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CA 02495566 2005-02-07
WO 2004/020142 PCT/FR2003/002405
DISPOSITIF ET PROCEDE DE CONTROLE D'UNE OPERATION DE
SOUDAGE, DE RECHARGEMENT OU D'USINAGE PAR FAISCEAU
LASER D'UNE PIECE
L'invention concerne le contrôle de la qualité en soudage,
rechargement ou usinage par faisceau LASER.
L'utilisation de faisceaux à haute densité d'énergie s'est
particulièrement développée au cours des deux dernières décennies,
~o notamment dans le domaine du soudage des tôles nues ou revêtues pour
applications automobiles, en raison de caractéristiques avantageuses
- une vaporisation limitée du revëtement, conférant une meilleure
protection galvanique contre la corrosion,
- de très faibles déformations des assemblages,
ls - une grande précision et une vitesse de soudage élevée,
- un aspect de cordons ne nécessitant pas de parachèvement,
- une bonne tenue à l'emboutissage et en fatigue des joints.
Différents défauts, notamment des porosités, défauts d'alignement,
sont cependant susceptibles d'apparaître, en raison de conditions de
2o préparation inadéquates (accostage imparfait par exemple), d'instabilités
du
bain de fusion, de projections excessives. Le soudage des tôles d'aciers
comportant des revêtements à base de zinc présente à cet égard des
difficultés toutes particulières. II est donc nécessaire de disposer de
systèmes
de contrôle de procédés performants, les instabilités du bain de fusion
2s pouvant mener à la formation d'éventuels défauts.
Ce contrôle en ligne peut être réalisé au moyen de différentes
variables physiques : La mise en oeuvre d'un faisceau LASER provoque la
formation d'un plasma issu de son interaction avec le gaz de protection et les
vapeurs métalliques. Dans le but de minimiser la formation de ce plasma qui
3o réduit la pénétration, on utilise un système de soufflage constitué d'une
buse
de faible diamètre déportée longitudinalement à l'arrière de la tête de
soudage, qui permet de projeter un jet de gaz neutre à quelques millimètres
au dessus de la surface de la pièce.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (REGLE 26)
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Différents capteurs optiques, tels que des photodiodes sensibles dans
le domaine de l'ultraviolet et du visible, peuvent étre utilisés
avantageusement pour analyser la stabilité de ce plasma, qui reflète celle de
l'opération de soudage.
s De la méme façon, des photodétecteurs infra-rouge placés derrière le
faisceau dans le sens du déplacement peuvent étre utilisés pour mesurer
l'intensité émise par le métal fondu. En règle générale, l'intensité infra-
rouge
traduit la quantité de chaleur transférée à la pièce. Ainsi, une pénétration
accrue se traduit par un accroissement de l'émission infra-rouge
io Toutefois, la mise en oeuvre pratique de ces différents capteurs est
difficile : en effet, l'énergie recueillie est faible, car le signal diminue
en raison
inverse du carré de distance de la source au capteur. Deux solutions sont
alors possibles
soit utiliser des capteurs optiques de grand diamètre : cette solution a
ls cependant le désavantage de conduire à un rapport signal/bruit faible.
En effet,, l'énergie lumineuse émise par le capillaire provient d'un faible
angle solide et d'autres signaux lumineux non désirables sont alors
captés par l'optique. En pratique, il est alors très difficile de détecter
l'apparition des défauts au sein de signaux très bruités.
20 - soit rapprocher le capteur de la zone soudée : dans ce cas, les
expulsions périodiques, les vapeurs métalliques condensées peuvent
dégrader assez rapidement les optiques des capteurs. L'élévation
locale de température ne permet pas non plus de placer le capteur
très près du métal fondu. Des techniques palliatives ont été imaginées,
2s reposant sur le soufflage d'un jet gazeux latéral devant le capteur pour
protéger celui-ci, ou encore la protection des optiques par une lame
transparente consommable à changer régulièrement. Cependant, ces
solutions ne sont pas satisfaisantes, ni du point de vue économique,
ni du point de vue de la fiabilité du signal.
