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CA 02503721 2005-04-26
WO 2004/041445 PCT/FR2003/003131
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PROCEDE ET DISPOSITIF DE POINTAGE D'UN JET FIN
DE FLUIDE, NOTAMMENT EN SOUDAGE, USINAGE, OU
RECHARGEMENTLASER
Le domaine technique privilégié concerné par l'invention est le soudage,
l'usinage ou le rechargement par faisceau LASER.
Le soudage LASER s'est particulièrement développé au cours de ces
dernières années dans le domaine de l'assemblage des tôles nues ou
lo revêtues pour applications automobiles. Ce procédé fait intervenir des jets
de
gaz de différentes manières:
- Des buses coaxiale ou latérale par rapport au faisceau LASER permettent
l'amenée de gaz sous un débit de 15 à 301/mn. Le rôle de ce gaz est
d'assurer la protection du métal liquide et de la zone solidifiée à haute
is température, sans entraîner de perturbation du bain de fusion.
- Un autre rôle dévolu au gaz lors du soudage LASER consiste à chasser le
plasma (vapeurs métalliques et gaz ionisés) produit par l'interaction entre le
faisceau et la matière. Opaque au rayonnement, ce plasma peut absorber
jusqu'à 70% de l'énergie du faisceau et réduire considérablement la
ao pénétration. Le contrôle du plasma permet donc de souder avec une vitesse
accrue et d'obtenir une amélioration de l'aspect du cordon après soudage.
Dans ce cas, le gaz est amené avec un débit élevé par l'intermédiaire d'une
buse de faible diamètre, de l'ordre de quelques millimètres. Celle-ci est
solidaire de la tête comportant le faisceau LASER, mais déportée
2s longitudinalement derrière celui-ci dans le sens du soudage. La buse est
inclinée de façon à ce que le jet gazeux coïncide avec la zone d'interaction
du
faisceau.
- En outre, dans le cas de soudage LASER de tôles d'aciers revëtues, le
soufflage d'un fin jet gazeux par l'intermédiaire d'une buse déportée joue un
3o rôle favorable sur le dégazage des vapeurs métalliques au sein du bain
liquide, et donc sur la diminution des porosités.
L'expérience montre que le positionnement du jet de gaz par rapport à la
zone d'interaction doit étre précis
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- En soudage par raboutage, l'intersection de l'axe du jet de gaz doit se
situer
à 0,5mm au dessus de la surface de la tôle : trop proche de celle-ci, le jet
de
gaz perturbe l'éjection des vapeurs métalliques provenant du capillaire
(« Iceyhole »). Trop éloigné, ce jet de gaz n'a plus d'action mécanique sur le
s soufflage du plasma. Le réglage du contrôle du plasma en soudage LASER
est donc un point particulièrement délicat.
- En soudage LASER par recouvrement, il est possible de projeter le jet de
gaz à l'arrière du bain liquide de façon à exercer une pression sur celui-ci
et
réduire la formation de porosités, mais la précision du positionnement de ce
io jet doit être meilleure qu'un millimètre.
Ainsi, ces différents exemples illustrent le fiait que le positionnement ou le
pointage très précis du jet gazeux de la buse déportée par rapport au
faisceau est un élément déterminant pour obtenir~des joints soudés LASER
de qualitë satisfaisante.
~s A l'heure actuelle, ce pointage est efFectué par les moyens suivants
- On insëre, de manière plus ou moins stable, un fil métallique à l'intérieur
de
la buse, dans le but de matérialiser le jet de gaz et son point d'impact par
rapport au faisceau.
- On matérialise également le jet gazeux par la fixation d'un élément très
20 léger (fil...) à la sortie de ia buse, celui-ci s'orientant en présence du
jet de
gaz.
- En soudage par raboutage, on a également observé que la symétrie des
vagues de solidification sur le cordon donnait une indication sur le
positionnement latéral de la buse par rapport à l'axe longitudinal de
as déplacement du faisceau LASER.
