FR2647042A1 - Dispositif de guidage de faisceau pour l'usinage de pieces au laser - Google Patents

Dispositif de guidage de faisceau pour l'usinage de pieces au laser Download PDF

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Abstract

Un dispositif 11 de guidage d'un faisceau laser de forte puissance, notamment pour un traitement de surface par faisceau laser d'une pièce 13, doit permettre d'obtenir une géométrie et une distribution optimales de la puissance de la tache 20 formée par le faisceau laser 19 sur la surface 12 de la pièce. A cette fin, une structure en demi-portique est équipée d'une traverse 30 pouvant être déplacée par rapport à la source laser 16 et comprenant au moins un miroir 14 dont la surface 18 peut être déformée localement par des éléments de réglage piézoélectriques 17 disposés à l'arrière de façon à avoir une influence sur le front d'onde et sur la géométrie en coupe du faisceau 19 agissant sur la surface 12 de la pièce en fonction de la répartition de l'énergie souhaitable sur le plan technologique dans la tache 20 formée par le faisceau.

Description

Dispositif de guidage de faisceau pour l'usinage de pièces au laser
L'invention concerne un dispositif de guidage de faisceau pour l'usinage de pièces au laser, notamment un traitement de surface par faisceau laser comprenant des miroirs montés sur le parcours suivi par
le faisceau entre la source de laser et la pièce.
Un dispositif de ce type est connu par le brevet US- A 3 986 767 sous la forme de ce que l'on appelle une optique articulée. L'invention concerne notamment un dispositif pour des traitements de surface au laser tels qu'ils sont connus par exemple par le DE-A 35 09 582 ou par le US-A 4 451 299. Quand il s'agit d'un traitement de surface de pièces basé sur un échauffement local, des problèmes analogues à ceux que l'on constate pour la soudure autogène apparaissent dans une certaine mesure, ces problèmes venant du fait que dans la direction de l'avance et sur le front de travail il est souhaitable de disposer d'une énergie très fortement augmentée en raison de l'inertie thermique du matériau pour parvenir rapidement à la température métallurgique nécessaire, alors que pour éviter des réactions indésirables pendant le refroidissement du matériau (sur le côté arrière par rapport à la direction d'avance du travail), on s'efforce de retarder et de contr8ler dans certains limites la baisse de la température, cette diminution de la température pouvant être commandée par une réduction locale de l'apport d'énergie. A ceci se rapporte le conseil de - 2 - rechercher une répartition et une durée d'action de la puissance du laser dans des procédés spécifiques, figurant dans le rapport "Laseranwendungen in der Fertigungstechnik" de C. Schmitz-Justen et également dans "Lasertechnologie", page 25; voir aussi la partie centrale de la page 482 de OPTOELEKTRONIK MAGAZIN volume 4, No 5, 1988. Il ne serait donc pas idéal de laisser la section transversale du faisceau fournie par la source de laser agir directement sur la surface de la pièce car cela déterminerait notamment un profil de température non souhaitable dans le sens indiqué plus haut en raison des conditions créées par le mouvement vers l'avant de la zone de travail. A ceci s'ajoute que les sources de laser de forte énergie qui sont utilisées pour un usinage efficace de pièces fonctionnent avec des résonateurs astables, c'est-à-dire forment en sortie un faisceau de section circulaire. Le déplacement sur la surface de la pièce d'un faisceau de forme annulaire aurait en outre pour conséquence de créer des températures trop élevées sur les bords latéraux de la trajectoire d'usinage en raison de chevauchements tangentiels, températures entre lesquelles régnerait une température plus basse en raison de la distance séparant les parties avant et arrière de l'arc annulaire. Ceci serait très loin des répartitions de température que l'on s'efforce d'obtenir pour des raisons de qualité et qui ont été expliquées plus haut. Il est vrai que l'on connait dans les techniques à laser de forte énergie un miroir à facettes permettant d'avoir une influence sur des sections individuelles du faisceau par rapport à des faisceaux partiels voisins (par exemple proposé par la NIPPON Mining Co. Ltd. sous le nom de miroir segmenté VA-Mo); mais il n'est pas possible d'obtenir pour la tache formée par l'énergie la liberté d'adaptabilité désirée à la réaction effective de la surface du matériau pour de telles conditions
géométriques fixes du faisceau.
Connaissant ces données, l'invention a donc pour but de proposer un dispositif du type mentionné pour pouvoir obtenir, en dépit de la formation d'un faisceau de forme annulaire à partir de la cavité d'-un laser de forte énergie, un faisceau pouvant être focalisé sur la surface de la pièce et formant, par adaptation aux conditions thermiques, une tache déformable en fonction de la direction de -3 l'usinage pour obtenir une répartition prédéterminée individuellement
de l'énergie.
Selon l'invention, ce but est atteint essentiellement du fait que l'on équipe au moins un miroir de renvoi d'éléments de réglage permettant d'obtenir une topographie locale variable de sa surface, ces éléments étant commandés par un dispositif de commande permettant la déformation de la géométrie en coupe du faisceau en fonction d'une géométrie prédéterminée de la tache formée par ce faisceau sur la
