FR2858474A1 - Machine laser a chemin optique equipe d'une chicane de contournement du miroir de renvoi - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système de chemin optique pour machine laser comprenant un chemin optique (5) apte à contenir un gaz de protection et à acheminer un faisceau laser, ledit chemin optique (5) comprenant des moyens de renvoi/focalisation (1 ) de faisceau laser servant à renvoyer et/ou à focaliser ledit faisceau laser, lesdits moyens de renvoi/focalisation (1) étant mobiles en translation, caractérisé en ce que des moyens à chicane (6) sont agencés sur le trajet du faisceau laser de manière telle que le gaz contenu dans le chemin optique (5) puisse contourner lesdits moyens de renvoi/focalisation (1), lors d'un déplacement en translation desdits moyens de renvoi/focalisation (1), une machine «équipée d'un tel système et son utilisation dans une opération de soudage par faisceau laser

Description

La présente invention concerne le domaine des machines laser et plus

particulièrement des machines laser utilisables en soudage par faisceau laser.

Le soudage de pièces par faisceau laser est une opération très répandue dans l'industrie. Habituellement, une telle opération est mise en oeuvre en utilisant une machine laser, c'est-à-dire une installation apte à générer et à convoyer un ou des faisceaux laser qui sont utilisés pour fondre les bords des 10 pièces à assembler ensemble et à réaliser ainsi le joint de soudure désiré.

Actuellement, il existe deux types principaux de machines laser, à savoir les machines laser de type Nd:YAG et celles de type CO2.

Une machine laser Nd:YAG comprend un oscillateur laser et une tête laser délivrant le faisceau laser, le faisceau laser étant convoyé jusqu'à la tête 15 via une fibre optique.

Le pilotage manuel, lors des réglages d'une machine laser YAG, est effectué de l'extérieur, les pupitres étant généralement mis soit sur une armoire, soit sur un bras articulé ou non. La réalisation d'un pupitre articulé en rotation, de forme cylindrique, avec deux chicanes latérales permet de manière très 20 simple d'accéder de l'intérieur et de l'extérieur de la machine à ce pupitre, tout en restant conforme aux normes en vigueur sur les lasers YAG.

Par ailleurs, une machine laser de type CO2 comprend aussi un oscillateur de faisceau laser servant à générer le faisceau laser et une tête laser par laquelle émerge le faisceau avant d'aller frapper les pièces à souder, mais 25 dans ce cas, I'oscillateur et la tête laser sont reliés l'un à l'autre par un chemin optique servant à convoyer le faisceau laser, comme décrit par JP-A-3-221290 ou EP-A-712 346.

Le chemin optique comporte, en général, un ou plusieurs moyens de focalisation et/ou de renvoi du faisceau, tels que miroirs, lentilles ou leurs 30 combinaisons, ces moyens étant habituellement inertés et/ou protégés par une atmosphère gazeuse, par exemple de l'azote, servant à empêcher leur détérioration par la poussière ou les autres impuretés atmosphériques présentes dans l'air ambiant, comme rappelé par les documents: CO2 laser gases: the effect of impurities ; Janvier 1990, Industrial Laser Review, p. 11 à 13; JP-A-584 590; US-A-4,945,207; US-A-4, 229,709; JP-A-H6-51235 et US-A-4,977,566.

De façon connue en soi, l'utilisation sur les machines laser de moteurs 5 linéaires engendrant de fortes accélérations et des vitesses élevées, conduit à des phénomènes de modification de la qualité du faisceau laser délivré par la machine, en particulier du fait de la variation de pression du milieu gazeux dans lequel se propage le faisceau laser dans le chemin optique de la machine.

En effet, tout déplacement des moyens de focalisation va engendrer une 10 compression plus ou moins importante du gaz dans le chemin optique puisque, lorsque la machine comporte de tels moyens mobiles, la longueur du chemin optique varie au cours des déplacements desdits moyens de focalisation.

Dans ce cas, il est nécessaire d'incorporer au chemin optique, un tube télescopique ou un soufflet apte à autoriser et accompagner lesdits 15 déplacements et variation de longueur.

Cependant, les systèmes actuels ne permettent pas d'éviter les surpressions susmentionnées.

Pour tenter de résoudre ce problème, il a déjà été proposé d'agencer sur le trajet optique de la machine laser, une ou plusieurs soupapes pilotées en 20 fonction de la pression gazeuse régnant dans la cavité optique de manière à pouvoir ajuster ou contrôler cette pression, comme illustré en figure 1.

Toutefois, cette solution n'est pas idéale car les variations de pression au sein de la cavité optique engendrent, en cas de surpression, un rejet de l'excès de gaz l'atmosphère via lesdites soupapes pilotées ou, à l'inverse en cas de 25 dépression, nécessitent une alimentation supplémentaire de la cavité en gaz de sorte de combler le manque de gaz.

