la pièce croît, ce qui augmente l'apport thermique et donne une arête d'acier plus lisse le long de la coupe.
Foyer négatif — le pic de concentration est à l'intérieur de la pièce, la densité d'énergie rayonnée augmente et la saignée s'élargit. Mode adapté à l'inox. La saignée est plus large en haut et plus étroite en bas ; la plus grande amplitude en partie supérieure améliore la fluidité du fondu. En revanche, la partie inférieure plus étroite demande davantage de débit de gaz. La défocalisation négative est utilisée habituellement en coupe air ou azote.
Foyer zéro — foyer sur la surface de la tôle, donne le plus petit spot possible. Cela produit une plage de fusion relativement étroite et une saignée plus petite, adapté à la coupe haute précision de matériaux minces.

Comprendre et maîtriser la position du foyer est critique pour optimiser la découpe laser : cela influe directement sur l'intensité du faisceau dans la zone de coupe, la largeur de la saignée et la qualité globale.

Sur le graphe de position du foyer (Z) en fonction de la largeur supérieure de la saignée (W) : quand le foyer est sur la surface de la tôle, la saignée est minimale. Quand le foyer s'éloigne (défocalisation positive ou négative), elle s'élargit.

L'ampleur de l'élargissement dépend de la focale de la lentille de la tête de coupe et de la profondeur de foyer. En règle générale, plus la focale est courte et la profondeur de foyer faible, plus la largeur de saignée varie avec la position du foyer.

Plus le métal est épais, plus le foyer doit être placé haut.

Lentilles collimatrice et de focalisation

Le point focal est formé par les lentilles collimatrice et de focalisation. La collimatrice capte le faisceau rapidement divergent en sortie de fibre et le redresse ; la lentille de focalisation focalise ensuite ce rayonnement sur la surface de travail.

Problèmes de lentille

Sur un laser fibre, la collimatrice et la lentille de focalisation sont très rarement à l'origine de problèmes de foyer. Les matériaux de l'optique laser dite « transmissive » sont connus depuis longtemps et leurs procédés de fabrication bien maîtrisés. Cependant, un défaut occasionnel des lentilles de focalisation est l'effet de lentille thermique — dérive du foyer due à l'échauffement de l'optique, liée à la dépendance du coefficient d'absorption du matériau à la température. Effet observable avec des lentilles encrassées ou endommagées ; achetez vos lentilles auprès de fabricants d'optique éprouvés. Avant de conclure sur l'optique, effectuez un centrage de la buse. Le verre de protection est le premier à souffrir au perçage.
Tout aussi importante est la perpendicularité du faisceau sur la lentille. Un faisceau non perpendiculaire peut détruire la buse et générer des défauts d'arête.
Le plan focal est, par définition, le plan où le spot focalisé a sa taille minimale.
Que se passe-t-il si la position du plan focal sur la tôle est sous-optimale ? Au pire — scories et arrêt de coupe. Avec une petite erreur, le foyer influence l'écart des parois de saignée par rapport à la verticale. Vérification simple : mesurer les dimensions de la pièce au bord inférieur et au bord supérieur, naturellement au même endroit.
Que font typiquement les opérateurs face à une dégradation de qualité d'arête ? Ils baissent la vitesse de coupe jusqu'à obtenir une qualité acceptable. Le résultat n'est pas toujours souhaitable : la qualité s'améliore mais reste sous-optimale et la productivité chute en raison de la vitesse réduite.
La position du foyer est, le plus souvent, la cause principale de la dégradation de qualité — et c'est précisément ce que les opérateurs oublient. Quand ils vérifient, c'est souvent avec un pas de refocalisation trop grand, sautant l'optimum, ou de manière non systématique — la lentille trop haut, puis trop bas, en perdant la notion de l'endroit exact où la tôle se trouve dans le faisceau focalisé.

Algorithme de recherche de la position correcte du foyer

La recherche de la bonne position du foyer ne doit pas être longue. Suivez un algorithme simple :

Choisissez un pas de refocalisation. Ni trop grand (au risque de manquer l'optimum), ni trop petit (au risque de perdre du temps).
Coupez 12 pièces d'essai. Forme idéale : un petit carré. On peut aussi se contenter de coupes droites sur la tôle.
Numérotez pièces ou lignes et notez à côté la position de foyer utilisée.
Inspectez la coupe côté incidence du laser et côté inférieur et choisissez le réglage offrant la meilleure ligne ou la meilleure arête — zone affectée thermiquement minimale, sans gouttelettes ni bavures.
Si la qualité s'est améliorée mais reste imparfaite, fixez la position de foyer trouvée et menez des procédures similaires pour chaque paramètre séparément : distance buse–tôle, pression de gaz, vitesse de coupe, puissance laser. À chaque changement de paramètre, allez d'une extrémité à l'autre par pas unitaires. Vous ne vous perdrez pas parmi les multiples paramètres à optimiser pour votre procédé.

Le jeu de paramètres trouvé ne restera pas identique pour toujours. Si l'un d'eux change, il faudra revoir les autres.

Influence du gaz et du matériau sur le foyer

La position du foyer peut changer lors d'un changement de matériau comme lors d'un changement de gaz. Pensez-y, par exemple, en passant à un oxygène d'une autre pureté — et surtout en passant de l'oxygène à l'azote et inversement.

En coupe avec azote inerte, le foyer doit être enfoncé dans le matériau.
En coupe avec oxygène chimiquement actif, le foyer doit être sur ou au-dessus de la surface de la tôle.

Diagnostic via l'arête

L'examen attentif de l'arête en dit long sur la position du foyer :

Bavures à pointes acérées — soit le débit d'azote est insuffisant, soit le foyer est trop haut.
Bavures avec gouttelettes — le foyer est trop bas.

Parfois, déplacer le foyer de 100–150 microns sauve la situation.

Types de lentilles de focalisation

Longue focale — adaptée à l'usinage de tôles épaisses et de pièces à courbure variable.
Focale moyenne — meilleure pour matériaux moyens et minces.
Courte focale — idéale pour la gravure, avec images nettes et propres.

Options de focalisation sur la tête

1. Focalisation manuelle. La tête possède un dispositif de focalisation, généralement une bague rotative permettant de monter et descendre la lentille. Au premier réglage ou après changement d'épaisseur et de type de métal, la position approximative du foyer doit être réglée manuellement.

2. Autofocus. Les équipements de coupe laser haut de gamme peuvent être équipés d'un système d'autofocus qui ajuste automatiquement la position du foyer selon des valeurs prédéfinies. Il améliore significativement la productivité et réduit les erreurs humaines.

Taille de faisceau (beam waist)

Du schéma de focalisation pour lentilles de focales différentes ressortent deux faits clés :

Plus la focale est grande, plus le spot dans lequel le rayonnement est focalisé est grand.
Plus la focale est grande, plus la taille de faisceau (beam waist) est longue. La taille de faisceau est une certaine distance autour du plan focal le long de l'axe de propagation.

Recommandations complémentaires

Gardez lentilles et miroirs propres : nettoyez et inspectez régulièrement les verres, la contamination influe sur le foyer.
Surveillez l'usure et l'état du matériel.
Utilisez les tables de paramètres de coupe pour votre source (demandez-les au fournisseur) et vérifiez la distance focale des lentilles de votre tête.
Vérifiez si votre zéro réel coïncide avec le zéro logiciel — méthode par localisation de la taille de faisceau.