Brevet FR2524213A1 — publié le 19830930

La présente invention concerne de façon géné- rale un appareil de traitement par laser, destiné au trai- tement de divers matériaux tels que des feuilles métalli- ques, et plus précisément, elle concerne un procédé et un appareil de modulation d'un faisceau laser destinés à moduler la répartition de la densité d'énergie du fais- ceau laser, dans un tel appareil de traitement. On sait qu'un faisceau laser, produit par un résonateur laser, peut être utilisé pour le traitement ou la découpe de divers matériaux tels que des feuilles métalliques et, évidemment, on a souhaité effectuer un traitement bien plus précis à l'aide d'un faisceau laser. Bien qu'un résonateur laser pulsé puisse assurer un trai- tement plus précis qu'un résonateur laser à ondes entre- tenues, c'est-à-dire continu, ce type de laser est en- combrant et en conséquent coûteux par rapport à un laser continu de puissance équivalente. L'invention concerne un procédé et un appareil permettant à un faisceau laser d'exécuter un traitement précis sur un matériau tel qu'une feuille métallique. Elle concerne aussi un procédé et un appareil assurant un fonctionnement pulsé d'un faisceau laser à ondes entretenues afin qu'un traitement précis soit assuré. Elle concerne aussi un procédé et un appareil de modulation d'un faisceau laser, permettant une adapta- tion de la répartition d'intensité d'énergie du faisceau à un traitement par laser. Elle concerne aussi un appareil qui peut être utilisé sélectivement pour la commande du fonctionnement pulsé et pour la modulation d'un faisceau d'un laser con- tinu. Plus précisément, l'invention met en oeuvre un dispositif placé sur le passage du faisceau laser pro- venant du résonateur afin que ce passage puisse être pro- gressivement ouvert et fermé. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la descrip- tion qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une élévation latérale d'une machine de traitement laser ayant un appareil de modula- tion de faisceau selon l'invention; la figure 2 est une élévation agrandie suivant les flèches II de la figure 1; la figure 3 est une coupe suivant la ligne III- III de la figure 2; la figure 4 représente la répartition de la densité d'énergie d'un faisceau laser lorsque celui-ci est du type monomode; la figure 5 représente la répartition de la densité d'énergie d'un faisceau laser lorsque celui-ci est de type multimode. La figure 1 représente une machine de traitement par laser qui porte la référence générale i et qui est as- sociée à un résonateur laser 3, tel qu'un laser à C 02 (anhydride carbonique gazeux) Le résonateur 3 qui peut être d'un type disponible dans le commerce, est disposé afin qu'il forme un faisceau laser LB et le dirige vers la machine 1 de traitement comme représenté sur la figure 1; le laser est raccordé directement à l'arrière d'un appareil de découpe par faisceau laser dans le mode de réalisation considéré. La machine 1 de traitement par laser comporte une base 5, un socle 7 disposé verticalement ou fixé à la base 5 et un bras 9 en surplomb supporté horizonta lement au-dessus de la base 5 par le socle 7, en porte- à-faux La base 5 comporte, à sa partie supérieure, une table 11 de travail qui comporte un certain nombre de billes de coulissement sur lesquelles une pièce W telle qu'une feuille métallique est placée horizontalement afin qu'elle puisse être traitée Le bras 9 comporte, à son extrémité avant, un ensemble 13 formant une tête de trai- tement qui comprend un ensemble 15 à miroir et une len- tille 17 de focalisation L'ensemble 15 est destiné à réfléchir le faisceau laser LB provenant du résonateur 3 vers la pièce W et la lentille 17 de focalisation est destinée à focaliser