Tous ces procédés présentent cependant de sérieux inconvénients : ils sont
peu précis, peu reproductibles, et dépendent beaucoup de l'opérateur. Ces
difficultés ont d'ailleurs conduit de nombreux ufiilisateurs du soudage LASER
à abandonner la méthode si avantageuse du contrôle du plasma qui a été
3o évoquée précédemment.
Bien que les points qui ont été exposés concernent le soudage LASER,
d'aufires techniques utilisant des jets fins de fluides (liquides, gaz,
fluides
contenant éventuellement de fines particules), nécessitent également un
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pointage précis de l'impact du jet : on citera par exemple certains procédés
de soudage sous gaz, d'usinage (perçage, découpe), de traitements de
surface, notamment de rechargement.
La présente invention a pour but de résoudre les problèmes évoqués
s précédemment. En particulier, elle permet de visualiser de manière précise
et
reproductible l'impact d'un jet fin de fluide, sur une zone ou un objet lors
d'une opération de soudage, d'usinage, de rechargement, notamment par
faisceau LASER.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de pointage
io d'un jet fin de fluide sur une zone ou un objet, notamment en soudage,
usinage ou rechargement LASER, ce jet étant émis à partir d'une buse de
soufflage comportant un canal d'éjection comprenant une partie terminale de
section sensiblement circulaire de diamètre inférieur ou égal à 5mm, une
source lumineuse disposée dans l'axe du canal d'éjection en amont de la
is buse dans le sens de l'écoulement du flux du fluide, générant un faisceau
lumineux non divergent mono ou poly-chromatique, dont au moins une
longueur d'onde est comprise entre 400 et 760 nanomètres, coaxial au canal
d'éjection et se propageant à l'intérieur du canal dans le sens d'écoulement
du fluide, selon lequel, l'écoulement du fluide étant momentanément
2o interrompu, en déplaçant relativement l'objet ou la zone ou le faisceau
lumineux, on pointe le faisceau lumineux sur l'objet ou la zone et on envoie
le
jet fin de fluide sur la zone ou l'objet.
Selon unë caractéristique de l'invention, le fluide est un gaz.
Selon une autre caractéristique, le fluide contient de fines particules.
2s L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du
procédé conforme à l'invention, comprenant une buse de soufflage d'un
fluide comportant un canal d'éjection comprenant une partie terminale de
section sensiblement circulaire de diamètre inférieur ou égal à 5mm, une
source lumineuse LASER disposée dans l'axe du canal d'éjection en amont
3o de la buse dans le sens de l'écoulement du flux du fluide, générant un
faisceau lumineux non divergent monochromatique, dont au moins une
longueur d'onde est comprise entre 400 et 760 nanomètres, coaxial au canal
d'éjection et se propageant à l'intérieur du canal dans le sens d'écoulement
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dudit fluide, ainsi que des moyens d'alimentation en fluide de la dite buse.
Le dispositif selon l'invention peut présenter avantageusement une ou
plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison
- La source lumineuse est isolée du jet de fluide par une séparation étanche
s - La longueur de la partie terminale du canal d'éjection du fluide est
supérieure ou égale à cinq fois le diamètre de la partie terminale du canal
d'éjection
- Le dispositif comporte un moyen d'alignement pour assurer la coaxialité du
jet de fluide et du flux lumineux.
lo L'ïnvention a également pour objet une installation de soudage, d'usinage
ou
de rechargement, comprenant au moins un dispositif de pointage conforme à
l'invention.
Préférentiellement, la têté de soudage, d'usinage ou de rechargement de
cette installation de soudage, d'usinage ou de rechargement, est reliée
is solidairement à un berceau sur lequel est monté au moins un dispositif
conforme à l'invention, le berceau étant orientable en rotation ou en
translation de manière à pointer précisément le jet de fluide.
Selon une caractéristique préférée de l'invention, le soudage, l'usinage ou le
rechargement est effectué par faisceau LASER.
2o L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise, mais non
limitative, au vu de la figure 1 annexée qui présente schématiquement une
buse de soufflage munie d'un dispositif selon l'invention. Le dispositif
comprend deux parties
- Un ensemble 1 comportant l'arrivée du flux de fluide
2s - Un ensemble 2 comportant une source lumineuse 3.