surface de la pièce.
Selon cette solution, on utilise des techniques qui sont déjà disponibles et qui se sont révélées valables dans le domaine de la technologie laser de forte énergie sous forme de dispositifs optiques dits adaptatifs, tels que le miroir MDA (Multi-Dither-Actuator) selon le GB-A 2 162 713. Par rapport à la géométrie idéale de ce miroir (pouvant être constitué par une surface plane ou concave en son centre en vue de la focalisation), des régions partielles individuelles de la surface du miroir sont alors déplacées les unes par rapport aux autres de fractions de la longueur d'onde du faisceau laser de manière à exercer une influence par des décalages de phase sur le front d'onde résultant du faisceau laser et de ce fait sur la répartition de l'énergie au foyer de la tache formée par le laser sur la surface de la pièce, en fonction des exigences technologiques. On peut ainsi non seulement transformer la sectionannulaire du faisceau au niveau de la tache formée par le laser en une forme totalement plane, mais on peut également déformer cette forme plane, par exemple en direction du mouvement relatif de la pièce, et obtenir un faisceau dont l'intensité est plus élevée dans la direction du mouvement que dans la direction contraire de la tache formée par le laser. Ceci constitue une solution plus simple sur le plan du matériel et plus facile à commander que par exemple la superposition de faisceaux laser séparés qui est connue en
tant que telle par le brevet US-A 4 396 285.
La déformation locale des régions de la surface des miroirs est obtenue avantageusement par des éléments de réglage piézoélectriques montés à l'arrière, ces régions étant soumises à une déformation stable et reproductible par un circuit de commande du type décrit plus en -4- détail dans le GB- A 2 178 619 et auquel il est fait référence ici en totalité pour éviter des répétitions. Pour compenser des phénomènes de décalage mécaniques et électriques, y compris les effets des variations de la température ambiante, on a recours avantageusement à un ajustement mécanique/électrique. Quand il est nécessaire d'assurer la formation d'une tache définie formée par le faisceau sur la surface de la pièce en fonction d'une condition définie, on utilise avantageusement un capteur d'image pour déterminer la valeur réelle destinée à un circuit de régulation en boucle. Les régions partielles individuelles de la tache formant le point focal et correspondant à des régions individuelles en section du faisceau laser déformé sont individualisées selon le principe MDA par des variations de modulation superposées de fréquence élevée des courses de réglage. Pour éviter des couplages électriques et mécaniques perturbateurs et pour obtenir de fortes amplitudes de modulation ainsi que des courses de réglage de déformation, il est toutefois avantageux, contrairement aux conditions du GB-OS 2 162 713 de ne pas utiliser un unique miroir pour la modulation et pour la modification des grandeurs de mesure, mais des miroirs séparés à surfaces déformables. Leurs effets sont alors superposés l'un à l'autre, le parcours suivi par le faisceau laser étant dévié aussi bien par le miroir de modulation que par le miroir de réglage. Selon l'invention, le dispositif est par ailleurs équipé d'un capteur d'image générateur de valeur instantanée destiné à appliquer un signal de rétroaction au circuit de réglage du dispositif de commande, les sections individuelles du faisceau déformé présentent une modulation caractéristique superposée de haute fréquence provenant d'un
générateur de fréquence de modulation.
L'invention prévoit avantageusement des miroirs de renvoi différents à la suite l'un de l'autre sur le parcours suivi par le faisceau entre la source de laser et la pièce, la commande de leurs éléments de réglage étant réalisée par le dispositif de commande ou par
le générateur de fréquence de modulation.
De préférence, on prévoit pour le parcours suivi par le faisceau une traverse creuse équipée à ses extrémités frontales de miroirs de -5 renvoi et montée mobile par rapport à une source de laser de forte puissance montée de façon fixe ainsi que par rapport à un dispositif de commande également fixe et destiné au mouvement de la pièce, les miroirs de renvoi restant toujours dans l'axe longitudinal du parcours coudé suivi par le faisceau. Finalement, l'invention prévoit un dispositif de commande du mouvement de la pièce par rapport à la tête de sortie de faisceau du dispositif, tête à partir de -laquelle est appliquée une valeur de guidage à un générateur de valeur réelle destiné au dispositif de
commande de la forme du faisceau.
D'autres variantes et d'autres caractéristiques et avantages de
l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un
mode de réalisation préféré destiné à la solution selon l'invention et montré sur le dessin annexé, ce dernier étant limité à l'essentiel et
représenté de façon fortement abstraite.
L'unique figure du dessin représente une vue en coupe d'un laser
de traitement de surface en forme de demi-portique.
