Brevet FR2173697A1 — publié le 19731012

La présente invention concerne un appareil de traitement par laser dans lequel un faisceau laser fournit de l'énergie pour le brasage, le soudage, le découpage et d'autres opérations de traitement dans lesquelles une pièce est chauffée. A la différence des procédés de traitement classiques, le traitement par laser présente plusieurs avantages. Le faisceau laser peut autre concentré de manière à avoir un diamètre extr8me- ment petit de sorte qu & s pièces électroniques et mécaniques micro-miniaturisées peuvent astre soudées, brasées ou découpées. Le faisceau laser peut zetre dirigé sur un endroit précis de la pièce et tout l'échauffement se produit dans ledit endroit. La forte intensité de rayonnement du faisceau laser permet de percer de petits trous dans des feuilles de métaux, de verre et de ma tières céramiques. Un problème qui se pose dans certaines opérations de trai tement résulte de la tendance de la matière constituant la pièce à subir une modification de ses propriétés physiques lorsqu'elle est soumise à un échauffement prolongé. Cela peut se produire du fait d'une réaction chimique ou d'une modification de phase de la matière qui se traduit par une variation des propriétés physiques. Par exemple, une dégradation irréversible de la résistance de la pièce peut se produire du fait de variations de phase produites par un échauffement prolongé de la pièce. On peut voir que, pour obtenir les meilleurs résultats possibles, il est tout à fait souhaitable que la pièce ne soit pas chauffée pendant une période plus longue qu'il n'est absolument nécessaire à la température requise pour effectuer le traitement. Dans les appareils connus de traitement par laser, il n'a pas été possible d'assurer un réglage précis de la température de la pièce. L'utilisation d'un thermocouple pour détecter la température est indésirable dans de nombreuses applications du fait de la réponse intrinsèquement lente du thermocouple. Puisque la masse thermique du thermocouple est souvent comparable ou supé rieure à celle de la pièce, il n'est pas possible d'obtenir une mesure significative de la température. Dans la plupart des appareils de traitement par laser, la durée optimale de chauffage par le faisceau laser est déterminée par des méthodes empiriques. On utilise alors la même durée d'é chauffement à chaque fois que l'opération de traitement est exé cutée. L'inconvénient d'une telle méthode est que énergie fournie par le laser peut varier et que par conséquent la durée prédéterminée de la période de chauffage peut être longue ou trop courte. Dans l'un ou l'autre cas, la qualité du traitement est altérée. Selon l'invention, on obtient un appareil de traitement par laser qui permet une commande extrêmement précise de la température de la zone de la pièce en train d'être chauffée. Cette commande est assurée en mesurant l'intensité du rayonnement de corps noir émis par la pièce du fait de l'échauffement d'une zone de la pièce. L'énergie du faisceau laser arrivant sur la pièce est commandée en fonction de l'intensité du rayonnement de corps noir mesuré. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels Figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation de l'invention; Figure 2 représente l'énergie de rayonnement de corps noir en fonction de la longueur d'onde pour deux températures différentes; Figure 3 représente schématiquement un autre mode de réalisation de l'invention;; Figure 4 représente le signal de sortie du détecteur de rayonnement servant à discriminer la longueur d'onde dans le mode de réalisation de la figure 3 en fonction du temps pour deux faisceaux laser d'énergies différentes, et Figure 5 représente schématiquement un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel l'énergie du faisceau laser est commandée de façon continue en fonction d'un programme désiré de chauffage de la pièce. Sur la figure 1, on a représenté un appareil de traitement par laser dans lequel un dispositif 10 produit un faisceau laser il ayant essentiellement une seule longueur d'onde. La pièce à traiter 12 est placée sur la trajectoire du faisceau laser 11 à l'aide d'un dispositif 13. Un organe de concentration 14 tel qu'une lentille est placé sur la trajectoire du faisceau laser il de manière à régler sa section droite sur la pièce 12. Un détecteur de rayonnement à discrimination de longueur d'onde 15 est positionné de manière à recevoir un rayonnement de corps noir 16 qui est émis par la pièce. Le détecteur 15 produit à sa sortie un signal électrique en réponse à des longueurs d'onde de rayonnement de corps noir 16 correspondant à la température désirée de chauffage tout en ne réagissant pas à un rayonnement de la longueur d'onde produite par le générateur laser 10.Le détecteur 15 est relié par sa sortie à un dispositif de commande de laser 17 qui sert à commander l'énergie du faisceau laser arrivant sur la pièce en fonction du signal de sortie. Dans un mode de