FR2644900A1 - Support de fibres multiples pour coupleur de sortie, et son procede d'utilisation - Google Patents

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Abstract

Un support 24 pour emploi avec une multitude de fibres optiques 12 qui illuminent une pièce, présente un alésage central 76 dans lequel les fibres s'étendent. Des vis 74 et des ressorts 80 servent à ajuster l'orientation des fibres les unes par rapport aux autres de manière à obtenir sur la pièce des diagrammes d'illumination différents. A la place des vis, on peut employer des arbres de micromètres motorisés et des cales. Un procédé de traitement d'une pièce comprend les étapes consistant à ajuster l'orientation d'une multitude de fibres optiques pour obtenir sur la pièce un diagramme d'illumination sélectionné et à illuminer la pièce avec des faisceaux laser de haute puissance provenant des fibres. Application aux procédés industriels, par exemple aux opérations de soudage.

Description

La présente invention concerne un support pour une multitude de fibres
optiques et, plus particulièrement, un support dans lequel on peut ajuster l'orientation des fibres
les unes par rapport aux autres.
On peut utiliser la lumière d'un laser pour exécuter des procédés industriels, par exemple des opérations de perçage, de soudage, de brasage, etc.. A cet effet, une multitude de fibres optiques qui acheminent la lumière laser est maintenue dans un poste de travail à proximité de la pièce par un support tel que celui représenté dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 4 744 627. Cependant, un tel support maintient les fibres parallèlement les unes aux autres, et à une distance fixe les unes des autres. Beaucoup de procédés industriels imposent que l'espacement entre les
fibres, ainsi que l'angle qu'elles forment, soient réglables.
Par conséquent, la présente invention a pour objet un support pour une multitude de fibres optiques qui permette l'ajustement de l'espacement et de l'angle entre les fibres,
et un procédé d'utilisation du support.
Selon la présente invention, un support pour emploi avec une multitude de fibres optiques illumant une pièce comprend un corps présentant un alésage central pour recevoir les fibres; et un moyen, disposé dans l'alésage, pour venue
en contact avec les fibres et pour le règlage de l'orienta-
tion des fibres les unes par rapport aux autres.
- 2- Un procédé de traitement d'une pièce comprend les étapes consistant à ajuster l'orientation mutuelle d'une multitude de fibres optiques et à illuminer la pièce avec
l'énergie d'un laser de haute puissance provenant des fibres.
La suite de la description se réfère aux figures
annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue en coupe d'un coupleur utilisant le support de la présente invention, figure 2, un schéma d'un télescope utilisé dans la figure 1; figures 3A et 3B, des vues en coupe de variantes du coupleur de sortie des fibres de la figure 1; figure 4A, une vue en coupe d'un premier mode de réalisation d'un coupleur utilisé en figure 1, alors que la figure 4B représente une orientation particulière des fibres optiques dans le support de la figure 4A; figures 5A, B, C et D, des courbes de l'intensité du faisceau en fonction de son diamètre pour les diverses configurations de fibres optiques de la figure 4; figure 6, une vue en coupe d'un second mode de réalisation d'un support; et figures 7A, B, C et D, des mappes topographiques des distributions d'un faisceau laser sur une pièce correspondant
aux distributions de l'intensité en figure 5.
Dans les dessins, on a donné à des éléments correspon-
dants des références correspondantes.
En figure 1, on a représenté dans ses grandes lignes un support par la référence 10. Une multitude de fibres optiques 12 à indice en gradins, généralement constituées d'un noyau en quartz et d'un habillage en polymère ou en verre entourés par un câble blindé en acier, sont reçues par le terminateur 14 du câble. Les fibres 12 acheminent des faisceaux laser de puissance élevée, généralement comprise entre 0,5 et 1,5 kwh, provenant de n'importe quel type de laser à l'état solide ou à gaz, les longueurs d'onde étant 3- comprises entre l'infrarouge (2 pim) et l'ultraviolet (193 nm)., Un chapeau d'extrémité 16 reçoit le terminateur 14 dans des filets intérieurs 18. Un épaulement 20 du chapeau 16 est reçu dans une première section 22 à fût cylindrique. Un support cylindrique 24 de fibres (qu'on décrit en détail ci- desious) présente une extension (non représentée) qui est reçue dans des filets 26. Des trous 28 sont ménagés dans le fût 22 pour permettre l'accès à des vis de réglage (décrites ci-dessous). Les fibres 12 s'étendent à travers le chapeau d'extrémité 16 et le support 24. Alors qu'on n'a représenté que deux fibres 12a et 12b, il peut y en avoir davantage. On prépare de préférence les pointes aux deux extrémités des
fibres 12 comme cela est indiqué dans les brevets des Etats-
UniS d'Amérique n 4 676 586 et 4 681 396 pour éviter l'endommagement de leur habillage par l'énergie laser à haute puissance qui est émise et injectée. Les faisceaux divergents A et 30b provenant des fibres 12a et 12b, respectivement, tombent sur une lentille de collimation 32 planoconvexe et,
par conséquent, forment respectivement des faisceaux collima-
tés 34a et 34b. A leur tour, les faisceaux 34a et 34b frappent une lentille divergente 36 plano-convexe et, par conséquent, forment respectivement des faisceaux divergents 38a et 38b. Les lentilles 32 et 36 ont typiquement un
diamètre d'environ 2,5cm.