le faisceau laser LB et à l'appli- quer à la pièce W avec un gaz auxiliaire tel que l'oxy- gène gazeux Ainsi, la machine 1 de traitement par le laser ayant la construction précitée est réalisée de manière qu'elle reçoive le faisceau laser LB du résonateur 3 et qu'elle transmette ce faisceau LB à la pièce W par l'inter- médiaire de la lentille 17, dans la tête 13 de traitement comme représenté par la flèche, afin que la pièce W soit traitée. La machine 1 de traitement comporte, pour l'avan- ce et le positionnement de la pièce W à traiter, un premier chariot 19 mobile horizontalement et un second chariot 21 qui porte plusieurs dispositifs 23 de serrage de la pièce W Le premier chariot 19 est monté afin qu'il puisse coulisser sur deux rails 25 qui sont fixés à la partie supérieure de la base 5, parallèlement l'un à l'autre si bien que le chariot peut être déplacé en translation par rapport à la zone de traitement qui se trouve juste au-dessous de la tête 13, lorsque le chariot est entraîné par un mécanisme Le second chariot 21 qui porte les dis- positifs 23 de serrage de pièce est monté de manière qu'il coulisse sur le premier chariot 19 si bien qu'il peut être déplacé horizontalement par un entraînement convena- ble, perpendiculairement aux rails 25 Ainsi, la pièce W qui est serrée par les dispositifs 23 de serrage peut avancer sur la table 11 et venir sous la tête 13, grâce - au déplacement des deux chariots 19 et 21 Dans l'arrangement décrit précédemment, la pièce W peut être traitée par le faisceau laser LB lorsqu'elle est mise en position juste au-dessous de la tête 13 de découpe, sur la table 11 de travail, à l'aide du premier et du second chariot 19 et 21 Evidemment, le faisceau laser LB qui est formé par le résonateur 3, est transmis dans la tête 13 et dirigé vers le bas par l'ensemble 15 à miroir comme représenté par la flèche et est alors ap- pliqué à la pièce W après avoir été focalisé par la len- tille 17, en présence d'un gaz auxiliaire tel que l'oxy- gène gazeux. On se réfère maintenant aux figures 2 et 3 qui représentent un appareil 27 de modulation d'énergie selon l'invention, placé entre un conduit 29 raccordé à la ma- chine 1 de traitement par laser et un conduit 31 raccordé au résonateur 3 afin que le faisceau laser LB puisse y être transmis L'appareil 27 de modulation d'énergie comporte une plaque 33 de base fixée à une partie de la machine 1 de traitement par des supports 35 et 37, et, dans sa partie centrale, un manchon 39 raccordé au conduit 29 et permettant le passage du faisceu laser LB L'appareil 27 de modulation d'énergie comporte aussi une enveloppe 41 de refroidissement qui est formée de deux plaques 43 et 45 raccordées l'une à l'autre par une ou plusieurs entretoises 47 et comportant, dans sa partie centrale, un manchon 49 raccordé au conduit 31 Plus précisément, l'enveloppe 41 de refroidissement est réalisée de manière que les plaques 43 et 45 soient raccordées de façon étan- che par l'entretoise ou les entretoises 47 au manchon 49 qui y passe afin qu'un fluide de refroidissement puisse être contenu à l'intérieur, et elle a des orifices 41 î et 41 o d'entrée et de sortie du fluide de refroidissement. En outre, la plaque 33 de base et l'enveloppe 41 de re- froidissement sont raccordées l'une à l'autre par une ou plusieurs entretoises 51 afin qu'un boîtier soit formé entre elles d'une manière telle que les manchons 39 et 49 sont alignés l'un sur l'autre et forment un passage rectiligne pour le faisceau laser LB Ainsi, le faisceau laser LB transmis au conduit 31 et provenant du résonateur 3 peut passer dans les manchons 49 et 39 et dans le con- duit 29 jusqu'à la tête 13 de traitement de la machine. En outre, il faut noter que l'espace séparant la plaque 33 de base