FR2778983A1 - Procede et dispositif de mesure de la distribution de la densite de champ d'energie d'un rayon laser - Google Patents

Abstract

Ce procédé et son dispositif de mise en oeuvre utilisent de préférence un rayon laser pulsé servant à l'usinage de pièces métalliques. Du rayon laser (2), dirigé sur un point à usiner, est extrait un rayon de mesure (2. 1) corrélé à lui. Le rayon de mesure (2. 1) est dévié de manière définie à des moments différents et avec une séparation locale définie, et la distribution de la densité de champ d'énergie des impulsions et groupes d'impulsions du rayon de mesure (2. 1) est mesurée sur un détecteur Applicable notamment au forage de trous dans des pièces en tôle.

Description

L'invention concerne un procédé de mesure de la distribution de la densité

de champ d'énergie d'un rayon laser, ainsi qu'un dispositif de mise en oeuvre de ce

procédé, comprenant une source laser et un détecteur dé-

tectant au moins partiellement la distribution de la den-

sité de champ d'énergie du rayon laser, tel qu'il est ap-

pliqué dans la technique et supposé ici comme étant connu. Le relevé des caractéristiques d'un rayon laser

nécessite la mesure d'un grand nombre de données tempo-

relles et locales relatives au rayon. Aussi bien la pos-

sibilité de les mesurer que la valeur informative de ces données dépendent dans une large mesure de la source de rayonnement employée. Pour ce qui concerne le laser, il y a lieu de distinguer entre le mode pulsé (p) et le mode

continu (cw). De plus, dans le mode pulsé, la durée d'im-

pulsion tp et la période d'impulsion T ou la fréquence de

répétition des impulsions fp = 1/T, doivent être considé-

rées comme des grandeurs largement indépendantes.

Contrairement à des impulsions générées par des modula-

teurs acousto-optiques (Q-Switch), les grandeurs mention-

nées dépendent fortement l'une de l'autre dans les sys-

tèmes pulsés à lampes.

La distribution de la densité de champ d'éner-

gie ou intensité dans le plan perpendiculaire à la direc-

tion de propagation du rayon laser I(x, y) est une im-

portante grandeur mesurée dans l'usinage de matériaux par laser. Pour ce qui concerne sa distribution latérale, elle est responsable de la symétrie du volume de matériau enlevé de la pièce (ce qui est particulièrement important

dans un processus de forage et d'enlèvement par laser).

La densité de flux énergétique, laquelle est responsable en première approximation du volume de matériau enlevé, peut être calculée comme le produit de l'intensité et de

la durée d'impulsion.

Il est à noter que la mesure d'une telle dis-

tribution d'intensité s'effectue dans le meilleur des cas au foyer ou à proximité du foyer (If Yer(x, y)). Ceci a

deux motifs essentiels. Premièrement, des grandeurs per-

turbatrices venant s'ajouter éventuellement (lentilles,

miroirs de renvoi, effets de réfraction thermique, défor-

mations de front de phase...), entrent également dans la mesure. Deuxièmement, ce choix du lieu de mesure apporte

également la possibilité de mesurer directement des don-

nées géométriques du rayon (diamètre df) du foyer, qua-

lité du rayon, position du rayon,...).

Actuellement, le marché offre seulement des ap-

pareils de mesure pour quelques mesures à effectuer (laser au CO2, mode continu). Surtout pour des lasers à

pulsation rapide et courte, on ne trouve pratiquement au-

cun appareil de mesure adéquat. On applique surtout, dans la gamme des longueurs d'onde de 1064 nm et de 532 Nm (Nd:YAG), des caméras CCD (linéaires à transfert de

charges) comme capteurs à résolution locale. Pour des me-

sures au foyer ou à proximité du foyer, on emploie des systèmes basés sur le principe d'une aiguille tournante

ou de diaphragmes animés de mouvements rapides. Cepen-

dant, les grandeurs à mesurer décrites plus haut, peuvent seulement être déterminées par de tels systèmes dans quelques rares cas exceptionnels. En particulier, aucun

des appareils offerts ne permet de mesurer la distribu-

tion d'intensité transversale de lasers Nd:YAG au foyer

ou à proximité du foyer (If yer(x, y)).

Les seuls systèmes capables de faire face aux hautes densités de puissance du foyer d'usinage

(aiguilles tournantes ou dispositifs analogues) ont no-

tamment une trop faible résolution locale pour la longueur d'onde du laser Nd:YAG. De plus, cette méthode ne convient pas, de par son principe, pour des lasers pulsés parce que la mesure d'un profil d'intensité se compose de nombreuses mesures partielles de différentes impulsions.

