Coupage oxyfuel expliqué : processus, avantages et inconvénients

Qu'est-ce que le coupage oxyfuel ?

Le soudage oxyfuel et le coupage oxyfuel sont des procédés qui utilisent des gaz de combustion (ou carburants liquides comme l'essence) et de l'oxygène pour souder ou couper les métaux. Les ingénieurs français Edmond Fouché et Charles Picard ont été les premiers à développer le soudage oxyacétylénique en 1903.

De l'oxygène pur, au lieu de l'air, est utilisé pour augmenter la température de flamme et permettre la fusion localisée du matériau (ex: acier) en environnement ambiant.

Une flamme propane/air brûle vers 1980 °C, une flamme propane/oxygène vers 2253 °C, une flamme oxyhydrogène à 2800 °C, et une flamme acétylène/oxygène à environ 3500 °C.

Avant la coupe, le chalumeau doit préchauffer l'acier à sa température d'inflammation au point de départ. À cette température d'environ 960 °C (selon l'alliage), l'acier a perdu ses propriétés protectrices contre l'oxygène mais est encore solide.

De l'oxygène pur est alors dirigé par la buse vers la zone chauffée. Ce jet fin et haute pression transforme l'acier préchauffé et non protégé en acier liquide oxydé par une réaction exothermique.

Cette scorie a un point de fusion plus bas que l'acier, donc le jet d'oxygène peut souffler la scorie liquide hors de la cavité sans affecter l'acier solide non oxydé. Cette réaction exothermique est continue et crée une coupe à mesure que le chalumeau avance. Pour maintenir la réaction, le chalumeau maintient l'acier chauffé pendant la coupe.

Seuls les métaux dont les oxydes ont un point de fusion plus bas que le métal de base peuvent être coupés ainsi. Sinon, dès que le métal s'oxyde, il stoppe l'oxydation en formant une croûte protectrice. Seuls les aciers doux et certains alliages bas répondent à ces conditions et peuvent être coupés efficacement par oxyfuel.

Comment fonctionne le processus de coupage oxyfuel ?

Le coupage oxyfuel est une réaction chimique entre l'oxygène pur et l'acier pour former de l'oxyde de fer. On peut le décrire comme une rouille rapide et contrôlée. Les flammes de préchauffage portent la surface ou le bord de l'acier à environ 980 °C (couleur rouge vif).

De l'oxygène pur est alors dirigé vers la zone chauffée en un jet fin et haute pression. Alors que l'acier s'oxyde et est soufflé pour former une cavité, le préchauffage et le jet d'oxygène sont déplacés à vitesse constante pour former une coupe continue.

Seuls les métaux dont les oxydes ont un point de fusion plus bas que le métal de base peuvent être coupés ainsi. Sinon, dès que le métal s'oxyde, il termine l'oxydation en formant une croûte protectrice. Seuls les aciers à faible teneur en carbone et certains alliages bas répondent à cette condition.

Voici les bases du fonctionnement :

Étape 1 : Préchauffage

Avant de commencer à couper l'acier, il doit être chauffé à sa température d'inflammation, environ 980 °C. À cette température, l'acier réagit facilement avec l'oxygène. La chaleur est fournie par les flammes de préchauffage d'un chalumeau oxyfuel. Dans le chalumeau, le gaz de combustion est mélangé à l'oxygène pour créer un mélange hautement inflammable.

Une buse a plusieurs trous disposés en cercle pour focaliser le mélange inflammable en plusieurs petits jets. Le mélange gaz/oxygène est enflammé à l'extérieur de la buse, et les flammes de préchauffage se forment juste à l'extérieur de l'embout.

Les gaz de combustion couramment utilisés incluent l'acétylène, le propane, le gaz naturel, et quelques autres gaz mélangés. En ajustant le rapport gaz/oxygène, la flamme est ajustée pour produire la température la plus haute possible dans la flamme la plus petite possible. Cela concentre la chaleur sur une petite zone de la surface de la tôle.