de l'enveloppe 41 de refroidissement reste refroidi grâce à l'enveloppe 41. Comme représenté aussi sur les figures 2 et 3, l'appareil 27 de modulation d'énergie comporte plusieurs disques rotatifs 53, 55, 57 et 59 de découpage de fais- ceau qui comportent chacun plusieurs trous circulaires 53 h, 55 h, 57 h et 59 h respectivement Les disques 53, 55, 57 et 59 de découpe sont supportés afin qu'ils puissent tourner dans l'espace séparant la plaque 33 de base de l'enveloppe 41 de refroidissement, par des arbres 61, 63, 65 et 67 respectivement qui sont disposés horizon- talement et qui sont parallèles les uns aux autres Les trous 53 h, 55 h, 57 h et 59 h des disques 53, 55, 57 et 59 respectivement sont formés à une même distance radiale des arbres 61, 63, 65 et 67 respectivement En outre, les arbres 61, 63, 65 et 67 sont disposés de manière que les disques 53, 55, 57 et 59 se recouvrent en partie et en outre de manière que leurs trous 53 h, 55 h, 57 h et 59 h soient alignés sur le passage du faisceau laser LB entre les manchons 39 et 49 lorsqu'ils tournent En d'autres termes, les disques 53, 55, 57 et 59 de découpe sont dis- posés de manière qu'ils ouvrent et ferment le passage du faisceau laser LB entre les manchons 39 et 49 lorsque les trous 53 h, 55 h, 57 h et 59 h sont mis dans l'alignement des manchons et quittent cet alignement pendant leur ro- tation autour des arbres 61, 63, 65 et 67 En outre, les disques 53, 55, 57 et 59 sont disposés de manière qu'ils placent simultanément ou en synchronisme leurs trous 53 h, h,57 h et 59 h dans l'alignement du passage du faisceau laser LB et hors de cet alignement pendant leur rotation. Dans l'arrangement précité, chaque disque 53, , 57 et 59, lorsqu'il tourne, ouvre et ferme pro- gressivement le passage du faisceau laser LB, depuis sa partie externe, lorsque les trous 53 h, 55 h, 57 h et 59 h sont mis en alignement complet et quittent cet alignement. Cependant, le passage du faisceau laser LB est ouvert progressivement en direction radiale à partir du centre et est fermé progressivement en direction radiale à par- tie de la périphérie externe car les quatre disques 53, , 57 et 59 placent leurs propres trous 53 h, 55 h, 57 h et 59 h respectivement dans 1 talignemrert du passage et hors de cet alignement, dans quatre directions diffé- rentes Ainsi, lorsque les disques 53, 55, 57 et 59 tour- nent, la partie centrale du passage du faisceau laser LB s'ouvre plus longtemps que la partie externe, si bien que la partie externe du faisceau laser LB qui a une moin- dre densité d'énergie a une plus faible énergie après passage du faisceau laser LB dans l'appareil 27 de modula- tion d'énergie En outre, lorsque les disques 53, 55, 57 et 59 tournent, le faisceau laser LB est découpé et pulsé par les disques si bien qu'il est transmis par in- termittence sous forme d'impulsions provenant du résona- teur 3 et transmises à la tête 13 de traitement A cet égard, on peut facilement comprendre que le nombre de disques de découpe peut être modifié, par augmentation ou réduction du nombre selon l'invention, bien que quatre disques 53, 55, 57 et 59 de découpe soient représentés dans ce mode de réalisation avantageux. Comme l'indique la figure 3, les arbres 61, 63, 65 et 67 des disques 53, 55, 57 et 59 tourillonnent dans des paliers 69 qui sont placés à la face externe de la plaque 33 de base et sur une plaque 71 de support fixée verticalement au manchon 39 et autour de celui- ci, à une certaine distance de la plaque 33 de base Plus précisément, les arbres 61, 63, 65 et 67 sont maintenus horizontalement de manière qu'ils tournent entre les pla- ques 33 et 71, à l'aide des paliers 69 En outre, comme l'indiquent les figures 2 et 3, les arbres 61, 63, 65 et 67 portent des