Pour la mesure de groupes d'impulsions laser -

"groupe d'impulsions laser" désigné ici et dans ce qui suit "une série de quelques impulsions laser qui se

suivent directement" - et d'impulsions laser indivi-

duelles, conviennent surtout des caméras CCD ou des cap-

teurs analogues à résolution locale parce que ceux-ci son capables d'enregistrer une distribution d'intensité dans une opération de mesure. Toutefois, les systèmes basés sur des capteurs CCD, ne possèdent jusqu'à présent pas encore de possibilités adéquates de déclenchement pour l'enregistrement d'impulsions laser individuelles. En outre, ils sont incapables, à l'exception de caméras à

haute vitesse très coûteuses, d'enregistrer des impul-

sions laser qui se succèdent. Les caméras CCD comme celles employées en partie dans des modules de diagnose

de rayons, fonctionnent à 25 - 60 Hz. Dans une telle ap-

plication, lorsqu'on part de fréquences habituelles d'im-

pulsions laser (de 10 Hz à 10 kHz pour des forages à per-

cussion), une intégration est opérée dans le cas extrême sur un groupe d'impulsions laser de l'ordre de 150 à 300 impulsions laser individuelles. Il s'y ajoute qu'aucun des systèmes de diagnose CCD n'est utilisable au foyer ou

tout au moins en aval de l'optique d'usinage.

L'invention vise à créer un procédé et un dis-

positif par lequel ou par lesquels les inconvénients qui

viennent d'être mentionnés puissent au moins être diminués.

Pour ce qui concerne le procédé de mesure, du type générique spécifié au début, on obtient ce résultat

par le fait qu'on extrait du rayon laser un rayon de me-

sure correlé au rayon laser, en particulier corrélé d'une façon restant la même, qu'on reproduit le rayon de mesure

à différents moments de manière définie et avec une sépa-

ration locale, et qu'on mesure la distribution de la den-

sité de champ d'énergie des rayons partiels, reproduits localement de manière définie et résolus dans le temps,

du rayon de mesure.

Quant au dispositif, également comme spécifié au début, on obtient le résultat recherché par le fait que:

le dispositif de mesure comprend un dispositif d'extrac-

tion (séparateur de rayon) pour au moins partiellement extraire du rayon laser, en ce qui concerne l'intensité, / un rayon de mesure qui est correlé au rayon laser, de préférence d'une façon restant la même, le dispositif d'extraction est placé sur le trajet du rayon laser, le dispositif de mesure comprend un appareil de renvoi, l'appareil de renvoi est placé sur le trajet du rayon de mesure, l'appareil de renvoi comprend au moins un manipulateur, par exemple un miroir commandé en rotation par un moteur pas à pas, qui dévie le rayon de mesure en fonction du temps dans des directions spatiales définies et divise le rayon de mesure en différents rayons partiels, et le détecteur est placé dans la zone des rayons partiels du rayon de mesure, qui sont déviés par l'appareil de renvoi.

Outre la solution du problème indiqué précédem-

ment, l'invention apporte les avantages suivants: - Elle permet de caractériser les sources de rayons laser et de déterminer la caractéristique du rayon en

fonction du temps.

- Grâce à la mesure perfectionnée, à résolution dans le temps, d'un rayon laser pulsé, des données riches en

renseigements peuvent être obtenues pour la simula-

tion de processus (forage à laser/enlèvement de maté-

riau par laser).

- Il devient possible de surveiller (en direct) des

processus afin de garantir la qualité dans des procé-

dés de fabrication utilisant des sources de rayons pulsés, en particulier des procédés d'enlèvement de

matériau, de forage et/ou de soudage par laser.

- Des défauts d'usinage systématiques et/ou statis-

tiques peuvent être diagnostiqués et analysés plus exactement puisque, par l'utilisation d'une diagnose

riche en renseignements du rayon, il peut être dé-

terminé sans équivoque si les défauts sont dus à des

variations/défauts du matériau ou à des fluctua-

tions/asymétries de la source de rayonnement.

Il est à noter que, de manière générale pour tous les domaines d'usinage par laser, le procédé et le dispositif selon l'invention sont applicables, de façon

simple, dans la fabrication et la production de préfé-

rence. En particulier, les moyens de diagnose de rayon apportés par l'invention permettent une commande facile et une adaptation simple. Un autre avantage particulier est que, lors d'une mesure dans ou à la suite du foyer d'usinage, aucune intervention dans le guidage du rayon

d'une machine à usiner n'est nécessaire.

D'après d'autres caractéristiques du procédé selon l'invention: on sépare localement des groupes d'impulsions et/ou des impulsions individuelles du rayon de mesure à différents moments, et on mesure la distribution de la densité de

champ d'énergie des impulsions et des groupes d'impul-

sions, reproduits localement de manière définie et réso-

lus dans le temps, du rayon de mesure; on produit la réflexion du rayon laser primitif quittant le laser, et on extrait le rayon de mesure du rayon laser réfléchi;

on mesure la distribution de la densité de champ d'éner-

gie d'impulsions individuelles ou de groupes d'impulsions du rayon de mesure séparément les uns des autres dans le temps;

on dirige des impulsions du rayon de mesure sur un appa-

reil de renvoi, lequel dévie les impulsions de manière localement définie, et on ajuste la déviation produite par l'appareil de renvoi pour chaque impulsion ou groupe d'impulsions;

on dévie le rayon de mesure indépendamment en deux direc-

tions spatiales différentes et perpendiculaires entre elles;

on dirige le rayon de mesure transversalement à la direc-

tion de propagation primitive du rayon laser en direction de l'appareil de renvoi; on choisit, en tant que rayon de mesure, un rayonnement

(rayon de retour), en particulier un rayonnement ther-

mique, qui vient de la pièce usinée et est dû au rayon laser; on choisit, en tant que rayon de mesure, une réflexion du rayon laser venant du point usiné à ce moment de la pièce; on dévie chaque impulsion du rayon de mesure en un seul point de l'espace;

on divise une seule impulsion du rayon de mesure en plu-

sieurs sous-impulsions; on découple le rayon de mesure du rayon laser dans la zone du foyer d'usinage; on découple le rayon de mesure du rayon brut parallélisé du rayon laser et on le transfère à l'appareil de renvoi,

en tant que rayon de mesure, à l'état préparé en confor-

mité avec le foyer d'usinage consécutif; on découple le rayon de mesure du rayon laser pendant le

processus d'usinage.