Une seconde section 40 à fût cylindrique se monte sur la première section 22 et comporte une lentille convergente 42 plano-convexe qui reçoit les faisceaux 38a et 38b pour
produire respectivement des faisceaux collimatés 44a et 44b.
Les lentilles 36 et 42 forment ensemble un télescope de Galilée (qu'on décrit ci-dessous). Les faisceaux 44a et 44b tombent sur une lentille de focalisation 46 plano-convexe pour produire respectivement des faisceaux convergents 48a et 48b. En général, les lentilles 42 et 46 ont un diamètre d'environ 5cm. Une buse 50 se monte sur la seconde section à fût 40 et reçoit à son entrée 52 un gaz d'aide au traitement, -4- par exemple 02, He, Ar, N2, etc., pour éviter que la lentille 46 ne soit éclaboussée par du matériau provenant de la pièce et pour aider au traitement du matériau. Le gaz qu'on choisit est fonction du procédé qu'on exécute, comme cela est connu dans la technique. Les faisceaux 48a et 48b se focalisent
respectivement à des points 54a et 54b d'une pièce 56.
D'autres motifs d'illumination (qu'on décrit ci-dessous) sont possibles. Les lentilles 32, 36, 42 et 46 sont fabriquées par la société dite CVI Laser Corp., Alberquerque, NM. Le chapeau d'extrémité 16, les sections 22 et 40 des fûts, et la buse 50
sont de préférence constitués d'un matériau qui est dimen-
sionnellement stable avec les variations de la température, par exemple d'aluminium du type MIG-6. Le cas échéant, on peut supprimer les lentilles 36 et 42. Alors, les sections 22 et 40 peuvent être une construction monobloc ayant un
diamètre constant.
La figure 2 représente le télescope de Galilée comprenant les lentilles 36 et 42, qui ont un foyer commun 58. La lentille 36 est à une distance - fe du point 58, le signe moins indiquant qu'elle est négative. La lentille 42 est à une distance fo du point 58 et par conséquent le
facteur d'extension pour le télescope est foA-feL La diver-
gence du faisceau laser sera réduite par la réciproque du facteur d'extension et par conséquent, il en sera de même
pour les dimensions des points 54a et 54b.
Il est fréquent qu'on désire surveiller des paramètres tels que le diamètre et la position du faisceau laser et la poursuite du faisceau comme faisant partie d'un système de traitement à boucle fermée. Pour y parvenir, on emploie une caméra de contrôle. Les figures 3A et 3B représentent des variantes du coupleur de la figure 1 pour permettre à une caméra de contrôle d'observer le procédé et de permettre le contrôle des profils des faisceaux laser sur le matériau. En figure 3A, un miroir 60 est placé dans la première section 22 du fût à un angle de 45 par rapport à son axe longitudinal - 5- entre les lentilles 32 et 36. Le miroir 60 présente un revêtement sur ses deux faces pour une transmission à 100% des faisceaux 34a et 34b de haute puissance. Cependant, une très petite partie du faisceau 34 est réfléchie pour former le faisceau 62. Le faisceau 62 tombe sur un miroir 64 monté à un angle de 45 par rapport au faisceau 62 dans une partie image 66 de la première section 22 du fût. La face intérieure
68 du miroir 64 présente un revêtement anti-réflexion à 100%.
