MXPA05002181A - Dispositivo y procedimiento de control de una operacion de soldadura, de recargue o de mecanizado por haz laser de una pieza. - Google Patents

Abstract

La invencion se refiere a un dispositivo de control de calidad de una operacion de soldadura, de recargue o de mecanizado de una pieza por haz LASER, que comprende al menos una boquilla de soplado de un gas provista de al menos un captor fotosensible dispuesto detras de dicho canal de eyeccion de forma que pueda recoger al menos una senal luminosa que penetra en dicho canal de eyeccion y emitida durante dicha operacion de soldadura, de recargue o de mecanizado, asi como un procedimiento de control de una operacion de soldadura, de recargue o de mecanizado LASER de una pieza.

Description

DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO DE CONTROL DE UNA OPERACIÓN DE SOLDADURA, DE RECARGUE O DE MECANIZADO POR HAZ LÁSER DE UNA PIEZA La invención se refiere al control de la calidad en soldadura, recargue o mecanizado por haz LÁSER. La utilización de haces de alta densidad de energía se ha desarrollado particularmente durante los dos últimos decenios, especialmente en el campo de la soldadura de chapas desnudas o revestidas para aplicaciones de automóviles, debido a características ventajosas: una vaporización del revestimiento limitada, que confiere una mejor protección galvánica contra la corrosión, muy bajas deformaciones de las uniones, una gran precisión y una velocidad de soldadura elevada, un aspecto de cordones que no necesita retoques, una buena resistencia a la embutición y a la fatiga de las juntas. Sin embargo son susceptibles de aparecer diferentes defectos, especialmente porosidades, defectos de alineación, , debido a condiciones de preparación inadecuadas (acoplamiento imperfecto, por ejemplo) , inestabilidades del baño de fusión, proyecciones excesivas. La soldadura de chapas de aceros que comprenden revestimientos a base de cinc presenta a este respecto dificultades muy particulares. Es pues necesario disponer de sistemas de control de procedimientos eficaces, pudiendo conducir las inestabilidades del baño de fusión a la formación de eventuales defectos . Este control en línea puede realizarse por medio de diferentes variables físicas: La aplicación de un haz LÁSER provoca la formación de un plasma procedente de su interacción con el gas de protección y los vapores metálicos . Con el fin de minimizar la formación de este plasma que reduce la penetración, se utiliza un sistema de soplado constituido por una boquilla de diámetro pequeño desplazada longitudinalmente detrás de la cabeza de soldadura, que permite proyectar un chorro de gas neutro a algunos milímetros por encima de la superficie de la pieza. Pueden utilizarse ventajosamente diferentes captadores ópticos, tales como fotodiodos sensibles en el campo del ultravioleta y del visible para analizar la estabilidad de este plasma, que refleja la de la operación de soldadura.