D'autres caractéristiques du dispositif de me-

sure selon l'invention prévoient que: l'appareil de renvoi comprend un miroir qui est mobile suivant au moins une dimension;

l'appareil de renvoi comprend un déflecteur optique mo-

bile suivant au moins une dimension et qui est en parti-

culier de type non mécanique;

l'appareil de renvoi comprend un miroir et/ou un sépara-

teur de rayon et/ou un réflecteur; un interrupteur optique ou un modulateur, en particulier

un diaphragme à orifice(s) tournant à une vitesse de ro-

tation définie, est placé sur le trajet du rayon laser;

un interrupteur électro-optique ou un modulateur électro-

optique est placé sur le trajet du rayon laser; le détecteur est un élément capteur à résolution locale;

le détecteur est une caméra CCD (à dispositif de trans-

fert de charges);

le détecteur comprend une surface de capteurs à résolu-

tion locale, en particulier un champ de photodiodes (disposition ordonnée de photodiodes); le détecteur est une disposition ordonnée d'éléments de détection de type CMOS; et des lentilles convergentes et/ou divergentes et/ou des coins gris et/ou des miroirs et/ou des éléments optiques

holographiques sont placés sur le trajet du rayon de me-

sure. On décrira l'invention ci-après plus en détail en référence à des exemples de réalisation montrés sur les dessins, o: - la figure 1 représente un appareillage pour mesurer l'intensité laser dans le trajet d'un rayon laser d'usinage; - la figure 2 représente un appareillage pour mesurer l'intensité laser dans un trajet de rayon venant de la pièce usinée; et - la figure 3 représente un résultat de mesure

à résolution temporelle et spatiale duc r u2nent d'un laser.

La figure 1 montre un appareillage concret pour mesurer la distribution de la densité de champ d'énergie d'un rayon laser avec utilisation d'un dispositif selon l'invention qui sera ci-après décrit plus amplement. Le dispositif représenté couvre toutes les fonctions dont il a été question précédemment. Les éléments de l'équipement de base de l'appareillage sont indiqués au tableau 1 et

des extensions optionnelles sont indiquées au tableau 2.

Tab14 Composant/Fonction Option

1 1

1 | Optique d'usinage de Optique de reproduction rem-

l'installation laser en place optique d'usinage en cas cas de diagnose au foyer I nage en cas d'observation du rayon brut

2 Foyer d'usinage ou d'ob-

servation

3 Lentille divergente/con-

vergente pour paralléli-

ser le rayon 4 Séparateur de rayon pour Un appareil de mesure de la l'atténuation. Eventuel- puissance (12) est utilisable lement suivi d'autres en transmission pour calibrer I séparateurs de rayon le système Atténuateur variable Facteur d'atténuation de 0 - 10-5, obtenu par coins gris, revolver de filtres ou analogue 6 Dispositif de balayage Variante: miroir polygonal ou

x/y + unité de commande analogue. Les miroirs de bala-

yage peuvent être pourvus aussi d'un revêtement antireflet pour atténuer davantage le rayon 7 Lentille de reproduction 8 jCaméra CCD ou capteur de

mesure (à résolution lo-

cale) 9 Ordinateur personnel + Pour un produit de série, il

cartes d'interface vers suffit aussi d'une unité cen-

la périphérie traie de commande/manipula-

tion et d'un écran Tableau 1: Composants de l'équipement de base du dispositif * * * Tabl. 2 Composant/Fonction Option 10 Obturateur pour l'enre- Hacheur réglé gistrement d'impulsions

de grande durée (déclen-

chement par photodiode en 12.1) ou lasers continus

L

11 Positionnement Z pour Quand le dispositif de balayage

adaptation de la grosseur est arrêté ou démonté, le dé-

du spot par rapport à la placement de la letille permet de

vitesse de balayage. mesurer la qualité du rayon selon DIN.

12 Appareil de mesure de la

puissance + tête de me-

sure; pour le calibrage, possibilité de lecture directe par ordinateur

personnel lors de la me-

sure de la position et

de la qualité du rayon.

Tableau 2: Composants offrant des possibilités d'extension du dispositif D'autres composants possibles sont, par

exemple, des éléments servant à atténuer le rayon laser.

Pour ce qui concerne leur nature et leur fonction, ces

composants dépendent de la puissance du laser à mesurer.

Le choix particulier et l'ordre de succession des compo- sants partiels sont à adapter à l'application concernée (type et puissance du laser, taux d'impulsions, longueur

d'onde, et ainsi de suite).

