Brevet FR2538107A1 — publié le 19840622

La présente invention a pour objet un procé- dé et un dispositif de contrôle en ligne de la profon- deur d'une soudure par un faisceau d'impulsions Par contrôle en ligne, on entend que le contrôle s'effec- tue en même temps que l'opération de soudage Elle trouve notamment son application dans le contrôle de soudure de faible épaisseur. L'homme de l'art connait de nombreuses mé- thodes de contrôle de la profondeur d'une soudure Les méthodes les plus courantes reposent sur des techni- ques telles que les ultrasons, les courants de Foucault, la potentiométrie et la spectrométrie d'ab- sorption. Dans la méthode par ultrasons, il est néces- saire d'utiliser une fréquence telle que la propaga- tion des ultrasons, sans perte exagérée, nécessite l'utilisation d'un fluide dit "fluide de couplage' La méthode par ultrasons ne peut donc pas être utilisée dans le cas d'un contrôle en ligne car le fluide de couplage nécessaire à la méthode est détruit par le faisceau de soudage. La méthode par courants de Foucault et la méthode potentiométrique de contrôle de l'épaisseur d'une soudure ont des désavantages communs Ces deux méthodes nécessitent d'approcher près du point de sou- dure des sondes, dans le cas de la méthode de Foucault, ou des électrodes, dans le cas de la méthode potentiométrique Le positionnement précis de ces cap- teurs est difficile à réaliser et peut d'autre part perturber la soudure. La méthode de contrôle de la profondeur d'une soudure par absorption d'une raie fonctionne de la façon suivante: dans une enceinte de soudage o se trouve la pièce à souder et le faisceau de soudage, on place une source de rayonnement monochromatique et on dirige ce rayonnement monochromatique vers le plasma de soudure Cette source monochromatique est générale- ment une lampe à cathode creuse Une fraction du rayonnement émis est absorbée par des particules pré- sentes dans le plasma de soudure, particules qui sont apportées sur la pièce à souder (méthode par traceur) ou qui sont présentes dans la pièce à souder à l'état d'impuretés (méthode par autotraceur) et qui sont li- bérées dans le plasma de soudure par le faisceau de soudage Le nombre de particules libérées, et donc la fraction du rayonnement monochromatique absorbé est proportionnel à la profondeur de la soudure Par com- paraison entre le niveau du signal recueilli et le niveau d'un signal de référence, la profondeur de la soudure est alors évaluée. La source de rayonnement monochromatique ne peut être utilisée en continu En effet, dans ce cas, le signal recueilli dans le moyen optique est consti- tué de la fraction non absorbée du rayonnement mono- chromatique auquel se superpose un rayonnement d'émis- sion du au plasma de soudure Ore l'émission du plasma de soudure est d'un niveau très supérieur à l'émission du rayonnement monochromatique Le signal utile dispa- raît donc dans un bruit de fond et ne peut pas être exploité. Pour remédier à cela, il est nécessaire de découper le signal monochromatique en un faisceau d'impulsions et de procéder à une détection synchrone. Dans le cas du soudage par un faisceau continu, tel qu'un faisceau d'électrons, la fréquence du signal mo- nochromatique est par exemple de 500 Hz Dans le cas du soudage par un faisceau d'impulsions, c'est au ni- veau de chaque impulsion de soudage que la source mo- nochromatique devra émettre un grand nombre d'impul- sions Pour un faisceau d'impulsions de soudage tel qu'un faisceau laser, délivrant par exemple des impul- sions de durée 4 ms toutes les 100 ms, la fréquence des impulsions de la source monochromatique devra être de l'ordre de quelques kilohertz de manière à ce que pendant chaque impulsion du faisceau de soudage, la source monochromatique émette une centaine d'impul- sions L'homme de l'art ne dispose pas de moyens sim- ples permettant de mettre en oeuvre facilement un tel faisceau monochromatique d'impulsions. Aucune méthode de contrôle connue ne permet- donc d'effectuer un contrôle en ligne de la profondeur d'une soudure par un faisceau d'impulsions qui soit simple, fiable et précis Le but de l'invention est précisément de fournir un procédé et un dispositif permettant d'effectuer un tel contrôle. De manière plus précise, l'invention a pour objet un procédé de contrôle en ligne de la profondeur d'une soudure effectuée par un faisceau d'impulsions dans lequel le faisceau d'impulsions crée autour de son point d'impact sur -la pièce à souder -un plasma de soudure qui se caractérise en ce qu'on recueille à chaque impulsion du faisceau de soudage, au moins une raie d'émission du plasma de soudure dans un moyen optique, en ce qu'on convertit l'énergie de ces raies en signaux électriques analogiques, en ce qu'on effec- tue un traitement numérique de ces signaux, en ce qu'on compare les signaux résultant du traitement nu- mérique à des signaux de référence. Selon une caractéristique secondaire, on commande en outre par une boucle de régulation la puissance du faisceau d'impulsions de