De la misma forma pueden utilizarse fotodetectores infrarrojo colocados detrás del haz en el sentido del desplazamiento, para medir la intensidad emitida por el metal fundido. Como regla general, la intensidad infrarroja traduce la cantidad de calor transferida a la pieza. Así, una penetración aumentada se traduce por un aumento de la emisión infrarroj a De todas formas, la aplicación práctica de estos diferentes captadores es difícil: en efecto, la energía recogida es baja, porque la señal disminuye inversamente al cuadrado de la distancia de la fuente al captador. Son posibles entonces dos soluciones: bien utilizar captadores ópticos de gran diámetro: esta solución tiene sin embargo la desventaja de conducir a una relación señal / ruido débil . efecto, la energía luminosa emitida por el capilar proviene de un ángulo sólido bajo y entonces son captadas por la óptica otras señales luminosas no deseables. En la práctica, es entonces muy difícil detectar la aparición de defectos en señales muy ruidosas . bien aproximar el captador a la zona soldada: en este caso, las expulsiones periódicas, los vapores metálicos condensados pueden degradar bastante rápido las ópticas de los captadores. La elevación local de temperatura no permite tampoco colocar el captador muy cerca del metal fundido . Se han ideado técnicas paliativas, basadas en el soplado de un chorro gaseoso lateral delante del captador para protegerlo, o incluso la protección de las ópticas mediante una lámina transparente consumible que debe cambiarse regularmente. Sin embargo, estas soluciones no son satisfactorias, ni desde el punto de vista económico, ni desde el punto de vista de la flabilidad de la señal. La presente invención tiene por objeto resolver los problemas mencionados anteriormente. Se dirige en particular a la puesta a disposición de un dispositivo de control que permite recoger las señales luminosas emitidas por la interacción haz LÁSER / materia que traduzca la calidad de la soldadura, del recargue o mecanizado, con una relación señal / ruido elevada y un posicionamiento preciso en relación al haz LÁSER, debiendo ser dicho dispositivo poco sensible a las diferentes contaminaciones durante la soldadura, recargue o mecanizado, inherentes a cualquier ambiente industrial. Con estos objetivos a la vista, la invención tiene por primer objeto un dispositivo de control de la calidad de una operación de soldadura, de recargue o de mecanizado de una pieza por haz LASER, que comprende al menos una boquilla de soplado de un gas provista de un canal de eyección de un flujo de dicho gas, desplazádose dicha boquilla por detrás del haz LÁSER en el sentido de la operación y provisto de al menos un captador fotosensible colocado detrás de dicho canal de eyección, de forma que pueda recoger al menos una señal luminosa que penetra en dicho canal de eyección y emitida durante dicha operación de soldadura, de recargue o de mecanizado . Según un modo de realización preferido de la invención, la boquilla de soplado de un gas comprende un canal colocado en la prolongación del canal de eyección, y el captador fotosensible se coloca detro de dicho canal . Según otro modo de realización preferido, la boquilla de soplado de un gas comprende un canal colocado en la prolongación del canal de eyección y un canal lateral que desemboca dentro de dicho canal, estando situado el captador fotosensible dentro del canal lateral, y se coloca una lámina reflectante en la unión del canal y del canal lateral, de forma que se desvía la señal luminosa en la dirección del captador fotosensible .