poulies 73 x 75, 77 et 79 autour des- quelles passe une courroie sans fin 81 qui est destinée à entraîner les disques 53, 55, 57 et 59 Les poulies 73, 75, 77 et 79 ont un même diamètre et sont fixées aux arbres 61, 63, 65 et 67 respectivement de manière qu'elles puissent tourner avec eux entre les deux plaques 33 et 71. La courroie 81 est maintenue sous tension par une roue folle 83 qui peut tourner librement et qui est portée par la plaque 71, et elle est disposée de manière qu'elle puisse être réglée par un dispositif convenable, tel qu'un arbre excentrique, permettant le réglage de la ten- sion de la courroie 81 En outre, l'arbre 61 est relié par un accouplement 85 à un moteur 87 qui est monté sur la plaque 33 de base par l'intermédiaire d'une base 89 de support de moteur et d'un support 91 Ainsi, lorsque le moteur 87 est mis en fonctionnement, l'arbre 61 est entraîné par le moteur 87 non seulement afin qu'il fasse tourner le disque 53 directement mais aussi afin qu'il fasse tourner les disques 55, 57 et 59 par l'intermé- diaire de la poulie 73, de la courroie 81, des poulies , 77 et 79 et des arbres 63, 65 et 67 Il faut évidem- ment noter à cet égard que le moteur 87 peut être réali- sé afin qu'il soit raccordé à l'un quelconque des arbres 63, 65 et 67 à la place de l'arbre 61, dans le cadre de l'invention, bien que, dans le mode de réalisation avanta- geux considéré, il entraîne l'arbre 61. Comme l'indique aussi la figure 3, un commuta- teur 93 de proximité est placé sur une partie de la pla- que 33 en face de la trajectoire ou du trajetsuivi par les trous 59 h du disque 59, lors de la rotation de celui-ci. Ce commutateur 93 est disposé afin qu'il détecte la rota- tion du disque 59 par détection du nombre de trous 59 h passant à son niveau, et il règle ainsi les rotations des disques 53, 55, 57 et 59 à une valeur fixée Il ap- parait clairement que les rotations des disques 53, 55, 57 et 59 peuvent être commandées par détection de la rota- tion du seul disque 59 puisque tous les disques sont en-. traînés simultanément ou en synchronisme par le moteur 87 par l'intermédiaire de la courroie 81 Il apparaît aussi clairement que le commutateur 93 de proximité peut être monté afin qu'il détecte le nombre de trous 53 h, h ou 57 h d'un disque 53, 55 ou 57 respectivement, à la place des trous 59 h du disque 59. Comme l'indique en outre la figure 3, un ergot de fixation qui a un bouton 95 N à une extrémité et qui a des gorges annulaires 95 ga et 95 gb, est placé sur la plaque 33 de base afin qu'il assurele maintien des dis- ques 53, 55, 57 et 59 en position d'arrêt à volonté Cet ergot 95 peut coulisser horizontalement dans un support 97 en forme de manchon afin qu'il puisse se déplacer à travers la plaque 33 et puisse venir pénétrer dans les trous 53 h du disque 53 ou en sortir, lorsqu'il est 'poussé ou tiré à la main Le support 97 en forme de manchon est monté sur la plaque 33 de base et a un plongeur 97 à bille qui est maintenu élastiquement repoussé vers l'ergot 95 de fixation afin qu'il puisse être mis alternativement en contact avec l'une ou l'autre des gorges annulaires ga et 95 gb La disposition est telle que l'ergot 95 est en coopération avec l'un des trous 53 h du disque ou n'est pas en coopération avec un tel trou lorsque le plon- geur 99 est en coopération avec la gorge 95 ga ou 95 gb respectivement Plus précisément, l'ergot 95 est maintenu à distance du disque 53 lorsque le plongeur 99 est en coopération avec la gorge annulaire 95 gb, et il est main- tenu dans un trou 53 h du disque 53 lorsque le plongeur 99 est en coopération avec la gorge annulaire 95 ga Ainsi, le disque 53 est maintenu arrêté par l'ergot 95 et ne peut pas tourner lorsque cet ergot est introduit dans l'undes trous 