Le dispositif d'irradiation 11 représenté sur le dessin et destiné au traitement de la surface 12 d'une pièce 13 comprend plusieurs miroirs de renvoi 14 montés sur le parcours 15 suivi par le faisceau entre la source de laser 16 et la pièce 13. L'un au moins des miroirs de renvoi 14 est équipé d'éléments de réglage 17 (de préférence ayant la forme d'actionneurs piézoélectriques) permettant une modification locale de la topographie de leur surface 18 de façon à obtenir par un déphasage local, c'est-à-dire une déformation de régions partielles du front d'onde du faisceau laser 19, un front d'onde déterminé et de ce fait une focalisation ainsi qu'une géométrie et une distribution de l'intensité prédéterminées de la tache 20 formée par le faisceau sur la surface 12 de la pièce. A cette fin, les longueurs des éléments de réglage individuels 17 sont réglées ou modifiées dans le temps par un dispositif de commande 21 en fonction des conditions déterminées par un générateur de valeur de consigne 22. Quand il est prévu un capteur de valeur instantanée 23 détectant la tache momentanée 20 formée par le faisceau sur la surface 12 de la pièce, par exemple un générateur d'image infrarouge, il est alors possible de constituer par rétroaction -6- de la valeur momentanée 24 un circuit de régulation fermé de la tache formée par le faisceau en fonction des conditions fournies par le générateur de valeur de consigne 22. Ce dernier peut être commandé par l'intermédiaire d'une grandeur de guidage 25 que fournit un dispositif de commande 26 destiné au déplacement local et dans le temps de la
pièce 13 par rapport à la tête à faisceau d'usinage 27.
Pour que le circuit de régulation fermé fonctionne grâce à la rétroaction 24, il faut que les régions individuelles du faisceau 19 qui peuvent être influencées individuellement, à savoir par subordination aux éléments de réglage individuels 17, soient individualisées de manière à obtenir un faisceau présentant une forme en section bien définie 19'. La caractéristique des sections individuelles du faisceau qui correspondent aux zones individuelles partielles de la surface 14 des miroirs est obtenue par la modulation d'oscillations individuelles d'une fréquence relativement haute, auxquelles /sont par ailleurs superposées les courses de réglage des éléments de réglage individuels 17 qui se modifient à basse fréquence. Il est vrai que les courses que l'on peut obtenir par exemple au moyen d'actionneurs piézoélectriques sont relativement limitées; et que le couplage mécanique que l'on peut obtenir par la surface 18 des miroirs entre les éléments individuels de réglage 17 peut provoquer des mélanges d'oscillations ayant une influence négative sur la stabilité du fonctionnement du circuit de régulation. Donc, il peut être avantageux de ne pas réaliser la modulation de caractéristique et la course de réglage sur un seul des miroirs de renvoi 14 présents dans la région concernée de ce miroir au moyen d'un unique élément de réglage 17 et une superposition de signaux électriques, mais de prévoir une superposition optique de manière que ne soit provoquée dans un miroir de renvoi 14.1 que la déformation de consigne de la surface 18.1 et dans un autre miroir de renvoi 14.2 et sur le même parcours 15 suivi par le faisceau que la modulation des caractéristiques de surfaces partielles et voisines de la surface 18.2 du miroir, comme on peut le voir sur la figure. Les éléments de réglage 17.2 du miroir de modulation 14.2 sont raccordés à un générateur de fréquence de modulation 28 et ne sont donc plus couplés mécaniquement ou - 7 - électriquement à la commande des éléments de réglage de déformation 17.1, qui est effectuée individuellement par le dispositif de commande 21. Les miroirs de modulation et de réglage 14.2, 14.2 sont avantageusement montés dans la région des deux extrémités frontales 29 d'une traverse 30 qui supporte par son extrémité en saillie libre la tête à faisceau 27, de manière à pouvoir être d'accès facile pour des courants d'un agent de refroidissement (non montrés sur le dessin). La traverse 30 est supportée par un tube porteur 31 qui est monté de façon fixe comme la source de laser de forte puissance 16 et dans lequel passe coaxialement à l'intérieur le faisceau laser 19 envoyé par la source. Pour pouvoir commander la tête à faisceau 27 en fonction des besoins d'usinage par rapport aux coordonnées du mouvement de la pièce 13 à traiter, la traverse 30 (comme indiqué sur la figure par des doubles flèches) peut être déplacée le long du tube porteur 31 et montée de façon pivotante par rapport à ce dernier, et être en outre équipée d'un dispositif de guidage télescopique 32 effectuant des mouvements de translation et de rotation de manière à pouvoir modifier la distance et la direction du rayonnement de la tête à faisceau 27 par rapport au tube porteur 31. La géométrie du parcours 15 suivi par le faisceau n'est donc pas influencée car les miroirs de renvoi 14 sont fixés sur l'axe médian du parcours 15 suivi par le faisceau à l'entrée et à la sortie de la traverse 30, c'est-à-dire aux points de croisement
des axes des tubes, et de ce fait du parcours coudé 15 du faisceau.
Quand il est nécessaire de faire pivoter la tête à faisceau 27 hors du plan parallèle au tube porteur 31, il suffit de faire effectuer à la traverse 30 un déplacement angulaire additionnel (transversalement au plan du dessin) et de prévoir d'autres miroirs de renvoi dans les
autres points de renvoi du parcours 15 suivi par le faisceau.
- 8 -