Le rayonnement émis par la source destiné à être visible par un opérateur
est situé au moins partiellement dans le domaine spectral allant de 400 à
760 nm. Afin d'obtenir un pointage précis sur des objets situés à différentes
distances, le faïsceau lumineux est non divergent, ceci étant obtenu par
3o exemple à l'aide d'une lentille appropriée connue en elle-même.
On utilise avec profit comme source lumineuse une diode LASER, afin
d'obtenir un faisceau très ponctuel avec une banne visibilité sur une grande
profondeur de champ.
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L'arrivée du fluide dans l'ensemble 1 se fait par l'intermédiaire du conduit
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Ce fluide peut étre gazeux, liquide, ou composé de plusieurs phases, tel que
par exemple de fines particules solides en suspension dans un fluide. Un
canal d'éjection 10 oriente ensuite le jet de fluide. Le diamètre de la partie
s terminale 11, sensiblement circulaire, du canal d'éjection est inférieur ou
égal
à 5 millimètres pour obtenir une précision accrue de pointage. La longueur de
la partie terminale du canal d'éjection, c'est-à-dire la longueur de la partie
où
la circulation de fluide se fait coaxialement au faisceau lumineux, et dans le
même sens que celui-ci, est préférentiellement supérieure à 5 fois son
io diamètre afin d'assurer la stabilité du jet de fluide en minimisant les
turbulences.
Les ensembles 1 et 2 sont solidarisés par un moyen mécanique approprié
-~cônnu én lui-mérne. Un rraô~én de réglagewisostatique assure une parfaite
coaxialité des faisceaux gazeux et lumineux. A cet effet, le dispositif peut
ls comprendre, comme l'indique la figure 1, des plots 6 et 7 afin d'assurer
que
les ensembles 1 et 2 sont alignés coaxialement de façon parfaite et
reproductible.
Dans le cas ou l'on souhaite assurer une étanchéité entre la source 3 et le
fluide, on dispose une séparation étanche ~ optiquement transparente au flux
20 lumineux issu de la source. Cette séparation repose sur un siège usiné dans
l'ensemble 1 ou l'ensemble 2. Un joint torique 9 assure par exemple
l'étanchéité.
Dans le càs où le dispositif décrit est utilisé pour pointer un faisceau de
fluide,
notamment de gaz, fors d'une opération de soudage, d'usinage ou de
2s rechargement, l'ensemble du dispositif de pointage décrit ci-dessus est
avantageusement monté sur un berceau (connu en lui-même, non représenté
sur la figure 1 ) relié solidairement à la tête de soudâge, d'usinage ou de
rechargement. Ce berceau est orientable en translation et en rotation de
façon à ajuster aisément et de manière précise l'orientation du faisceau
30 lumineux et du flux gazeux.
Dans un premier temps, on oriente approximativement le faisceau lumineux
provenant de la source en direction de ia zone ou de l'objet cible du jet de
fluide, l'écoulement du fluide étant à ce moment interrompu. Au moyen de
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réglages plus fins de la translation ou de la rotation du berceau-support de
l'installation de pointage ou bien du déplacement de l'objet cible, on pointe
très exactement le faisceau lumineux sur la zone ou l'objet cible. On
déclenche ensuite l'éjection du fluide, dont le jet fin se trouve ainsi
s exactement ciblé sur la zone ou l'objet.
L'invention présente un certain nombre d'avantages : permettant une pré-
visualisation de l'impact d'un jefi de fluide trés fin, le procédé et
l'installation
de pointage évitent de mettre en oeuvre des jets à grand débit de gaz parfois
coûteux, et dont l'impact peut perturber certains procédés. L'intégration de
la
io source lumineuse au sein même de la buse de fluide assure une grande
précision de pointage, et, dans le cas du soudage, une protection de cette
même source en cas de pollutions par des vapeurs métalliques. Grâce à
cette précision de pointage, une réduction sensible des défauts et une
augmentation du rendement des installations de soudage, d'usinage ou de
~s rechargement, peuvent âtre obtenus.
2s