Le dispositif proprement dit pour mesurer la distribution de la densité de champ d'énergie du rayon laser comprend un atténuateur variable 5, un appareil de renvoi 6, une lentille de reproduction 7 et un détecteur 8 comportant un capteur de mesure 14 à résolution locale et un diaphragme à orifice 10 dont l'ouverture et la fermeture peuvent être commandées pour un procédé d'accrochage servant à la réduction ou à la suppresion de bruit. Les deux éléments optiques 6.2 et 6.3 forment un dispositif de balayage ou scanneur pour la

déviation définie du rayon dans les direction x et y.

Ensemble avec l'unité de commande 6.4, ils forment

l'appareil de renvoi 6.

Le rayon laser, venant du laser non représenté, est reproduit, dans le cas de la diagnose au foyer illustrée par la figure 1, au moyen de la lentille 1 d'une optique d'usinage de l'installation laser, à travers un foyer d'usinage ou de reproduction 2, sur une lentille de collimation 3 en vue de la collimation ou parallélisation du rayon. La lentille de collimation 3 peut être constituée par une lentille divergente ou convergente ou aussi par un système optique correspondant. La lentille de collimation 3 est suivie, sur le trajet du rayon laser, d'un ou plusieurs séparateurs de rayon 4 pour séparer le rayon laser primitif en un rayon

de mesure 2.1 et un rayon traversant.

Outre la diminution de l'intensité de la lu-

mière laser provoquée par la séparation du rayon de me-

sure par le séparateur 4, celui-ci peut produire une at-

ténuation du rayon laser traversant. Une telle atténua-

tion convient particulièrement au cas o le rayon laser traversant est guidé sur un appareil de mesure de la puissance 12.1, possédant une tête de mesure 12, qui peut être lu directement par un ordinateur personnel (PC) 9, à des fins de calibrage, lors d'une mesure de la position

et de la qualité du rayon.

Le rayon laser séparé, donc le rayon de mesure 2.1, corrélé suivant une relation de préférence fixe au rayon laser prévu pour un usinage laser par exemple,

passe par un atténuateur variable 5 qui sert en particu-

lier à la protection des dispositions ordonnées de photo-

diodes de la caméra CCD prévue à la suite et qui est uti-

lisée comme détecteur 8. Le facteur d'atténuation, pro-

duit de préférence à l'aide coins gris, revolvers de filtres et analogues, de l'atténuateur 5, est variable

dans cet exemple entre 0 et 10-5.

Sur le trajet du rayon de mesure 2.1, l'atté-

nuateur 5 est suivi d'un appareil de renvoi 6 au moyen

duquel des états différents dans le temps, donc, en par-

ticulier, différentes impulsions ou différents groupes d'impulsions et, par suite, l'allure dans le temps du

rayon de mesure, peuvent être reproduits de manière défi-

nie à des endroits différents dans l'espace.

A cet effet, l'appareil de renvoi comporte de

préférence ce qu'on appelle un scanneur x/y, connu notam-

ment par la technique d'inscription au laser, comportant deux miroirs 6. 2 et 6.3, ainsi qu'une unité de commande avec un moteur pas à pas 6.4. A la place des miroirs 6.2

et 6.3, on peut utiliser aussi ce qu'on appelle des mi-

roirs polygonaux ou des dispositifs analogues. De plus, afin d'atténuer plus encore le rayon de mesure 2.1, les miroirs de balayage du scanneur peuvent être pourvus

aussi d'un revêtement antireflet.

En vue de la reproduction des impulsions ou groupes d'impulsions à résolution temporelle et locale définie du rayon de mesure 2.1 d'origine sur un capteur de mesure à résolution locale 14 - constitué par exemple

par une disposition ordonnée de photodiodes - d'une ca-

méra CCD utilisée comme détecteur 8, une lentille de re-

production 7 est placée en outre entre le capteur de me-

sure 14 et l'appareil de renvoi 6. La lentille de repro-

duction 7 permet d'adapter la grosseur de spot d'une im-

pulsion ou d'un groupe d'impulsions du rayon de mesure

2.1 par rapport à la vitesse de balayage.

Surtout, le déplacement en translation de la lentille de reproduction 7, à peu près parallèment à la

direction de propagation des impulsions ou groupes d'im-

pulsions, permet de mesurer la qualité du rayon selon DIN, mesure pour laquelle l'appareil de renvoi 6 ne doit cependant pas être actif, de sorte que le rayon de mesure 2.1 n'est pas, lors d'une telle mesure, dévié localement

de manière définie et résolu ainsi dans le temps.

La translation de la lentille de reproduction 7 est produite à l'aide d'un coulisseau 11 commandé par un moteur linéaire pas à pas 11.1 avec pilotage par une

électronique 11.2.

Le dispositif comprend en outre ce qu'on ap-

pelle un hacheur 10 - c'est-à-dire un diaphragme à ori-

fice(s) mobile, en particulier tournant - qui est placé

avant l'entrée du rayon de mesure 2.1, préparé par l'ap-

pareil de renvoi 6, dans la caméra CCD utilisée en tant que détecteur 8. Le hacheur permet, par exemple, à des fins de mesure, de diviser des rayons laser continus ou

de très longues impulsions laser (> ms) en impulsions in-

dividuelles.