53 h, le plongeur 99 coopérant avec la gorge annulaire 95 ga, mais le disque peut tourner librement lorsque l'ergot 95 est maintenu à distance du disque, le plongeur 99 étant en coopération avec la gorge annu- laire 95 gb Ainsi, tous les disques 53, 55, 57 et 59 peu- vent être maintenus simultanément arrêtés ensemble, alors cue seul le disque 53 est arrêté, puisqu'ils sont reliés par la courroie 81 qui passe sur les poulies 73, 75, 77 et 79 En outre, on note facilement que l'ergot 95 peut être disposé afin qu'il pénètre dans les trous 55 h, 57 h ou 59 h des disques 55, 57 ou 59 à la place du trou 53 h du disque 53 En outre, l'ergot 95 peut être disposé de manière qu'il passe simultanément dans deux trous de deux des disques 53, 55, 57 et 59 puisque deux disques voisins choisis parmi les quatre disques 53, 55, 57 et 59 se re- couvrent en partie avec des trous alignés horizontalement. On se réfère maintenant à la figure 4 qui re- présente graphiquement la répartition de la densité d'éner- gie I (exprimée en W/cm 2) du faisceau laser LB dans le cas d'un laser monomode, en fonction du rayon r (exprimé en cm) du faisceau laser LB, c'est-à-dire la distance au centre du faisceau laser LB La répartition de la den- sité d'énergie du faisceau laser LB représentée sur la figure 4 est déterminée dans le plan focal, c'est-à-dire perpendiculairement à la direction du faisceau laser LB dans la partie dans laquelle ce faisceau est focalisé par la lentille 17 Sur la figure 4, la courbe 4 repré- sente la répartition de la densité d'énergie du faisceau LB d'un laser continu de 900 W de puissance, et la courbe C représente la répartition de la densité d'énergie du faisceau LB dans le cas ou la puissance continue de sortie est de 300 W Il faut noter que la figure 4 représente la répartition de la densité d'énergie du faisceau LB par unité de temps d'une seconde. La densité d'énergie I est représentée de façon générale par la formule suivante ( 1) en fonction du rayon r: I = 10 exp (-2 r 2/r 2) ( 1) dans laquelle I O désigne la densité d'énergie du fais- ceau focalisé, r-la distance mesurée à partir du centre du faisceau et dans le plan focal, et r O le rayon de la tache formée par le faisceau au niveau du foyer. En outre, l'énergie obtenue P(W) est donnée par les formules suivantes ( 2) et ( 3), dans le volume de révolution décrit par rotation de la courbe A autour de l'axe longitudinal I de la figure 4: I P = f oÂr 2 d I ( 2) o P = T Tr 2 I /2 ( 3) Io 2 2 P/Âro( ( 4) Le diamètre do de la tache formée par le faisceau au foyer est donné de façon générale par la formule sui- vante ( 5): do = 2 ro = 41 f/Â/D O 5) dans laquelle D O désigne le diamètre du faisceau inci- dent, X la longueur d'onde du faisceau incident et f la distance focale de la lentille. On se réfère maintenant à la figure 4 sur la- quelle la courbe B représente la densité moyenne d'énergie du faisceau LB d'un laser continu de 900 W de puissance, obtenue par utilisation de l'appareil de modulation 27 selon l'invention Dans une expérience, la puissance réelle du faisceau laser LB de puissance continue égale à 900 W est réduite à 300 W par l'appareil 27 de modulation selon l'invention Cependant, la densité maximale d'énergie du faisceau laser LB obtenue dans l'expérience est pra- tiquement égale à la densité maximale d'énergie I O du faisceau LB ayant une puissance continue de 900 W, obtenue par utilisation des formules précitées ( 4) et ( 5) Il faut noter qu'un volume de révolution décrit par rotation de la courbe B est égal au volume de révolution obtenu par rotation de la courbe C, puisque les signaux de sor- tie représentés par les courbes B et C sont égaux Comme représenté sur la figure 4, la densité maximale d'énergie du faisceau laser LB