Une petite quantité du faisceau 62 est réfléchie pour former un faisceau 70. La petite quantité de la lumière dans le faisceau 70 est suffisante, étant donné la sensibilité d'une - caméra typique à système à transfert de charges. On peut monter une telle caméra (non représentée) dans la partie image 66, avec le faisceau 70 tombant sur son avant, ou, en
variante, on peut monter des fibres optiques (non représen-
tés) avec une de leurs extrémités dans la partie 66 en regard du miroir 64, et leurs extrémités éloignées contiguës à la
partie avant de la caméra.
La figure 3B représente un agencement semblable à celui de la figure 3A,$ sauf toutefois que le miroir 60 est disposé dans la seconde section à fût 40 entre les lentilles 42 et 46, d'o l'interception des faisceaux 44a et 44b. Le fonctionnement est identique par ailleurs. En figures 3A et 3B, les parties du coupleur 10 qu'on n'a pas représentées sont identiques à celles de la figure 1. On verra que dans les figures 3A et 3B les miroirs 60 et 64 et la partie image 66 comportent un moyen pour dévier une partie de la lumière
dans les sections respectives à des fins de surveillance.
La figure 4A représente les détails du support 24 de la figure 1, qu'on peut réaliser en résine synthétique telle que la résine vendue sous la marque déposée Plexiglass et qui comprend une multitude de trous filetés 72a, 72b, 72c, et 72d, respectivement, comportant des vis de réglage 74a, 74b, 74c et 74d. Le support 24 comprend également un alésage longitudinal circulaire 76 dans lequel s'étendent les fibres -6-
12a et 12b d'un diamètre compris entre environ 100 et 1000.m.
On peut utiliser d'autres formes, par exemple une forme carrée, une forme rectangulaire, etc., pour la section transversale de l'alésage 76. Des plaques tampon 78a et 78b, par exemple en quartz d'une épaisseur de lmm, sont disposées
de chaque côté de la fibre 12a pour empêcher son endommage-
ment mécanique. La plaque 78a est en contact avec les vis 74a et 74b. D'une façon similaire, des plaques tampon 78c et 78d sont placées de chaque côté de la fibre 12b, la plaque 78d étant en contact avec les vis 72c et 72d. Des moyens permettant de solliciter les fibres 12a et 12b pour les écarter, tels que des ressorts 80a et 80b, sont disposés entre les plaques 78b et 78c et sont en alignement avec les
trous 72 bien que cet alignement ne soit pas indispensable.
On peut régler les vis 74 avec un tournevis inséré dans les trous respectifs 28 ménagés dans la première section 22 de la figure 1. On remarquera qu'on peut choisir la distance ainsi que l'angle entre les fibres 12 grâce à des ajustements
appropriés des vis 74.
On peut voir cette possibilité en figure 4B dans laquelle les vis de réglage 74a et 74c sont légèrement en saillie sur les trous 72a et 72c pour entrer dans l'alésage 76, alors que les vis 74b et 74d dépassent des trous 72b et 72c pour pénétrer dans l'alésage 76 sur une distance plus grande. Le résultat obtenu est que la distance et l'angle entre les fibres 12a et 12b sont notablement différents de ceux de la figure 4A au côté droit du support 24 et à un
moindre degré au côté gauche.
La figure 5A représente l'intensité du faisceau en fonction de son diamètre pour le réglage du support 24 indiqué en figure 4A, c'est-à-dire que les fibres 12 sont davantage éloignées. Les pics 82 et 84 sont éloignés. La figure 5B représente le cas o les fibres 12 sont rapprochées
(figure 4B), de sorte qu'il en est de même des pics 82 et 84.
Lorsque les fibres 12 sont séparées d'une distance inférieure -7- à environ un diamètre de la fibre, les pics 82 et 84 coincident presque (figure 5C). Dans la configuration de la figure 4B o une fibre, par exemple 12a, a un diamètre inférieur à celui de l'autre fibre, par exemple 12b, le pic 82 de la fibre 12a a alors une largeur inférieure à celle du pic 84 dû à la fibre 12b, comme représenté en figure 5D. Les fibres 12a et 12b ont les mêmes ouvertures numériques ou des
ouvertures différentes.
Bien qu'on n'ait repésenté que deux fibres, on peut en utiliser un nombre plus grand. Si, par exemple, on emploie trois fibres, l'alésage 76 au lieu d'avoir une section transversale circulaire comportera trois fentes espacées de degrés, chaque fente comportant une fibre et une paire de plaques tampon, et, si on utilise quatre fibres, l'alésage 75 aura la forme d'un X avec une fibre et une paire de plaques
tampon dans chaque fente du X, etc..