Enfin, le dispositif comprend encore un calcu-

lateur (ordinateur personnel) 9 avec des cartes d'interface associées pour la connexion des appareils de commande concernés et du laser (figure 2, ligne 17), par lequel tout le processus peut être documenté, et aussi

automatisé si un logiciel adéquat est prévu.

Par le procédé selon l'invention, le foyer d'usinage du rayon laser est reproduit de préférence sur une puce CCD. Par l'utilisation d'un scanneur x/y dans l'appareil de renvoi 6, la succession dans le temps du rayonnement laser et/ou thermique, utilisable comme rayon de mesure 2. 1, ou de groupes d'impulsions correspondants du rayon de mesure 2.1, est résolue localement en ce sens

que des impulsions individuelles en particulier sont re-

produites les unes à côté des autres sur la puce CCD. Ce procédé permet d'atteindre des fréquences de mesure, par

exemple, qui dépassent même 10 kHz. A ces valeurs corres-

pond, ainsi que cela est représenté partiellement sur la figure 3, à 200 impulsions par image vidéo, un champ d'impulsions individuelles d'environ 70 x 70 pixels, avec utilisation d'une surface de détecteur à 1000 x 1000

pixels. A partir de cette image, peut être déterminée en-

suite, de manière simple, par une intégration, l'allure de la distribution enregistrée de la densité de champ d'énergie, visualisée dans un diagramme densité de champ d'énergie-temps 13 et, éventuellement, exploitée de manière adéquate, ainsi qu'il sera décrit par la suite en

référence aux exemples 1 et 2.

Grace à la possibilité de programmer librement

le scanneur, il est possible de choisir toutes les ré-

solutions de 0 à 10 kHz presque de façon continue avec la

résolution correspondante (image complète couvrant jus-

qu'à 200 impulsions par demi-image).

Quelques-unes des possibilités offertes par l'invention sont ci-après résumées à titre d'exemples: - des chaînes d'impulsions (jusqu'à fp > 10 kHz) peuvent être mesurées au foyer ou dans le rayon brut; - le mouvement du scanneur x/y, de type conventionnel, peut être programmé librement; l'échelle de reproduction et de fréquence peut être choisie librement; il est possible de prévoir une structure modulaire permettant: l'application, au choix, dans le rayon brut ou dans la zone du foyer, une transformation rapide avantageuse, ainsi que - l'emploi facultatif d'un diaphragme/hacheur pour de longues durées d'impulsions ou pour le mode continu;

- la lentille supplémentaire mobile 7 permet de mesu-

rer la position du rayon et la caustique selon DIN EN

ISO 11146;

- la dépense nécessaire pour le développement/mise au point est seulement faible du fait que des composants

standards sont employés exclusivement.

Le concept de diagnose convient pour des me-

sures et des surveillances à effectuer sur des lasers d'usinage de matériaux, en particulier en cas d'application de l'invention à des systèmes de lasers pulsés Nd:YAG pour le forage et l'enlèvement de matériau. Pratiquement tous les systèmes lasers pulsés

pour les gammes de longueurs d'onde desquels des détec-

teurs à haute résolution locale sont disponibles,

peuvent être surveillés et mesurés selon ce principe.

* Cependant, le système selon l'invention convient aussi et dans une mesure particulière pour des lasers fonctionnant dans le mode continu. Ici également, il est possible, pour la première fois, d'atteindre des taux d'échantillonnage de 10 kHz lors

de la mesure de distributions d'intensité.

2e plus, le procédé es, applicable aussi à l'observation de réflexions venant de la zone d'usinage. A l'aide d'une optique de reproduction appropriée, le même appareillage est utilisable en plus pour une

diagnose de processus à 10 kHz.

La figure 2 représente un autre appareillage pour mesurer l'intensité d'un rayon laser. Le dispositif selon la figure 2 couvre également toutes les fonctions

mentionnées dans l'introduction de la description. Comme

l'appareillage selon la figure 2 correspond dans une large mesure à l'appareillage selon la figure 1, il sera

seulement question ci-après de leurs différences.

Contrairement à l'appareillage selon la figure 1, le miroir utilisé comme séparateur de rayon 4 est tourné ici de 180 . De ce fait, il n'y a pas d'extraction d'une partie du rayon laser venant du laser comme rayon de mesure 2.1. Au lieu de cela, on utilise ici, en tant que rayon de mesure 2.1, un rayonnement qui vient de la

pièce usinée 15 et est en fait issu du rayon laser d'usi-

nage. Il s'agit plus particulièrement du rayon laser ré-

fléchi par la pièce 15 et/ou d'un rayonnement thermique

provenant du point usiné à ce moment de cette pièce.

Le traitement consécutif de ce rayon de mesure

2.1 correspond à celui dejà décrit en référence à la fi-

gure 1. Comme, dans ce cas, le rayon de mesure 2.1 peut être un rayonnement thermique et/ou un rayon laser, les

divers composants employés de l'appareillage peuvent pré-

senter des différences. Il est concevable aussi, pour le même motif, d'utiliser deux rayons de mesure et par suite également deux circuits de mesure dont l'un servirait alors au rayonnement thermique et l'autre au rayonnement laser. On décrira ci-après deux exemples d'application différents de l'invention. Ces deux exemples, réalisés respectivement avec un appareillage selon la figure 1 et avec un appareillage selon la figure 2, se rapportent à la documentation et/ou la surveillance d'un processus de travail dans lequel un rayon laser est utilisé en particulier pour l'enlèvement de matériau, le forage ou

le soudage.