Esta lámina reflectante es, preferentemente, semitransparente . El dispositivo según la invención puede presentar ventajosamente una o más de las características siguientes, solas o en combinación: al menos un captador fotosensible es sensible a la radiación infrarro a, al menos un captador fotosensible es sensible a la radiación ultravioleta, al menos un captador fotosensible se aisla del flujo de gas por una separación estanca ópticamente transparente al menos en la zona de sensibilidad de este captador, el dispositivo comprende medios de filtración y de amplificación de la señal de salida del captador fotosensible, el dispositivo comprende medios de registro de la señal de salida del captador fotosensible. La invención tiene por segundo objeto un procedimiento de control de una operación de soldadura, de recargue o de mecanizado de una pieza por haz LÁSER, en el que se recoge, por medio de un dispositivo según la invención, al menos una señal luminosa procedente de la operación de soldadura, de recargue o de mecanizado, que la variación de esta señal luminosa en función del tiempo se compara con al menos una señal de referencia obtenida en condiciones tales que no esté presente en la pieza ningún defecto de volumen o de superficie inaceptable, y que se decida la aceptación o el rechazo de la pieza soldada, con recargue o mecanizada por comparación de estas dos señales. En definitiva, la invención tiene por tercer objeto un procedimiento de control de una operación de soldadura, de recargue o de mecanizado de una pieza por haz LÁSER, en el que se recoge, por medio de un dispositivo según la invención, al menos una señal luminosa procedente de dicha operación de soldadura, de recargue o de mecanizado, que la variación de dicha señal luminosa en función del tiempo se compara con al menos una señal de referencia obtenida en condiciones tales que no esté presente en dicha pieza ningún defecto de volumen o de superficie inaceptable, y que los parámetros de soldadura, de recargue o de mecanizado estén asociados en función de la comparación de al menos dichas dos señales . El dispositivo de control de la calidad de una operación de soldadura, de recargue o de mecanizado proporciona según la presente invención un cierto número de ventajas: como el captador está integrado en el seno de un dispositivo de soplado de gas, que puede estar él mismo colocado inmediatamente próximo a la zona de interacción haz-materia, la relación señal/ruido es elevada. Las perturbaciones eventuales de soldadura, de recargue o de mecanizado serán por tanto más cómodamente observables. Además, la localización del captador en el seno del mismo del dispositivo que aporta el gas (siendo éste por e emplo un gas neutro) protege este captador de toda degradación. La invención se va a describir ahora de forma más precisa, pero no limitativa en relación a las figuras que se anexan, en las que: La figura 1 es una vista esquemática en corte de un primer modo de realización de un dispositivo según la invención, La figura 2 es una vista esquemática en corte de un segundo modo de realización de un dispositivo según la invención, Las figuras 3 a 5 ilustran ejemplos de señales registradas durante la soldadura LÁSER por medio de un dispositivo según la invención: corresponden respectivamente a soldaduras sin defecto, con aparición de un defecto aislado o con numerosas inestabilidades , En un primer modo de realización mostrado en la figura 1, el dispositivo de control de la calidad de una operación de soldadura, de recargue o de mecanizado de una pieza por haz LASER, está constituido por una boquilla de soplado de un gas 1 provista de una cabeza de medida 2 dispuesta sobre la cara posterior 12 de la boquilla 1. La boquilla 1 comprende un canal 5 de eyección de gas y un canal 4 de alimentación en gas que desemboca en el canal 5. Este último canal 5, dispuesto en el eje de la boquilla 1 desemboca, por una parte, por delante 13 de la boquilla 1, del lado en el que le flujo de gas es eyectado de la boquilla 1 y, por otra parte, sobre la cara posterior 12 de la boquilla 1. La cabeza de medida 2 comprende un canal 11 que desemboca en la cara anterior de la cabeza de medida 2, destinada a unirse a la cara posterior 12 de la boquilla 1, y un captador fotosensible 3 dispuesto en el eje del canal 11, orientado para recoger la radiación luminosa que entra por medio del canal 5. La orientación del captador co-axial a aquel de corriente del flujo de gas, garantiza que la zona observada por éste, es efectivamente una zona de interacción con el gas.

El captador fotosensible 3 es ventajosamente un detector de radiación infrarroja (por ejemplo foto-diodo Ge+filtro Si, foto-diodo InGaAs) registrando especialmente la radiación que proviene de la zona fundida, o un detector de radiación ultravioleta (por ejemplo foto-diodo GaP, foto-diodo al silicio) . La señal de salida de este captador fotosensible puede filtrarse y amplificarse ventajosamente. La cara anterior de la cabeza de medida 2 está dispuesta contra la cara posterior 12 de la boquilla 1 y mantenida por medio de centrado, por ejemplo de contactos de centrado 6 y 7, de tal forma que el canal 11 sea coaxial al canal 5 de eyección de gas . En la unión de la cara anterior de la cabeza de medida 2 y de la cara posterior 12 de la boquilla 1, el canal 5 está separado del canal 11 por una separación 8, transparente a la radiación luminosa al menos en la zona de sensibilidad del captador 3, y en relación con el fenómeno físico que se desea medir. Por ejemplo, en el caso en que se busca registrar la señal procedente del plasma en soldadura LÁSER, se utiliza vent josamente una separación ópticamente transparente al menos a la radiación ultravioleta. Esta separación 8 reposa sobre un asiento mecanizado en la boquilla 1 o en la cabeza de medida 2. La separación 8 se completa ventajosamente por una junta tórica 9 de forma que asegure una estanqueidad entre la boquilla 1 y la cabeza de medida 2. Según un segundo modo de realización representado en la figura 2 , el dispositivo de control según la invención comprende un captador 3' dispuesto dentro de un canal 11' lateral y que desemboca en el canal 11. Una lámina reflectante 10 que puede ser semi-transparente se dispone en la unión del canal 11 y del canal lateral 11 ' , de forma que desvia la radiación que procede del canal de eyección 5 y que pasa a través del canal 11, para hacerle pasar a través del canal 111 con el fin de que pueda alcanzar el captador 3 ' . Cuando se quiere utilizar el dispositivo según la invención para controlar una operación de soldadura, de recargue o de mecanizado, se le coloca de tal forma que la cara anterior 13 de la boquilla 1 se oriente hacia la zona de formación del plasma o del metal fundido por ejemplo, y se sopla el gas. En el caso de la soldadura LÁSER, se puede tratar ventajosamente de la boquilla que sirve para soplar un gas para reducir la formación del plasma. La radiación luminosa emitida durante la operación de soldadura, de recargue o de mecanizado, penetra axialmente en el canal de eyección 5, atraviesa la separación 8 y sigue su curso por el canal 11.