représentée par la courbe B garde la même valeur que la courbe A bien que la puissance to- tale ait été réduite par rapport à la valeur d'origine * de 900 W La densité d'énergie du faisceau laser LB repré- sentée par la courbe B de la figure 4 est répartie symé- triquement par rapport à l'axe longitudinal I puisque le passage du faisceau LB est ouvert progressivement depuis le centre et est fermé progressivement depuis la partie externe des disques 53, 55, 57 et 59 comme décrit précédem- ment En outre, la densité d'énergie du faisceau laser LB, représentée par la courbe B, est modifiée par l'appa- reil 27 de modulation selon l'invention de manière que son profil soit plus pointu si bien que le faisceau laser LB peut exécuter un traitement précis Il faut noter que le faisceau LB peut assurer un traitement précis sans influence thermique indésirable puisque la partie péri- phérique du faisceau LB, ayant une plus faible densité d'énergie, est éliminée par l'appareil 27 de modulation selon l'invention. On se réfère maintenant à la figure 5 qui re- présente la répartition de la densité d'énergie I d'un faisceau laser multimode LB, sous une forme graphique, en fonction du rayon r, de la même manière que pour le laser monomode représenté sur la figure 4 La courbe B représente la répartition d'énergie du faisceau laser LB de puissance continue égale à 900 W, et la courbe F représente la répartition de densité d'énergie du fais- ceau LB lorsque la puissance continue de sortie est de 300 W La courbe E représente la répartition obtenue lors- que le faisceau laser LB, d'une puissance continue de 900 W, est modulé par l'appareil selon l'invention. Comme décrit précédemment, le faisceau laser LB a un fonctionnement pulsé et est modulé par l'appa- reil de modulation d'énergie selon l'invention si bien que la partie externe de plus faible densité d'énergie peut être réduite sans modification de la densité maxi- male d'énergie dans la partie centrale Ainsi, le fais- ceau laser LB qui a traversé l'appareil 27 de modulation selon l'invention est appliqué par intermittence sous forme d'impulsions à la pièce W qui doit être traitée, sous une forme bien définie et par l'intermédiaire de la tête 13 de traitement, avec une densité élevée d'éner- gie mais sans chauffage indésirable si bien que la pièce W peut être traitée avec précision Cependant, il faut noter que le faisceau laser LB peut être directement ap- pliqué à la pièce W sans être pulsée et modulé par l'ap- pareil 27 lorsqu'un traitement précis n'est pas souhai- table. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de modulation d'un faisceau laser, ca- ractérisé en ce qu'il comprend la modification de la ré- partition de la densité d'énergie du faisceau laser par fermeture et ouverture du passage du faisceau provenant d'un résonateur laser. 2 Appareil de modulation ( 27) d'un faisceau laser (LB), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de modulation destiné à fermer et ouvrir un passage du fais- ceau laser (LB) provenant d'un résonateur ( 3), et un dis- positif ( 91) d'entraînement du dispositif de modulation. 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de modulation comporte plusieurs dispositifs rotatifs ( 53, 55, 57, 59) qui peuvent tourner afin qu'ils se déplacent transversalement au passage du faisceau laser (LB) provenant du résonateur ( 3), ces dis- positifs rotatifs ayant plusieurs ouvertures ( 53 h, 55 h, 57 h, 59 h) ou encoches permettant le passage du faisceau laser. 4 Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de fixation ( 95) des- tiné à maintenir les dispositifs rotatifs ( 53, 55, 57, 59) en position fixe afin qu'ils ne tournent pas. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un disposi- tif