Un tel fonctionnement engendre donc inévitablement une consommation de gaz d'inertage importante.

Le problème à résoudre est donc de proposer une machine laser 30 motorisée ne présentant pas les inconvénients ci-dessus, en particulier permettant d'éviter les phénomènes de suppression du gaz dans la cavité optique, lors des déplacements rapides des moyens de focalisation du faisceau dans la cavité optique et ce, sans engendrer de consommation supplémentaire de gaz d'inertage.

La solution de la présente invention est un système de chemin optique pour machine laser comprenant un chemin optique apte à contenir un gaz de 5 protection et à acheminer un faisceau laser, ledit chemin optique comprenant des moyens de renvoi/focalisation de faisceau laser servant à renvoyer et/ou à focaliser ledit faisceau laser, lesdits moyens de renvoi/focalisation étant mobiles en translation, caractérisé en ce que des moyens à chicane sont agencés sur le trajet du faisceau laser de manière telle que le gaz contenu dans le chemin 10 optique puisse contourner lesdits moyens de renvoi/focalisation, lors d'un déplacement en translation desdits moyens de renvoi/focalisation.

Selon le cas, le système de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes: - le chemin optique comprend une première portion à volume variable et une 5 seconde portion à volume variable agencées en amont et en aval, respectivement, des moyens de renvoi/focalisation et des moyens à chicane, - le volume interne total du chemin optique comprenant les première et seconde portions et les moyens à chicane reste constant, lors des variations de volume desdites première et seconde portions, - les moyens à chicane comprennent un corps de chicane formé d'une embase portant deux parois latérales se faisant face l'une à l'autre, - la première paroi comporte un premier orifice de passage du gaz et du faisceau laser, la seconde paroi comprend un second orifice de passage du gaz et l'embase comprend un troisième orifice de sortie du faisceau laser, 25 - les moyens de renvoi/focalisation sont portés par le corps de chicane, - le corps de chicane et les moyens de renvoi/focalisation forment un ensemble mobile en translation en rapprochement ou en éloignement par rapport aux portions à volumes variables du chemin optique, - les portions à volumes variables comprennent des soufflets, 30 - les moyens de renvoi/focalisation comprennent un miroir.

L'invention porte aussi sur une machine laser comprenant un système de chemin optique et son utilisation dans une opération de soudage par faisceau laser.

La présente invention va être mieux comprise grâce à la description détaillée suivante faite en références aux figures annexées.

La figure 1 représente le schéma d'une partie du chemin optique 5 d'une machine laser selon l'art antérieur. Le chemin optique 5 comprend une portion 2 à volume variable, tel qu'un soufflet ou un tube télescopique, située en amont de moyens de renvoi/focalisation 1 du faisceau laser 3, lesdits moyens de 10 renvoi/focalisation 1, par exemple un ou plusieurs miroirs, sont mobiles en translation via un système motorisé (non montré). Le chemin optique 5 contient un gaz d'inertage, tel de l'azote, lequel protège le faisceau laser 3 durant son trajet dans la cavité optique 5 et comprend, par ailleurs une soupape 4 pilotée servant à compenser les variations de pression de gaz pouvant être 15 engendrées, durant le soudage, lors d'un déplacement brusque des moyens de renvoi/focalisation 1, en direction de la soupape 4 (sens de la flèche F).

Comme expliqué ci-avant, un tel système n'est pas idéal car il peut engendrer une consommation de gaz d'inertage importante du fait du fonctionnement de la soupape 4, à chaque déplacement des moyens optiques 20 1 dans le sens de la flèche F. Les figures 2 à 4 schématisent une machine laser selon la présente invention, laquelle permet de résoudre ce problème.

Comme on peut le voir sur la figure 2, selon l'invention, un moyen formant chicane 6 a été aménagé autour des moyens de renvoi/focalisation, par 25 exemple un miroir de renvoi, de manière à permettre au gaz d'inertage contenu dans la cavité optique 5 de contourner le miroir 1 de renvoi sans subir de compression, lors des déplacements des moyens de renvoi/focalisation 1.

Dans ce cas, il devient nécessaire d'aménager en amont et en aval de la chicane 6, un système à volume variable comprenant ici deux soufflets 2, 2' ou 30 tout autre moyen analogue, tel des tubes télescopiques ou des combinaisons de tubes et de soufflets.

La figure 3 représente une vue tridimensionnelle d'un mode de réalisation préféré de la chicane 6 de la figure 2. Cette chicane 6 se compose d'un corps de chicane en forme générale de U comprenant une base 6c surmontée de deux parois latérales 6a, 6b se faisant face. La paroi 6a comporte 5 un orifice 7 d'entrée par lequel le gaz et le faisceau peuvent pénétrer dans la chicane 6, c'est-à-dire entre les parois 6a et 6b, en traversant la paroi 6a, comme représenté sur la figure 2.