3o La présente invention a pour but de résoudre les problèmes évoqués
précédemment. Elle vise en particulier à mettre à disposition un dispositif de
contrôle permettant de recueillir les signaux lumineux émis par l'interaction
faisceau LASER / matière qui traduisent la qualité du soudage, du
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rechargement ou de l'usinage, avec un rapport signal/bruit élevé et un
positionnement précis par rapport au faisceau LASER, ledit dispositif devant
être peu sensible aux différentes pollutions lors du soudage, du rechargement
ou de l'usinage, inhérentes à tout environnement industriel.
s Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour premier objet un dispositif
de contrôle de la qualité d'une opération de soudage, de rechargement ou
d'usinage d'une pièce par faisceau LASER, comprenant au moins une buse
de soufflage d'un gaz munie d'un canal d'éjection d'un flux dudit gaz, ladite
buse étant déportée en arrière du faisceau LASER dans le sens de
io l'oc~ération et munie d'au moins un capteur photosensible disposé en
arrière
dudit canal d'éjection de façon à pouvoir recueillir au moins un signal
lumineux pénétrant dans ledit canal d'éjection et émis pendant ladite
opération de soudage, de rechargement ou d'usinage.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la buse de
is soufflage d'un gaz comprend un canal placé dans le prolongement du canal
d'éjection, et le capteur photosensible est disposé dans ledit canal.
Selon un autre mode de réalisation prëfêrë, la buse de soufflage d'un
gaz comprend un canal placé dans le prolongement du canal d'éjection et un
canal latéral débouchant dans ledit canal, le capteur photosensible étant
2o disposé dans le canal latéral, et une lame réfléchissante est disposée à la
jonction du canal et du canal latéral de façon à dévier le signal lumineux en
direction du capteur photosensible.
Cette lame réfléchissante est, de préférence, semi-transparente.
Le dispositif selon l'invention peut présenter avantageusement une ou
2s plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison
- au moins un capteur photosensible est sensible au rayonnement
infra-rouge,
-au moins un capteur photosensible est sensible au rayonnement ultra-
violet,
30 - au moins un capteur photosensible est isolé du flux de gaz par une
séparation étanche optiquement transparente au moins dans la plage
de sensibilité de ce capteur,
- le dispositif comprend des moyens de filtration et d'amplification du
FEUILLE MODIFIÉE
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- le dispositif comprend des moyens d'enregistrement du signal de sortie
du capteur photosensible.
L'invention a pour second objet un procédé de contrôle d'une opération
de soudage, de rechargement ou d'usinage d'une pièce par faisceau LASER,
s dans lequel on recueille, au moyen du dispositif selon l'invention, au moins
un
signal lumineux provenant de l'opération de soudage, de rechargement ou
d'usinage, que la variation de ce signal lumineux en fonction du temps est
comparée à au moins un signal de référence obtenu dans des conditions
telles qu'aucun défaut volumique ou surfacique inacceptable ne soit présent
lo sur la pièce, et que l'acceptation ou le rebut de la pièce soudée,
rechargée ou
usinée soit décidée par comparaison de ces deux signaux.
Enfin, l'invention a pour troisième objet, un procédé de contrôle d'une
opération de soudage, de rechargement ou d'usinage d'une pièce par
faisceau LASER, dans lequel on recueille, au moyen d'un dispositif selon
ls l'invention, au moins un signal lumineux provenant de ladite opération de
soudage, de rechargement ou d'usinage, que la variation dudit signal
lumineux en fonction du temps est comparée à au moins un signal de
référence obtenu dans des conditions telles qu'aucun défaut volumique ou
surfacique inacceptable ne soit présent sur ladite pièce, et que les
2o paramètres de soudage, de rechargement ou d'usinage soient asservis en
fonction de la comparaison desdits au moins deux signaux.