Dans le second mode de réalisation du support 24 représenté en figure 6,' le support, au lieu d'être monté sur le chapeau d'extrémité 16, l'est directement sur la première section à fût 22 au moyen de vis de réglage 86a et 86b disposées respectivement dans des trous 88a et 88b, les vis 86 étant en contact avec le support 24. On peut aussi
utiliser un tel agencement dans le premier mode de réalisa-
tion de la figure 4. Des trous 90a, 90b, 90c et 90d ménagés dans le support 24 sont respectivement en alignement avec des trous 92a,. 92b, 92c, 92d pratiqués dans la section 22. Des cales 94a, 94b, 94c, 94d s'étendent dans les trous 90a, 90b, c et 90d, et 92a, 92b, 92c, 92d, respectivement. Les cales 94 peuvent être en aluminium ou en acier inoxydable. Des supports de cale 96a, 96b, 96c, 96d, par exemple en aluminium, sont montés sur l'extérieur de la première section 22 à un endroit contigu aux trous respectifs 92a, 92b, 92c et 92d. A l'opposé des supports 96 se trouvent des montures 98a, 98b, 98c et 98d. Le cas échéant, les supports 96 et les montures 98 peuvent être constituées du même aluminium que la - 8 - section 22 et être en une pièce avec elle. Des micromètres motorisés 100a, 100b, 100c et 100d comportent des codeurs, sont respectivement fixés aux montures 98a, 98b, 98c et 98d et ont des arbres à extrémité sphérique 102a, 102b, 102c et 102d en saillie sur les montures pour être respectivement en contact avec les cales 94a, 94b, 94c et 94d. Les micromètres peuvent être du type dit 18219 et être commandés par un contrôleur du type 18011 avec une interface (non représentée), tous ces éléments étant fabriqués par la société dite Oriel
Corp., Stanford, Connecticut.
En fonctionnement, des signaux de commande sont appliqués aux micromètres 100 à partir de l'interface dans le but de provoquer la rotation des arbres 102. Il se produit alors un mouvement vertical des cales 94 qui a pour effet de modifier l'orientation mutuelle des fibres 12. Les codeurs (non représentés) placés sur les micromètres 100 émettent des
signaux pour un ordinateur (non représenté) contenant l'em-
placement des arbres 102 et donc des fibres 12, pour la commande précise de leur orientation. Les micromètres 100 sont placés sur les deux côtés de la première section à fût 22 de sorte que les fibres 12 peuvent être déplacées de façon symétrique, car il faut avoir une configuration symétrique de
l'illumination par laser dans de nombreux procédés.
On obtient les distributions topographiques du fais-
ceau laser de la figure 7 lorsque la pièce 56 est perpendicu-
laire au coupleur 10. La figure 7A correspond à la distribu-
tion de l'intensité de la figure 5A et peut être utilisée pour percer simultanément deux trous. Les figures 7B et 7C concernent les distributions de l'intensité correspondant aux figures 5B et 5C et peuvent être employées pour percer des trous elliptiques, la figure 7B produisant un trou ayant une excentricité supérieure à celle de la figure 7C. On obtient la figure 7D avec la distribution de la figure 5D, et cette figure représente la façon dont on peut utiliser le support de l'invention pour percer des trous façonnés de façon - 9 - unique. On peut également utiliser la distribution pour
souder des composants discrets de diverses dimensions.
On remarquera qu'on peut obtenir d'autres distribu-
tions des faisceaux laser avec la pièce 56 placée par rapport au coupleur 10 suivant un angle autre que l'angle droit. De fait, on peut employer la présente invention dans un angle de 10 degrés par rapport à la surface de la pièce 56. Lorsqu'on utilise un seul faisceau laser pour une opération de soudage, la tolérance d'ajustement entre les pièces soudées est faible à cause de la petite dimension du spot. Comme la présente invention fait appel à une multitude de faisceaux laser, le diamètre du spot est plus grand, ce qui a pour effet d'augmenter la tolérance d'ajustement. On peut utiliser dans le soudage des longueurs d'onde multiples pour la lumière laser, par exemple une grande longueur d'onde qu'on peut générer à des puissances élevées, et une courte longueur d'onde, qui peut fournir un meilleur couplage avec certains matériaux. Pendant le soudage, l'une des fibres 12 peut recevoir un faisceau laser continu, alors que les autres fibres peuvent recevoir un faisceau laser pulsé de haute puissance. De plus, l'orientation mutuelle des fibres 12 peut être modifiée pendant la coupe de manière à changer la
largeur de l'encoche. La coupe peut se faire soit perpen-
diculairement à une ligne reliant deux points d'illumination soit parallèlement à cette ligne afin de permettre un mode opératoire secondaire pour la modification de la largeur de
- l'encoche.