Ahora es recibido por el captador fotosensible 3 o 31 que emite una señal utilizada para medir la intensidad de la radiación. Gracias a uno o varios captadores, se puede registrar en función del tiempo, una o varias señales luminosas procedentes de la operación de soldadura, de recargue o de mecanizado. Preferentemente, estos captadores se posicionan a una distancia muy próxima de la fuente luminosa (plasma, metal fundido) , ya que los riesgos de dañado de éstos por el calor, las proyecciones o los vapores metálicos se reducen debido a su localización en el seno de las boquillas de soplado de gas. A la salida, las señales luminosas recibidas son de una gran intensidad. La variación de estas señales luminosas puede entonces compararse a una o varias señales de referencia obtenidas en condiciones tales que no esté presente en la pieza ningún defecto de volumen o de superficie inaceptable. Esta comparación permite decidir la aceptación o el rechazo de la pieza soldada, con recargue o mecanizada, o incluso por una asociación de diferentes parámetros de soldadura, evitar la formación de defectos. Las figuras 3 a 5 presentan ejemplos de señales registradas durante una operación de soldadura LÁSER por un dispositivo según la invención: se han soldado chapas de acero electrocincadas de 1,2 mm de espesor por LÁSER C02 de 6kW con una velocidad de 1,5 m/mn. El captador es un fotodiodo al silicio sensible en una zona de radiación que va de 450 A 1100 nm, integrada en el seno de una boquilla de soplado de argón colocada detrás del haz LÁSER en el seno de la soldadura. La boquilla está orientada a través del metal fundido por el haz LÁSER. La distancia entre el punto de impacto del haz sobre la chapa y el extremo de la boquilla es de 40 mm. La figura 3 ilustra una soldadura realizada en condiciones satisfactorias: a partir del comienzo de la operación de soldadura (parte derecha del diagrama) , la señal registrada por el captador, que corresponde a la energía luminosa reenviada por el metal fundido, no presenta variación significativa. De hecho, los exámenes de soldadura no ponen en evidencia ningún defecto . La figura 4 presenta una variación característica de la señal . Esta inestabilidad corresponde a la aparición puntual de un defecto. La figura 5 traduce una operación de soldadura sobre chapa con revestimiento de zinc . Las numerosas perturbaciones de la señal registradas por el captador según la invención corresponden a inestabilidades del plasma, proyecciones de metal líquido, y la soldadura comporta defectos importantes.

Así, el dispositivo según la invención, que puede colocarse a corta distancia de la zona de trabajo durante la soldadura, el mecanizado o la recargue, permite registrar las señales intensas características de la calidad del montaje. El dispositivo muy compacto y transportable se asienta fácilmente en el seno de un espacio restringido ocupado por una o varias cabezas de soldadura o de mecanizado o varias boquillas de gas, sin afectar a la buena marcha de los constituyentes pre-existentes de una instalación LÁSER.