Le dispositif de contrôle de la qualité d'une opération de soudage, de
rechargement ou d'usinage conçu conformément à l'invention présente un
certain nombre d'avantages : comme le capteur est intégré au sein d'un
2s dispositif de soufflage de gaz, qui peut être lui-méme placé à proximité
immédiate de la zone d'interaction faisceau-matière, le rapport signal/bruit
est
élevé. Des perturbations éventuelles du soudage, du rechargement ou de
l'usinage seront donc plus aisément observables. Par ailleurs, la localisation
du capteur au sein même du dispositif apportant le gaz (celui-ci étant par
3o exemple un gaz neutre) protège ce capteur de toute dégradation.
L'invention va être maintenant décrite de façon plus précise, mais non
limitative en référence aux figures jointes dans lesquelles
- La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un premier mode de
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réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- La figure 2 est une vue schématique en coupe d'un second mode de
réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- Les figures 3 à 5 illustrent des exemples de signaux enregistrés
s pendant le soudage LASER au moyen d'un dispositif selon l'invention
ils correspondent respectivement à des soudures sans défaut, avec
apparition d'un défaut isolé, ou avec de nombreuses instabilités,
Dans un premier mode de réalisation repris à la figure 1, le dispositif de
contrôle de la qualité d'une opération de soudage, de rechargement ou
io d'usinage d'une pièce par faisceau LASER, est constitué d'une buse de
soufflage d'un gaz 1 munie d'une téte de mesure 2 disposée sur la face
arrière 12 de la buse 1.
La buse 1 comporte un canal 5 d'éjection de gaz et un canal 4
d'alimentation en gaz débouchant dans le canal 5. Ce dernier canal 5,
is disposé dans l'axe de la buse 1 débouche, d'une part, à l'avant 13 de la
buse
1, du côté par lequel le flux de gaz est éjecté de la buse 1, et d'autre part,
sur
la face arrière 12 de la buse 1.
La tête de mesure 2 comporte un canal 11 débouchant sur la face
avant de la téte de mesure 2, destinée à étre accolée à la face arrière 12 de
20 la buse 1, et un capteur photosensible 3 disposé dans l'axe du canal 11,
orienté pour recueillir le rayonnement lumineux entrant par l'intermédiaire du
canal 5. L'orientation du capteur, co-axiale à celle de l'écoulement du flux
de
gaz, garantit que la zone observée par celui-ci, est bien une zone
d'interaction avec le gaz.
2s Le capteur photosensible 3 est avantageusement un détecteur de
rayonnement infra-rouge (par exemple photo-diode Ge+filtre Si, photo-diode
InGaAs) enregistrant notamment le rayonnement provenant de la zone
fondue, ou un détecteur de rayonnement ultra-violet (par exemple photo-
diode GaP, photo-diode au silicium). Le signal de sortie de ce capteur
3o photosensible peut étre avantageusement filtré et amplifié.
La face avant de la téte de mesure 2 est disposée contre la face
arrière 12 de la buse 1 et maintenue par des moyens de centrage, par
exemple des plots de centrage 6 et 7, de telle sorte que le canal 11 soit
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coaxial au canal 5 d'éjection du gaz.
A la jonction de la face avant de la tête de mesure 2 et de la face
arrière 12 de la buse 1, le canal 5 est séparé du canal 11 par une séparation
8, transparente au rayonnement lumineux au moins dans la plage de
s sensibilité du capteur 3, et en rapport avec le phénomène physique que l'on
souhaite mesurer. Par exemple, dans le cas où l'on cherche à enregistrer le
signal provenant du plasma en soudage LASER, on utilise avantageusement
une séparation optiquement transparente au moins au rayonnement ultra-
violet. Cette séparation 8 repose sur un siège usiné dans la buse 1 ou dans la
io tête de mesure 2. La séparation 8 est complétée avantageusement par un
joint torique 9 de façon à assurer une étanchéité entre la buse 1 et la tête
de
mesure 2.
Selon un second mode de réalisation représenté à la figure 2, le
dispositif de contrôle selon l'invention comporte un capteur 3' disposé dans
ls un canal 11' latéral et débouchant dans le canal 11. Une lame
réfléchissante
qui peut être semi-transparente est disposée à la jonction du canal 11 et
du canal latéral 11' de façon à dévier le rayonnement provenant du canal
d'éjection 5 et passant à travers le canal 11, pour le faire passer à travers
le
canal 11' afin qu'il puisse atteindre le capteur 3'.