soudage en ligne par un signal dépendant de la différence entre le ni- veau des signaux résultant du traitement numérique et le niveau des signaux de référence. Cette boucle de régulation permet de réali- ser une soudure de profondeur constante. L'invention a également pour objet un dispo- sitif de contrôle en ligne de la profondeur d'une sou- dure par un faisceau d'impulsions dans lequel la pièce à souder et le moyen de soudage délivrant un faisceau d'impulsions sont contenus dans une enceinte de souda- ge qui se caractérise en ce qu'il comprend au moins une voie de mesure, chacune constituée d'un moyen optique de collection du rayonnement émis par le plas- ma de soudure, ce moyen optique étant situé dans l'en- ceinte de soudage, d'un monochromateur relié au moyen optique par un moyen de transmission, d'un photomulti- plicateur relié au monochromateur et comprenant outre cette voie de mesure, un moyen de traitement des si- gnaux électriques issus des photomultiplicateurs et, un moyen de visualisation des signaux issus du moyen de traitement et un moyen de comparaison de ces si- gnaux avec des signaux de référence. Selon une caractéristique secondaire, le dispositif comprend une boucle de régulation en ligne utilisant un signal, délivré par une sortie du moyen de comparaison commandant l'intensité du faisceau d'impulsions de soudage - Selon une autre caractéristique secondaire, le dispositif se caractérise en ce que chaque moyen optique reçoit l'extrémité d'une fibre optique. L'utilisation de l'extrémité d'une fibre optique comme moyen de réception du rayonnement émis par le plasma permet de limiter l'encombrement dans l'enceinte de soudage. Selon une autre caractéristique secondaire, le dispositif se caractérise en ce que chaque moyen optique comprend des lentilles optiques et des mi- roirs. 2538107 Un moyen optique comprenant des lentilles et des miroirs est plus facile à utiliser qu'un moyen optique comprenant l'extrémité d'une fibre optique, mais il est plus volumineux. Selon une autre caractéristique, le dispo- sitif se caractérise en ce que chaque moyen optique comprend en outre un collimateur, cela permet d amé- liorer la sensibilité du moyen optique. Selon une autre caractéristique, le dispo- sitif dans lequel les voies de mesure sont appariées, comprend un moyen de réglage permettant d'égaliser le rendement optoélectronique des voies de mesure d'une même paire. Le fait d'égaliser le rendement optoélec- tronique de deux voies de mesure autorise à comparer les signaux reçus par chacune des voies, et à faire des corrélations sur les signaux, ce qui améliore la qualité de l'information contenue dans les signaux re- cueillis. Selon un mode particulier de réalisation, le dispositif se caractérise en ce que le moyen de régla- ge est constitué d'une source de rayonnement émettant un même rayonnement dans chacune des voies de mesure d'une même paire. Cette source peut être quelconque, pourvu qu'elle émette un rayonnement d'intensité suffisante pour que le moyen de traitement reçoive un signal de niveau exploitable. Selon une caractéristique secondaire, le dispositif se caractérise en ce que le moyen de trai- tement comprend un moyen de normalisation des signaux reçus des voies de mesure, un enregistreur permettant un traitement différé de ces signaux, un filtre passe- bande, un filtre temporel, un convertisseur analogi- que-numérique et une unité de calcul. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limita- tif, en référence aux figures annexées dans lesquel- les: la figure 1 représente un premier mode de réalisation du dispositif comprenant une seule voie de mesure, la figure 2 représente un autre mode de réalisation du dispositif comprenant deux voies de me- sure et une boucle de contrôle, la figure 3 représente un autre mode de réalisation du dispositif comprenant quatre voies de mesure et une boucle de contrôle, la figure 4 représente un synoptique du moyen de traitement. Sur la figure 1, on a représenté un mode de réalisation du dispositif de contr 8 le comprenant une voie de mesure Dans une enceinte de soudage 2, se trouve la pièce à souder 4 et le moyen de soudage 6 délivrant un faisceau d'impulsions créant autour de son point d'impact sur la pièce à souder 4 un plasma de soudure 8 Le rayonnement 10 émis par ce plasma de soudure 8 est capté, puis transformé en un signal électrique par une voie de mesure comprenant un moyen optique 11 de collection du rayonnement 10 émis par le plasma de soudure 8, un moyen de transmission 14 ache- minant le rayonnement lumineux capté hors de l'encein- te de soudage 2 vers les autres éléments de la voie de mesure, un monochromateur 18 et un photomultiplica - teur 20. Le moyen optique 11 de collection du fais- ceau lumineux 10 issu du plasma de soudure 8 comprend un collimateur 12 permettant de ne recueillir qu'une partie du faisceau issu du plasma de soudure 8 Ceci fl 107 permet une meilleure sensibilité En effets deux plas- mas de soudure de même volume, l'un profond et étroit, l'autre