Étape 2 : Percage (Piercing)

Une fois que la surface ou le bord de la tôle a atteint la température d'inflammation, un jet d'oxygène pur est activé pour commencer à percer la tôle. C'est l'« oxygène de coupe », et le jet est formé par un seul alésage au centre de la buse.

Quand le jet d'oxygène de coupe frappe l'acier préchauffé, le processus d'oxydation rapide commence. C'est là que le vrai travail commence. L'oxydation est une réaction exothermique — elle dégage plus de chaleur qu'il n'en faut pour la démarrer.

L'acier oxydé prend la forme de scorie fondue, et cette scorie doit s'écarter pour que le jet d'oxygène « perce » tout le long de la tôle. Selon l'épaisseur, cela peut prendre d'une fraction de seconde à plusieurs secondes.

Pendant ce temps, le jet d'oxygène pousse plus profond dans la tôle, et la scorie fondue est soufflée hors du trou de perçage. Cela peut résulter en un geyser massif d'acier fondu, ou, si bien fait, en une petite flaque de scorie sur le dessus.

Étape 3 : Coupe

Une fois que le jet d'oxygène a traversé toute la tôle, le chalumeau peut commencer à avancer à vitesse constante, formant une coupe continue. La scorie fondue formée pendant cette phase est soufflée par le bas de la tôle.

La chaleur dégagée par la réaction chimique entre l'oxygène et l'acier préchauffe la tôle juste devant la coupe, mais pas assez fiablement pour couper sans les flammes de préchauffage. Donc, les flammes de préchauffage restent allumées pendant toute la coupe, ajoutant de la chaleur pendant que le chalumeau avance.

Ce sont les bases. Mais de nombreux autres facteurs affectent la qualité du bord de coupe, notamment la vitesse, la pression d'oxygène de coupe, le réglage de la flamme de préchauffage, la hauteur de coupe, la température de la tôle, etc.

Caractéristiques de l'oxyfuel comparé au plasma

• Matériau. L'oxyfuel coupe l'acier doux. Seuls les métaux dont les oxydes fondent plus bas que le métal de base peuvent être coupés. Sinon, l'oxydation forme une croûte protectrice. Seuls l'acier doux et certains alliages bas répondent à ces conditions.
• Épaisseur de paroi. L'oxyfuel permet de couper des parois plus épaisses que le plasma. Le plasma ne peut pas couper des parois épaisses à cause de l'énorme énergie nécessaire pour atteindre des épaisseurs similaires.
• Angle de coupe. L'oxyfuel permet des angles plus raides jusqu'à 70° (contre 45° pour le plasma) grâce à la concentration du jet d'oxygène.
• Coupes droites. Le faisceau plasma a tendance à dévier quand l'angle est trop raide. Cette déviation peut être compensée par l'automatisation.
• Coûts. L'oxyfuel est plus économique que le plasma. Investissement initial, consommables et coûts d'exploitation sont tous inférieurs. Cependant, les vitesses de traitement sont généralement plus lentes sous 20 mm d'épaisseur (considérant le profilage 3D dans l'industrie lourde de l'acier).

Avantages et inconvénients du coupage oxyfuel

Avec les applications de coupage oxyfuel, gaz de combustion et oxygène génèrent la flamme de coupe. Messer Cutting Systems fournit des gaz incluant acétylène, MAPP, propane, gaz naturel, et informations selon vos besoins.

Avantages :

• Qualité de bord droit et haute précision.
• Coupe de bandes en biseau.
• Percage d'acier doux jusqu'à 101 mm (4 po) à 127 mm (5 po) d'épaisseur.
• Démarrage par le bord et coupe d'acier de 254 mm (10 po) à 304 mm (12 po) d'épaisseur.
• Avec plusieurs chalumeaux, produire plusieurs pièces, réduisant temps et main-d'œuvre.

Inconvénients :

• Ne peut pas couper l'acier inoxydable dans des conditions normales.
• Vitesses de coupe plus lentes que le plasma.
• La coupe de matériau mince peut causer du gauchissement.
• Difficile de produire des trous plus petits que deux fois l'épaisseur de l'acier.