2o Lorsque l'on veut utiliser le dispositif selon l'invention pour contrôler
une opération de soudage, de rechargement ou d'usinage, on le place de
telle sorte que la face avant 13 de la buse 1 soit orientée vers la zone de
formation du plasma ou du métal fondu par exemple, et on souffle le gaz.
Dans le cas de soudage LASER, il peut s'agir avantageusement de la
2s buse servant à souffler un gaz pour réduire la formation du plasma. Le
rayonnement lumineux émis lors de l'opération de soudage, de rechargement
ou d'usinage, pénètre axialement dans le canal d'éjection 5, traverse la
séparation 8, et poursuit son parcours par le canal 11. II est alors reçu par
le
capteur photosensible 3 ou 3' qui émet un signal utilisé pour mesurer
30 l'intensité du rayonnement.
Grâce à un ou plusieurs capteurs, on peut enregistrer en fonction du
temps, un ou plusieurs signaux lumineux provenant de l'opération de
soudage, de rechargement ou d'usinage. De préférence, ces capteurs sont
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positionnés à une distance très proche de la source lumineuse (plasma,
métal fondu), puisque les risques d'endommagement de ceux-ci par la
chaleur, les projections ou les vapeurs métalliques, sont réduits en raison de
leur localisation au sein de buses de soufflage de gaz. De la sorte, les
s signaux lumineux recueillis sont d'une grande intensité. La variation de ces
signaux lumineux peut être alors comparée à un ou plusieurs signaux de
référence obtenus dans des conditions telles qu'aucun défaut volumique ou
surfacique inacceptable ne soit présent sur la pièce. Cette comparaison
permet de décider de l'acceptation ou du rejet de la pièce soudée, rechargée
lo ou usinée, ou encore, par un asservissement des différents paramètres de
soudage, d'éviter la formation de défauts.
Les figures 3 à 5 présentent des exemples de signaux enregistrés
durant une opération de soudage LASER par un dispositif selon l'invention
on a soudé des tôles d'acier électrozinguées de 1,2 mm d'épaisseur par
ls LASER C02 de 6kW avec une vitesse de 1,5 m/mn. Le capteur est une
photodiode au silicium sensible dans une plage de rayonnement allant de 450
à 1100 nm, intégrée au sein d'une buse de soufflage d'argon placée derrière
le faisceau LASER dans le sens du soudage. La buse est orientée vers le
métal fondu par le faisceau LASER. La distance entre le point d'impact du
2o faisceau sur la tôle et l'extrémité de la buse est de 40 mm.
La figure 3 illustre une soudure réalisée dans des conditions
satisfaisantes : à partir du début de l'opération de soudage (partie gauche du
diagramme), le signal enregistré par le capteur, qui correspond à l'énergie
lumineuse renvoyée par le métal fondu, ne présente pas de variation
2s significative. De fait, les examens des soudures ne mettent en évidence
aucun défaut.
La figure 4 présente une variation caractéristique du signal. Cette
instabilité correspond à l'apparition ponctuelle d'un défaut.
La figure 5 traduit une opération de soudage sur tôle avec revêtement
3o de zinc. Les nombreuses perturbations du signal enregistrées par le capteur
selon l'invention correspondent à des instabilités du plasma, des projections
de métal liquide, et la soudure comporte des défauts importants.
Ainsi, le dispositif selon l'invention, qui peut être placé à faible distance
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de la zone de travail en cours de soudage, d'usinage, ou de rechargement,
permet d'enregistrer des signaux intenses bien caractéristiques de la qualité
de l'assemblage. Le dispositif très compact et transportable s'insère aisément
au sein d'un espace restreint occupé par une ou plusieurs tëtes de soudage
s ou d'usinage ou plusieurs buses de gaz, sans affecter la bonne marche des
constituants pré-existants d'une installation LASER.