Exemple 1 (fiqure 1) Dans cet exemple, on décrira une documentation applicable en particulier au forage à laser et au soudage

par laser. Cependant, à la différence de ce qui est mon-

tré par la figure 1, dans la zone d'impact ou au point d'usinage du rayon laser non dévié, ne se trouve pas, comme représenté sur la figure 1, un appareil de mesure de la puissance 12.0 avec une tête de mesure 12.1, mais

la pièce 15 à usiner, ainsi que le montre la figure 2.

S'agissant d'un forage à laser, il est avanta-

geux, pour la documentation, de savoir quelle énergie et, partant, quelle énergie totale, rapportée au trou foré,

sont nécessaires pour chaque trou 16 foré. Pour le sou-

dage par laser, il est opportun que le joint soudé soit

commandé pas à pas et qu'une énergie totale correspon-

dante, progressive, donc rapportée à la longueur du joint

soudé, du rayon laser soit nécessaire.

Dans le cas d'un rayon laser pulsé, employé de préférence, l'énergietotale est formée par la somme des énergies individuelles des impulsions laser concernées; il est à noter à cet égard qu'une partie de l'énergie apportée par le laser peut éventuellement être dissipée

dans le matériau de la pièce à usiner.

Dans l'exemple 1, selon la figure 1, le sépara-

teur de rayon 4 extrait du rayon laser 2, focalisé et parallélisé, une partie définie devant servir de rayon de mesure 2.1. Il est opportun que l'extraction soit la même

à tout moment, de sorte qu'une corrélation simple et res-

tant la même existe entre le rayon de mesure 2.1 et le rayon laser traversant. Le rapport d'extraction entre le rayon de mesure 2.1 et le rayon laser, de même que d'éventuelles atténuations consécutives de l'intensité du rayon de mesure 2.1, permettent de déterminer de manière

simple l'intensité du rayon laser traversant, c'est-à-

dire du rayon non extrait et utilisé pour l'usinage.

Le rayon de mesure 2.1 est préparé de la ma-

nière décrite précédemment et les distributions des den-

sités de champ d'énergie sont mesurées sur le détecteur 8 et documentées en particulier au moyen de l'ordinateur 9

ou du diagramme 13.

L'exploitation des impulsions individuelles ou des groupes d'impulsions résolus dans le temps - du rayon de mesure 2.1 permet de constater que la somme des

différentes intensités des impulsions laser correspon-

dantes, donc l'énergie totale apportée au point d'usi-

nage, était trop faible pour un usinage sans défauts ou au contraire trop grande (ce qui se manifeste par exemple par des forages traversant toute la pièce). Dans ce cas,

la pièce produite est défectueuse. Ainsi est donc réali-

sée une possibilité simple et efficace pour surveiller la

qualité d'une pièce travaillée.

Si, en plus de la distribution de la densité de

champ d'énergie, le point d'usinage coordonné est enre-

gistré et documenté également, il devient possible de dé-

terminer ensuite, aussi quantitativement, o une reprise éventuelle de la pièce est nécessaire et possible. Cette disposition supplémentaire permet donc de fixer l'endroit défectueux sur la pièce 15, ce qui représente une méthode pour déterminer l'endroit o d'éventuelles reprises sont nécessaires. Cette façon de procéder rend les reprises d'usinage moins coûteuses puisqu'il n'est plus nécessaire maintenant de rechercher l'endroit défectueux sur toute

la pièce 15.

Exemple 2 (fiqure 2)

Par cet exemple, on décrira une autre possibi-

lité de documentation, applicable aussi au forage à laser

et au soudage par laser en particulier.

Dans ce deuxième exemple, selon la figure 2, le séparateur de rayon 4 pouvant éventuellement être constitué aussi par un miroir semitransparent - extrait une partie définie, devant servir de rayon de mesure 2.1, d'un rayonnement venant de la pièce 15 et qui est en fait

dû à l'influence du rayon laser d'usinage.

Le rayon de mesure 2.1 est préparé de la ma-

nière décrite précédemment et les distributions des den-

sités de champ d'énergie sont mesurées sur le détecteur 8 et documentées. Comme le rayon de mesure 2.1 est un rayonnement venant de la pièce 15 et formé en particulier par le rayon laser renvoyé de façon dispersée et/ou un

rayonnement thermique, l'exploitation des impulsions in-

dividuelles ou des groupes d'impulsions - résolus dans le temps - du rayon de mesure 2.1 permet de tirer des

conclusions quant au résultat de l'usinage.

Une telle évaluation sera ci-après décrite en

référence à un forage 16 effectué au moyen d'un rayon la-

ser.

Tant que le forage 16 n'est pas encore complè-

tement achevé, le rayon de mesure 2.1, décomposé dans le temps, présente tout au plus un faible changement entre deux distributions successives des densités de champ d'énergie. Ce changement est classé au-dessus d'un seuil pouvant être préfixé. Cette disposition est applicable indépendamment du fait que le rayon de mesure 2.1 est un

rayonnement laser ou un rayonnement thermique.