réalisation de l'invention dans lequel un laser à gaz carbonique (C02) fonctionnant à îo,6 microns a été utilisé pour chauffer une pièce à 9000K, on a employé un détecteur à tellurure de mercure-cadmium (Hg1 XCdx Te) ayant une réponse de crAete d'environ 5 microns et ne produisant essentiellement pas de réponse à 10,6 microns comme détecteur de rayonnement à discrimination de longueur d'onde 14. Le dispositif de commande de sortie de laser 17 est constitué par un dispositif de oemmutation qui a été branché en circuit avec le laser à C02 de manière que le laser soit arrêté lorsque le signal de sortie du détecteur à tellurure de mercure-cadmium atteint un niveau de seuil prédéterminé, en éliminant ainsi le faisceau laser de la pièce.Le niveau de seuil prédéterminé a représenté le signal de sortie du détecteur correspondant à une température de 900 K. Le fonctionnement de cet appareil dépend du fait que la longueur d'onde de crête Am et l'intensité I du rayonnement de corps noir émis par la pièce sont fonction de-la température. La figure 2 représente l'intensité I du rayonnement de corps noir émis par la pièce en fonction de longueurs d'ondes correspondant à deux températures différentes Ti et T2, T2 étant supérieure à T1. On voit que, lorsque la température'augmente l'intensité du rayonnement de corps noir croit et que la longueur d'onde de crête du m durayonnement de corps noir est décalée vers de plus courteS longueur d'onde. La longueur d'onde de crête ; m varie en fonction de la température suivant la relation , T = C, ot T représente la tem une pérature exprimée en degrés Kelvin (OK) tandis que C désigne/constante. En conséquence, lorsque la température augmente, la longueur d'onde de crtte du rayonnement de corps noir est décalée vers une plus courte longueur d'onde. Par exemple le rayonnement de corps noir émis à la température ambiante (3000K) atteint une valeur de crête d'environ 10 microns tandis que, pour T = 9000K, m m = 3,5 microns.Comme mentionné précédemment, l'intensité globale Idu rayonnement de corps noir émis augmente également en fonction de la température suivant la relation I = 6 Cr Au4/2 IT où 2 = émissivité cr= constante de Stefan-3oltzmann A = aire de la surface émettrice En conséquence, on peut voir que la température de la pièce peut être déterminée par mesure du rayonnement de corps noir émis par la pièce.Cependant, dans des systèmes classiques de chauffage par rayonnement utilisant des sources de chaleur autres qu'un laser, cela est impossible du fait que le rayonnement infrarouge à large bande produit par la source de chaleur est bien supérieur au rayonnement infrarouge de corps noir émis par la pièce. Cela constitue évidemment un impératif d'échauffement. Dans le système considéré, le laser est une source de chauffage infrarouge à bande étroite, et, en conséquence, il est seulement possible de mesurer le rayonnement de corps noir émis par la pièce en employant un détecteur de rayonnement à discrimination de longueur d'onde qui réagit au rayonnement de corps noir mais non au rayonnement présentant la longueur d'onde produite par le laser.Un détecteur de rayonnement à discrimination de longueur d'onde peut comprendre un détecteur dont les propriétés intrinsèques sont telles que la partie du spectre électromagnétique auquel il réagit comprend des longueurs d'onde correspondant à la température désirée de chauffage mais ne continent pas la longueur d'onde produite par le laser. En variante, le détecteur de rayonnement à discrimi- nation de longueur d'onde peut comprendre un filtre qui arrête un rayonnement présentant la longueur d'onde produite par le laser. La figure 3 représente un autre mode de réalisation de l'invention qui est similaire à l'appareil de la figure 1. Des références numériques correspondant à celles de la figure 1 ont été utilisées pour désigner des éléments similaires. Un laser à gaz carbonique 20 fonctionnant à une longueur d'onde de 10,6 microns est employé comme source de chauffage. Un détecteur de rayonnement à discrimination de longueur d'onde 15 comprend un filtre 21 qui est essentiellement transparent à un rayonnement de corps noir 16 émis par la pièce 12 et essentiellement opaque à un rayonnement présentant la longueur d'onde produite par le laser à gaz carbo nique 20. Dans le mode de réalisation représenté, une fenAetre en saphir qui arrête un rayonnement présentant des longueurs d'onde supérieures à 6 microns constitue le filtre 21.La fenêtre en saphir arrête par conséquent tout rayonnement laser de 10,6 microns qui peut Autre réfléchi par la pièce 12 en direction du détecteur de rayonnement à discrimination de longueur d'onde 15. Dans de nombreuses applications de 1 t invention, il est souhaitable d'éliminer le faisceau laser de la pièce afin d'arr- ter le chauffage sans arrêter le laser puisqu'on peut rencontrer certaines difficultés lors du réenclenchement d'un laser. Sur la figure 3, un dispositif de commande de sortie de laser, qui