- 10 -
RPVWDICATIONS
1. Support (24) pour emploi avec une multitude de fibres optiques (12) illuminant une pièce (56), caractérisé en ce qu'il comprend: un corps présentant un alésage central (76) pour recevoir les fibres; et un moyen, disposé dans l'alésage, pour venir en contact avec les fibres et régler leur orientation les unes
par rapport aux autres. -
2. Support selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps comporte une multitude de trous filetés (72) et le moyen comprend une multitude de vis (74) disposées respectivement dans les trous et en contact avec les fibres
et un moyen pour solliciter les fibres vers les vis.
3. Support selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de sollicitation comprend une multitude de
ressorts (80) disposés à l'opposé des vis.
4. Support selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une première multitude de plaques (78a, 78d) disposées entre les vis et les fibres, une seconde multitude de plaques (78b, 78c) disposées entre le moyen de
sollicitation et les fibres.
5. Support selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps comporte une multitude de trous (90), et ledit moyen comporte une multitude d'arbres (102) de micromètres motorisés (100) disposés à l'extérieur du corps et une multitude de cales (94) placées respectivement dans les trous et en contact avec les fibres et les arbres, et un moyen pour
solliciter les fibres vers les cales.
6. Support selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen de sollicitation comprend une multitude de
ressorts (80) disposés à l'opposé des cales.
7. Support selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une première multitude de plaques (78a, 78d) placées entre les cales et les fibres et une
- 11 -
seconde multitude de plaques (78b, 78c) disposées entre le
moyen de sollicitation et les fibres.
8. Support selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'une des fibres a un diamètre différent de celui des autres. 9. Support selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'une des fibres reçoit un faisceau laser pulsé de haute puissance et les autres fibres reçoivent un faisceau
laser continu de haute puissance.
10. Support selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'une des fibres reçoit de la lumière ayant
une longueur d'onde différente de celle des autres fibres.
11. Support selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de réglage oriente les fibres pour produire
des diagrammes d'illumination séparés sur la pièce.
12. Support selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de réglage oriente les fibres pour produire
sur la pièce des diagrammes d'illumination se chevauchant.
13. Coupleur de sortie (10), caractérisé en ce qu'il
comprend le coupleur (2à) de la revendication 1.
14. Coupleur selon la revendication 13, caractérisé en
ce qu'il comprend en outre un télescope de Galilée (36 + 42).
15. Coupleur selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une lentille de collimation (32)
et une lentille de focalisation (46).
16. Coupleur selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend des première et seconde sections adjacentes (22, 40) de fût traversées par un faisceau laser de haute puissance, le support (24) étant disposé dans la première
section.
17. Coupleur selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une buse (50) disposée sur la seconde section (40), la buse ayant un moyen d'entrée (52)
pour recevoir un gaz d'aide au procédé.
18. Coupleur selon la revendication 16, caractérisé en
- 12 -
ce que la première section (22) comprend un moyen (60) pour diverger une partie des faisceaux laser de haute puissance à
des fins de contrôle.
19. Coupleur selon la revendication 16, caractérisé en ce que la seconde section (40) comprend un moyen (60) pour diverger une partie des faisceaux laser de haute puissance à
des fins de contrôle.
20. Procédé de traitement d'une pièce, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: régler l'orientation mutuelle d'une multitude de fibres optiques (12); et illuminer la pièce (56) avec des faisceaux laser de
haute puissance provenant des fibres.
21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que l'étape d'illumination comprend l'utilisation de faisceaux laser de haute puissance ayant des longueurs d'onde différentes. 22. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que l'étape d'illumination comprend l'utilisation de
faisceaux laser continu et laser pulsé de haute puissance.
23. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à dévier une
partie de la lumière à des fins de contrôle.
24. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce eue l'étape de réglage comprend l'ajustement des fibres de manière à produire sur la pièce des diagrammes séparés d'illumination. 25. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que l'étape de réglage comprend l'étape consistant à ajuster les fibres pour produire sur la pièce des diagrammes
d'illumination se chevauchant.
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