Claims (1)

15 REIVINDICACIONES Dispositivo de control de la calidad de una operación de soldadura, de recargue o de mecanizado de una pieza por haz LASER, que comprende al menos una boquilla de soplado de un gas (1) , desplazándose dicha boquilla por detrás de dicho haz LASER en el sentido de dicha operación, estando dicha boquilla provista de un canal de eyección (5) de un flujo de dicho gas, y provisto de al menos un captador fotosensible (3, 3') dispuesto por detrás de dicho canal de eyección (5) , de forma que pueda recoger al menos una señal luminosa que penetra en dicho canal de eyección (5) en el sentido inverso a la eyección de dicho flujo de gas y que procede de la interacción entre dicho haz LÁSER y la materia de dicha pieza durante dicha operación de soldadura, de recargue o de mecanizado. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que dicha boquilla de soplado de un gas (1) comprende un canal (11) colocado en la prolongación de dicho canal de eyección (5) , y en que dicho captador fotosensible (3) está dispuesto dentro de dicho canal (11) . Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por 16 que dicha boquilla de soplado de un gas (1) comprende un canal (11) colocado dentro de la prolongación de dicho canal de eyección (5) y un canal lateral (11') que desemboca dentro de dicho canal (11) , estando dispuesto dicho captador fotosensible (3 ' ) dentro de dicho canal lateral (ll1)/ y por que se dispone una lámina reflectante (10) en la unión del canal (11) y del canal lateral (11') de forma que se desvíe dicha señal luminosa en dirección del captador fotosensible (3 ' ) . Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado por que dicha lámina reflectante (10) es semi-transparente . Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracter zado por que dicho captador fotosensible (3, 3') es sensible a la radiación infrarroja. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que dicho captador fotosensible (3, 3') es sensible a la radiación ultravioleta. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que dicho captador fotosensible (3, 3') está aislado de dicho flujo de gas por una separación estanca (8) ópticamente transparente al menos en la zona de sensibilidad de dicho captador fotosensible (3, 3'). 17 Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que comprende medios de filtración, de amplificación y de registro de la señal de salida de dicho captador fotosensible (3 , 31 ) . Procedimiento de control de una operación de soldadura, de recargue o de mecanizado de una pieza por haz LÁSER, caracterizado por que se recoge, por medio de un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, al menos una señal luminosa que penetra dentro de dicho canal de eyección (5) en el sentido inverso a la eyección de dicho flujo de gas y que procede de la interacción entre dicho haz LÁSER y la materia de dicha pieza durante dicha operación de soldadura, de recargue o de mecanizado, porque la variación de dicha al menos una señal luminosa en función del tiempo se compara con al menos una señal de referencia obtenida en condiciones tales que no esté presente en la pieza ningún defecto de volumen o de superficie inaceptable, y que la aceptación o el rechazo de la pieza soldada o mecanizada se decida por comparación de dicha señal luminosa medida durante dicha operación de soldadura, de recargue o de mecanizado y dicha señal de referencia. Procedimiento de control de una operación de soldadura, 18 de recargue o de mecanizado de una pieza por haz LASER, caracterizado por que se recoge, por medio de un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 , al menos una señal luminosa que penetra dentro de dicho canal de eyección (5) en el sentido inverso a la eyección de dicho flujo de gas y que procede de la interacción entre dicho haz LÁSER y la materia de dicha pieza durante dicha operación de soldadura, de recargue o de mecanizado, porque la variación de dicha al menos una señal luminosa en función del tiempo se compara con al menos una señal de referencia obtenida en condiciones tales que no esté presente en la pieza ningún defecto de volumen o de superficie inaceptable, y que los parámetros de soldadura, de recargue o de mecanizado estén asociados en función de la comparación de dichas al menos dos señales.