élimine le faisceau laser sans avoir à larrAeter, est représenté sous la forme d'un dispositif 22 qui interpose un écran, par exemple une pièce en graphite, dans la trajectoire du faisceau laser afin d'arrêter le faisceau lorsque le signal de sortie du détecteur 15 atteint le niveau de seuil. Un avantage de l'invention sur les appareils de traitement par laser de types connus est que, puisque la température de la zone de la pièé à chauffer est mesurée directement,la pièce est toujours chauffée à la mAeme température, en dépit de variations de l'énergie du faisceau laser. La figure 4 représente des signaux typiques de sortie du détecteur 15 et par conséquent la température de la pièce en fonction du temps pour le mode de réalisation de la figure 3. Les signaux de sortie sont comparés pour des faisceaux laser de deux énergies différentes P1 et P2, P1 étant supérieure à P2.A l'instant t = o , le faisceau laser arrive sur la pièce et, pour une énergie de laser P1, le niveau de seuil est atteint à l'instant t1.A cet instant, le faisceau laser n'atteint plus la pièce par interposition de 1 1écran par -le dispositif 22 et la pièce se refroidit rapidement. Si un faisceau laser d'énérgie inférieure 2 est utilisé, la pièce est chauffée à une allure plus lente et en conséquenee le signal de sortie du détecteur 15 crott à une allure plus lente. Comme indiqué sur la figure 4, le niveau de seuil est atteint à l'instant t2 et le faisceau laser est supprimé de la pièce.Il est à noter que, bien que l'énergie du faisceau laser varie, la pièce est toujours chauffée à la mme température qui correspond à un niveau de seuil particulier du signal de sortie du détecteur de rayonnement 15 Cette commande précise de température permet d'effectuer des opérations de traitement qui se répètent à haute cadence. La figure 5 représente un mode de réalisation de llinven- tion dans lequel l'énergie du faisceau laser il est commandée de façon continue en fonction d'un programme désiré de chauffage de la pièce 12. Dans ce mode de réalisation, le dispositif de commande d'énergie de laser 17 de- la figure 1 comprend un élément de programmation 30, un élément de comparaison 31 et une commande de courant laser 32. L'élément de programmation 30 fournit un signal électrique qui varie dans le temps de manière établir un programme désiré de chauffage de la pièce 12.L'élément de comparaison 31 compare le signal de sortie du détecteur 15 au signal électrique de sortie de l'élément de programmation 30 et produit un signal électrique représentant la différence entre les signaux de sortie de l'élément de programmation 30 et du détecteur 15. La commande de courant laser 32 est branchée en circuit avec le générateur de laser 10 de manière à commander de façon continue l'anergie du faisceau laser 11 reçue par la pièce 12 en fonction du signal électrique fourni par l'élément de comparaison 31. Dans un mode de réalisation de l'appareil de la figure 5, où on a utilisé un laser à gaz carbonique comme générateur de îa- ser 10, on a employé un élément de comparaison 31 comprenant un amplificateur différentiel et une commande de courant laser 32 constituée par une triode, par exemple la triode vendue sous la dénomination "EIMAC 3-400 zn.L'anode et la cathode de la triode ont été reliées en série avec le tube de décharge gazeuse du laser 10 et sa grille a été reliée à la sortie de l'amplificateur différentiel afin de recevoir le signal de l'amplificateur différentiel représentant la différence entre les signaux de sortie de l'élément de programmation 30 et du détecteur de rayonnement 150 Bien qu'on ait mentionné en particulier que la soùrce de chauffage soit constituée par un laser à gaz carbonique fonctionnant à une longueur d'onde de 10,6 microns, on peut utiliser dans d'autres applications des lasers opérant à des longueurs d'ondes autres que 10,6 microns tout en restant dans le cadre de l'invention. Par exemple, il est extrêmement avantageux d'utiliser dans certaines applications le laser à grenat d'yttrium-aluminium dopé au néodyme (Nd:YAG) qui fonctionne à une longueur d'onde de 1,06 micron. Lorsqu'on utilise le laser Nd:YAG, on peut employer une fenêtre en germanium comme filtre en combinaison avec le détecteur de rayonnement à discrimination de longueur d'onde. Dans d'autres modes de réalisation de l'invention, on peut utiliser des lasers opérant à des longueurs d'onde du domaine visible ou ultra-violet. REVENDICATIONS 1 - Appareil pour traiter une pièce avec un faisceau laser, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur 10 pour produire un faisceau laser 11 présentant essentiellement une seule longueur d'onde, un dispositif 13 pour positionner la pièce 12 sur la trajectoire du faisceau laser, un dispositif de concentration 14 placé sur la traJectoire du faisceau laser de manière à régler sa section droite sur la pièce 12, un détecteur de rayonnement à discrimination de longueur d'ondé 15 positionné de manière à recevoir un rayonnement de corps noir émis par la pièce 12 et capable de fournir un signal de sortie en réponse au rayonnement de corps noir et aucun signal de sortie en réponse à un rayonnement présentant la longueur d'onde produite par le générateur de laser 10 et, des moyens de commande de l'énergie de sortie du laser 17 pour régler l'énergie du faisceau laser 11 arrivant sur la pièce 12 en fonction du signal de sortie. 