Lorsque le forage 16 est terminé complètement, la densité de champ d'énergie concernée du rayon de mesure 2.1 descend sous le seuil puisque le rayon laser n'est plus renvoyé ou n'est plus que faiblement renvoyé

de façon dispersée, ou que l'échauffement du point d'usi-

nage par le rayon laser a diminué.

Lorsque, pour un nombre préfixé d'impulsions laser par forage 16, une exploitation quantitative est opérée, la distribution de la densité de champ d'énergie permet de fournir des renseignements quant à la qualité d'usinage. Etant donné que, quand un forage 16 est achevé, la distribution - associée à une impulsion laser - de la densité de champ d'énergie du rayon de mesure 2.1 descend sous le seuil, trois cas peuvent se présenter. a) La distribution de la densité de champ d'énergie de la dernière impulsion laser, préfixée, descend sous

le seuil. Dans ce cas, le forage 16 est bon.

b) La distribution de la densité de champ d'énergie des-

cend sous le seuil avant la dernière impulsion laser préfixée. Dans ce cas, la paroi de la pièce 15 située en face du forage 16 (il s'agit en l'occurrence d'une pièce tubulaire, comme on peut le voir sur la figure

2) a pu être endommagée. L'endommagement peut se pré-

senter par exemple sous la forme d'un trou supplémen-

taire, non voulu, percé dans cette paroi ou d'un en-

droit aminci.

c) Même à la dernière impulsion laser préfixée, la dis-

tribution de la densité de champ d'énergie ne descend pas sous le seuil. Dans ce cas, le forage 16 n'a, au

moins, pas été réalisé complètement.

On a donc obtenu ici également une possibilité simple et efficace pour surveiller la qualité d'une pièce

travaillée.

Lorsque le point d'usinage coordonné est enre-

gistré et documenté en plus ou à la place des distribu-

tions des densités de champ d'énergie, il peut ensuite

être déterminé, y compris quantitativement, o une éven-

tuelle reprise de la pièce 15 est nécessaire ou possible.

Cette disposition supplémentaire permet donc de fixer l'endroit défectueux sur la pièce 15, ce qui fournit une méthode pour déterminer l'endroit o d'éventuelles reprises d'usinage sont à effectuer. Cette façon de procéder rend les reprises plus économiques puisqu'il n'est plus nécessaire

de rechercher l'endroit défectueux sur toute la pièce 15.

Conformément à un développement judicieux du procédé selon l'invention qui vient d'être décrit, la distribution de la densité de champ d'énergie est chaque fois exploitée et utilisée autant que possible sans délai pour la commande de l'usinage. Dans le cadre de l'exemple

d'usinage décrit en dernier, ceci est réalisable opportu-

nément par la poursuite du forage, par le rayon laser, jusqu'à ce que l'intensité d'une impulsion individuelle sur le capteur 14 à résolution locale du détecteur 8,

descende sous le seuil. Dès que cela est le cas, le pro-

cessus passe au forage suivant à réaliser. Il est pos-

sible et préférable d'occulter le rayon laser ou de

transporter la pièce et de la positionner selon les be-

soins jusqu'à ce que soit atteint le point o le forage

16 suivant est à réaliser.

Le procédé qui vient d'être décrit en référence au deuxième exemple, est avantageux surtout pour des

pièces dont l'épaisseur de paroi varie différemment.

Des domaines préférés d'application de l'inven-

tion sont la réalisation de forages de refroidissement et

de façonnage sur des ailettes de turbines, les perfora-

tions de tôles minces, de préférence à des fins d'aspira-

tions sur des surfaces limites de composants, tels que des ailes et analogues, le long ou autour desquels circule un flux, d'air par exemple, la réalisation d'orifices d'injection sur des injecteurs, ainsi que la

création de microstructures dans des surfaces de glisse-

ment et des portées. Le procédé est avantageux aussi,

globalement, dans son application à des composants pré-

sentant intérieurement une cannelure, de préférence sta-

bilisatrice, ou des renforcements.

Claims (25)

REVENDICATIONS

1. Procédé de mesure de la distribution de la

densité de champ d'énergie d'un rayon laser, de préfé-

rence d'un rayon laser pulsé, caractérisé en ce qu'on ex-

trait du rayon laser un rayon de mesure (2.1) correlé au rayon laser, en particulier correlé d'une façon restant

la même, qu'on reproduit le rayon de mesure (2.1) à dif-

férents moments de manière définie et avec une séparation locale, et qu'on mesure la distribution de la densité de

champ d'énergie des rayons partiels, reproduits locale-

ment de manière définie et résolus dans le temps, du

rayon de mesure (2.1).

2. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'on sépare localement des groupes d'impul-

sions et/ou des impulsions individuelles du rayon de me-

sure (2.1) à différents moments, et qu'on mesure la dis-

tribution de la densité de champ d'énergie des impulsions

et des groupes d'impulsions, reproduits localement de ma-

nière définie et résolus dans le temps, du rayon de me-

sure (2.1).

3. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'on produit la réflexion du rayon laser pri-

mitif quittant le laser, et on extrait le rayon de mesure

(2.1) du rayon laser réfléchi.

4. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'on mesure la distribution de la densité de champ d'énergie d'impulsions individuelles ou de groupes d'impulsions du rayon de mesure (2.1) séparément les uns

des autres dans le temps.

5. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'on dirige des impulsions du rayon de mesure

(2.1) sur un appareil de renvoi (6), lequel dévie les im-

pulsions de manière localement définie, et qu'on ajuste la déviation produite par l'appareil de renvoi (6) pour

chaque impulsion ou groupe d'impulsions.

6. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que, au moyen de l'appareil de renvoi (6), on

dévie le rayon de mesure (2.1) indépendamment en deux di-

rections spatiales différentes et perpendiculaires entre elles.

7. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'on dirige le rayon de mesure (2.1) trans-

versalement à la direction de propagation primitive du

rayon laser en direction de l'appareil de renvoi (6).

8. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'on choisit, en tant que rayon de mesure (2.1), un rayonnement (rayon de retour), en particulier un rayonnement thermique, qui vient de la pièce usinée et

est dû au rayon laser.

9. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'on choisit, en tant que rayon de mesure (2.1), une réflexion du rayon laser venant du point usiné

à ce moment de la pièce (15).

10. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'on dévie chaque impulsion du rayon de me-

sure (2.1) en un seul point de l'espace.

11. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'on divise une seule impulsion du rayon de

mesure (2.1) en plusieurs sous-impulsions.

12. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'on découple le rayon de mesure (2.1) du

rayon laser dans la zone du foyer d'usinage.

13. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'on découple le rayon de mesure (2.1) du rayon brut parallélisé du rayon laser et on le transfère à l'appareil de renvoi, en tant que rayon de mesure (2.1), à l'état préparé en conformité avec le foyer

d'usinage consécutif.

14. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'on découple le rayon de mesure (2.1) du

rayon laser pendant le processus d'usinage.

15. Dispositif de mesure de la distribution de la densité de champ d'énergie d'un rayon laser, comprenant une source laser et un détecteur détectant au moins partiellement la distribution de la densité de champ d'énergie du rayon laser, caractérisé en ce que:

le dispositif de mesure comprend un dispositif d'extrac-

tion (séparateur de rayon 4) pour au moins partiellement extraire du rayon laser, en ce qui concerne l'intensité, un rayon de mesure (2.1) qui est correlé au rayon laser, de préférence d'une façon restant la même, le dispositif d'extraction est placé sur le trajet du rayon laser, le dispositif de mesure comprend un appareil de renvoi (6), l'appareil de renvoi (6) est placé sur le trajet du rayon de mesure (2.1),

l'appareil de renvoi (6) comprend au moins un manipula-

teur, par exemple un miroir (6.2 et 6.3) commandé en ro-

tation par un moteur pas à pas, qui dévie le rayon de me-

sure (2.1) en fonction du temps dans des directions spa-

tiales définies et divise le rayon de mesure (2.1) en différents rayons partiels, et

le détecteur (8) est placé dans la zone des rayons par-

tiels du rayon de mesure (2.1), qui sont déviés par l'ap-

pareil de renvoi (6).

16. Dispositif selon la revendication 15, ca-

ractérisé en ce que l'appareil de renvoi (6) comprend un miroir (6.2 et 6.3) qui est mobile suivant au moins une dimension.

17. Dispositif selon la revendication 15, ca-

ractérisé en ce que l'appareil de renvoi (6) comprend un déflecteur optique mobile suivant au moins une dimension

et qui est en particulier de type non-mécanique.

18. Dispositif selon la revendication 15, ca-

ractérisé en ce que l'appareil de renvoi (6) comprend un

miroir et/ou un séparateur de rayon et/ou un réflecteur.

19. Dispositif selon la revendication 15, ca-

ractérisé en ce qu'un interrupteur optique ou un modula- teur, en particulier un diaphragme à orifice(s) (10) tournant à une vitesse de rotation définie, est placé sur

le trajet du rayon laser.

20. Dispositif selon la revendication 15, ca-

ractérisé en ce qu'un interrupteur électro-optique ou un modulateur électro-optique est placé sur le trajet du

rayon laser.

21. Dispositif selon la revendication 15, ca-

ractérisé en ce que le détecteur (8) est un élément cap-

teur à résolution locale.

22. Dispositif selon la revendication 15, ca-

ractérisé en ce que le détecteur (8) est une caméra CCD

(a dispositif de transfert de charges).

23. Dispositif selon la revendication 15, ca-

ractérisé en ce que le détecteur (8) comprend une surface de capteurs (14) à résolution locale, en particulier un

champ de photodiodes (disposition ordonnée de photo-

diodes).

24. Dispositif selon la revendication 15, ca-

ractérisé en ce que le détecteur (8) est une disposition

ordonnée d'éléments de détection de type CMOS.

25. Dispositif selon la revendication 15, ca-

ractérisé en ce que des lentilles convergentes et/ou di-

vergentes et/ou des coins gris et/ou des miroirs et/ou des éléments optiques holographiques sont placés sur le

trajet du rayon de mesure (2.1).