Claims (5)

REVENDICATIONS
1. Dispositif (11) de guidage de faisceau pour l'usinage de pièces au laser, notamment un traitement de surface par faisceau laser, comprenant des miroirs (14) montés sur le parcours (15) suivi par le faisceau entre la source de laser et la pièce (13), caractérisé en ce qu'au moins un miroir de renvoi (14) est équipé d'éléments de réglage (17) permettant d'obtenir une topographie locale variable de sa surface, ces éléments étant commandés par un dispositif de commande (21) permettant la déformation de la géométrie en coupe du faisceau (19') en fonction d'une géométrie prédéterminée de la tache (20) formée par ce faisceau
sur la surface (12) de la pièce.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est en outre équipé d'un capteur d'image générateur de valeur instantatée (23) destiné à appliquer un signal de rétroaction au circuit de réglage du dispositif de commande, et en ce que les sections individuelles du faisceau déformé (19') présentent une modulation caractéristique superposée de fréquence plus élevée provenant d'un
générateur de fréquence de modulation (28).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que sont prévus des miroirs de renvoi différents (14.1, 14.2) à la suite l'un de l'autre sur le parcours (15) suivi par le faisceau entre la source de laser (16) et la pièce (13), la commande de leurs éléments de réglage (17.1, 17.2) étant réalisée par le dispositif de commande (21) ou par
le générateur de fréquence de modulation (28).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce qu'on prévoit pour le parcours (15) suivi par le faisceau une traverse creuse (30) équipée à ses extrémités frontales (29) de miroirs de renvoi (14) et montée mobile par rapport à une source de laser de forte puissance (16) montée de façon fixe ainsi que par rapport à un dispositif de commande (26) également fixe et destiné au mouvement de la pièce (13), les miroirs de renvoi (14) restant toujours dans l'axe longitudinal du parcours coudé (15) suivi
par le faisceau.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif de -9 commande (26) du mouvement de la pièce (13) par rapport à la tete de sortie de faisceau (27) du dispositif (11), tête à partir de laquelle est appliquée une valeur de guidage (25) à un générateur de valeur réelle (22) destiné au dispositif de commande (21) de la forme du faisceau.
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