La paroi opposée 6b comprend, quant à elle, un orifice 8 de sortie de gaz par lequel le gaz peut ressortir de la chicane 6, en traversant la paroi 6b.

Par ailleurs, la base 6c est percée d'un orifice 9 de sortie du faisceau par lequel le faisceau laser peut être envoyé vers les pièces à souder, après avoir été renvoyé par les moyens de renvoi/focalisation aménagés dans la chicane 6, comme représenté en figure 4.

Des perçages 10 taraudés portés par le corps de chicane permettent de 15 fixer les moyens de renvoi/focalisation audit corps. Le corps de chicane comprend également des perçages supplémentaires 11 ou tout autre moyen adapté permettant de fixer la chicane 6 dans ou sur le chemin optique de la machine laser.

La figure 4 permet de visualiser la chicane 6 de la figure 3 intégrée au 20 chemin optique d'une machine laser, ladite chicane 6 comportant les moyens de renvoi/focalisation 1, ici un miroir de renvoi.

Comme on peut le constater, la chicane 6 comporte, en amont et en aval, des moyens à volume variable 2, 2', à savoir ici des soufflets, permettant un déplacement en translation de la tête 12 de laser lors du soudage, ladite tête 25 12 dirigeant le faisceau en direction des pièces à souder, et ce, sans perte de gaz d'inertage puisque, lors du déplacement, du miroir de renvoi, I'excès de gaz se trouvant, par exemple, en amont du miroir va pouvoir être évacué en aval de celui-ci, via la chicane 6. Il s'effectue donc uniquement un transvasement de gaz d'un soufflet 2 à l'autre soufflet 2', et non un rejet de l'excès de gaz à 30 lI'atmosphère.

La présente invention est applicable à toutes les machines laser à grande vitesse et à chemin optique protégé.

Il est à noter que la mesure du point de focalisation pourra se faire de manière connue en soi, par exemple en opérant un tir laser sur une plaque et en mesurant ensuite le diamètre du spot, ou alors en appliquant le principe suivant.

Tout d'abord, on met la tête de découpe en référence sur un plan, puis on effectue un tir laser à faible puissance avec un mouvement horizontal à hauteur constante, sur une feuille de papier inclinée placée en référence sur le bas de l'outillage.

Le faisceau est large au départ, très fin au point de focalisation puis 10 redevient très large. Il suffit ensuite de mesurer simplement la hauteur par rapport à la référence de la feuille de papier, puis d'appliquer un coefficient (x cosinus, en fonction de la pente choisie pour l'outillage), comme illustré sur les figures 5 et 6.

Claims (11)

Revendications

1.- Système de chemin optique pour machine laser comprenant un chemin optique (5) apte à contenir un gaz de protection et à acheminer un faisceau laser, ledit chemin optique (5) comprenant des moyens de renvoi/focalisation (1) de faisceau laser servant à renvoyer et/ou à focaliser ledit faisceau laser, lesdits moyens de renvoi/focalisation (1) étant mobiles en 10 translation, caractérisé en ce que des moyens à chicane (6) sont agencés sur le trajet du faisceau laser de manière telle que le gaz contenu dans le chemin optique (5) puisse contourner lesdits moyens de renvoi/focalisation (1), lors d'un déplacement en translation desdits moyens de renvoi/focalisation (1).

2.- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chemin optique (5) comprend une première portion (2) à volume variable et une seconde portion (2') à volume variable agencées en amont et en aval, respectivement, des moyens de renvoi/focalisation (1) et des moyens à chicane (6).

3.- Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le 20 volume interne total du chemin optique (5) comprenant les première et seconde portions (2,2') et les moyens à chicane (6) reste constant, lors des variations de volume desdites première et seconde portions (2, 2').

4.- Système selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens à chicane (6) comprennent un corps de chicane (6a, 6b, 6c) formé 25 d'une embase (6c) portant deux parois latérales (6a, 6b) se faisant face l'une à l'autre.

5.- Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première paroi (6a) comporte un premier orifice (7) de passage du gaz et du faisceau laser, la seconde paroi (6b) comprend un second orifice (7) de passage du gaz 30 et l'embase (6c) comprend un troisième orifice (9) de sortie du faisceau laser.

6.- Système selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de renvoi/focalisation (1) sont portés par le corps de chicane (6a, 6b, 6c).

7.- Système selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le corps de chicane (6a, 6b, 6c) et les moyens de renvoi/focalisation (1) forment un ensemble mobile en translation en rapprochement ou en éloignement par rapport aux portions à volumes variables (2, 2') du chemin optique (5).

8.- Système selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les portions à volumes variables (2, 2') comprennent des soufflets.

9.- Système selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens de renvoi/focalisation (1) comprennent un miroir.

10.- Machine laser comprenant un système de chemin optique selon 10 lI'une des revendications 1 à 9.

11.- Utilisation d'une machine laser selon la revendication 10 dans une opération de soudage par faisceau laser.