2 - Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur de rayonnement à discrimination de longueur d'onde 15 comprend en outre un filtre 21 sensiblement transparent au rayonnement de corps noir émis par la pièce et sensiblement opaque au rayonnement présentant la longueur d'onde produite par le générateur de laser. 3 - Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur de laser est un laser à gaz carbonique produisant un faisceau laser présentant une longueur d'onde de 10,6 microns. 4 - Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le détecteur de rayonnement à discrimination de longueur d'onde comprend en outre une rentre à saphir qui est sensiblement transparente à un rayonnement de corps noir émis par la pièce et sensiblement opaque au rayonnement d'une longueur d'onde de 10,6 microns. 5 - Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur de laser est un laser à grenat d'.,yttrium-alu- minium dopé au néodyme produisant un faisceau laser d'une longueur d'onde de 1,06 micron. 6 - Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le détecteur de rayonnement à discrimination de longueur d'onde comprend en outre une fenêtre en germanium qui est sensiblement transparente au rayonnement de corps noir émis par la pièce et sensiblement opaque à un rayonnement d'une longueur d'onde de 1,06 micron . 7 - Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande de l'énergie de sortie de laser comprennent un élément de programmation 30 pour fournir un signal électrique qui varie dans le temps de manière à établir un programme désiré de chauffage de la pièce, un élément de comparaison 31 pour comparer le signal de sortie du détecteur de rayonnement àdiscrimination de longueur d'onde au signal électrique de sortie de l'élément de programmation et pour fournir un signal électrique représentant la différence entre les signaux, et une commande de courant laser 32 branchée en circuit avec le générateur de laser de manière à commander de façon continue l'énergie du faisceau laser arrivant sur la pièce en fonction du signal électrique de sortie de l'élément de comparaison. 8 - Appareil suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le générateur de laser est un laser à gaz carbonique comportant un tube à décharge gazeuse et en ce que la commande de courant laser comprend une triode dont l'anode et la cathode sont branchées en série avec le tube de décharge gazeuse tandis que sa grille est reliée à l'élément de comparaison de façon à recevoir son signal électrique de sortie. g - Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la commande de sortie de laser comprend un dispositif de commutation branché en circuit avec le générateur de laser afin d'arrêter ce dernier lorsque le signal de sortie du détecteur de rayonnement à discrimination de longueur d'onde atteint un niveau de seuil. 10 - Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la commande de sortie de laser comprend des moyens 22 pour interposer un écran sur la trajectoire du faisceau laser afin d'arrêter ce dernier lorsque le signal de sortie du détecteur de rayonnement à discrimination de longueur d'onditteint un niveau de seuil. 11 - Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce que l'écran est constitué par un corps en graphite. 12 - Procédé de traitement d'une pièce à l'aide d'un faisceau laser, caractérisé en ce qu'on chauffe une zone de la pièce à l'aide d'un faisceau laser présentant essentiellement une seule longueur d'onde de valeur élevée, en ce qu'on mesure l'intensité de rayonnement de corps noir émis par la pièce sous l'effet de l'échauffement d'une zone de la pièce et en ce qu'on commande l'énergie du faisceau laser en fonction de l'intensité du rayonnement de corps noir mesurée. 13 - Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que-1yiesure de l'intensité du rayonnement de corps noir consiste à éliminer par filtrage un rayonnement d'une longueur d'onde correspondant à celle du faisceau laser à partir du rayonnement de corps noir émis par la pièce. 14 - Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que-la commande de l'énergie du faisceau laser consiste à arrêter le chauffage de la zone de pièce lorsque l'intensité du rayonnement de corps noir mesurée atteint un niveau de seuil. 15 - Procédé suivant la revendication i4, caractérisé en ce que-l'arrêt du chauffage de la zone de pièce consiste à arrêter la source de faisceau laser. 16 - Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que l'arrêt du chauffage de la zone de pièce consiste à arr8ter le faisceau laser à l'aide d'un écran.