peu profond et large émettent un rayonnement de même intensité L'utilisation d'un collimateur tel que 12 permet de recueillir l'émission d'une surface donnée de plasma et donc de discriminer deux plasmas, l'un profond et l'autre peu profond, l'énergie re- cueillie étant plus intense dans le premier cas que dans le second Le moyen optique 11 comprend en outre un moyen permettant de diriger le faisceau ayant tra- versé le collimateur 12 vers l'entrée du moyen de transmission 14 Dans le cas de la figure, o le moyen de transmission 14 est constitué d'une fibre optique, ce moyen est constitué par l'extrémité 13 de cette fibre optique Pour que le signal transmis par la fi- bre optique 14 protégée par la gaine 16 puisse être comparé a un signal de référence, il faut que les con- ditions opératoires dans lesquelles ce signal a été recueilli soient les mêmes que celles dans lesquelles le signal de référence a été recueilli Il faut donc assurer dans les deux cas un même rendement du moyen optique 12 de collection du rayonnement 10 Cela impo- se notamment que l'extrémité 13 de la fibre optique 14 soit exactement dans la même position dans les deux cas Ceci peut être assuré par un support 22 Si l'on n'est pas sûr que la position de l'extrémité 13 de la fibre optique 14 soit la même lors de la saisie du signal de référence et lors de la saisie du signal on peut remplacer cette extrémité 13 par des moyens opti- ques classiques tels que des miroirs et des lentilles, mais le rendement optique du moyen optique 12 sera dans ce cas un peu moins avantageux. Le monochromateur 18 situé à l'extrémité du moyen de transmission 14 permet de sélectionner une des raies du spectre de l'émission du plasma de soudu- re 8 Cette raie est choisie de manière préférentielle parmi les raies de forte intensité et parmi les raies d'émission des constituants majeurs de la pièce à sou- der 4 Si l'intensité des raies des constituants ma- jeurs de la pièce à souder 4 sature les moyens de mesure, on pourra utiliser les raies d'autres consti- tuants de la pièce à souder 4 Par exemple, si cette pièce à souder 4 est en acier, la raie sélectionnée par le monochromateur 18 pourra être une des raies du fer, du nickel ou du chrome Le -signal monochromatique issu du monochromateur 18 est ensuite appliqué à un photomultiplicateur 20 qui l'amplifie et le convertit en un signal électrique. Ce signal électrique est ensuite appliqué à l'entrée du moyen de traitement 24 qui reçoit en outre sur son entrée 26 un signal dont l'intensité est pro- portionnelle à la puissance du faisceau d'impulsions et un autre signal sur son entrée 28, actif sur le front montant de chaque impulsions de soudage Le si- gnal appliqué sur l'entrée 26 pourra par exemple pro- venir de l'alimentation du moyen de soudage 6 ou d'une fraction du faisceau de soudage détourné par un moyen adéquat Le signal appliqué sur l'entrée 28 est utili- sé comme signal de synchronisation pour le traitement du signal issu de la voie de mesure Le moyen de trai- tement 24 effectue différentes opérations sur le ai- ghal reçu du photomultiplicateur 20, opérations qui seront précisées lors de la description de la figure 4, et il délivre en sortie un ou plusieurs signaux qui peuvent être soit directement envoyés à un moyen de visualisation 30, constitué de manière connue par un écran de visualisation, une table traçante, etc soit vers un moyen de comparaison 32 Ce moyen de com- paraison 28 reçoit donc sur l'une de ses entrées 34 le ou les signaux issus du moyen de traitement 24 et sur d'autres entrées 36 le ou les signaux de référence De la comparaison de ces différents signaux, le moyen de comparaison 28 déduit la profondeur de la soudure réa- lisée Le résultat peut être envoyé vers le moyen de visualisation 30. Sur la figure 2, on a représenté un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Nous ne reprendrons pas en détail les éléments de cet- te figure déjà présents sur la figure précédente Ce dispositif a, par rapport à celui de la figure précé- dente, deux différences importantes Il est muni de deux voies de mesure et le moyen de comparaison 28 délivre en ligne un signal permettant de régler la puissance du moyen de soudage 6 L'utilisation de deux voies de mesure au lieu d'une permet de sélectionner deux raies du plasma de soudure 8 et donc d'obtenir une information de meilleure qualité En effet, il est dès lors possible d'effectuer une corrélation entre les informations recueillies par chacune des voies de mesure Pour que les signaux recueillis par chaque voie de mesure puissent être comparés dans le moyen de traitement 24, il est nécessaire que les deux voies de mesure aient un même rendement optoélectronique Ceci sera mesuré et éventuellement corrigé par un moyen de réglage 38. Le procédé opératoire de ce moyen de réglage 38 est le suivant: le moyen de réglage 38 émet un rayonnement lumineux de forte puissance, par exemple produit par une lampe à xénon, dans chacune des fibres optiques 40 a et 40 b Le faisceau transmis par la fibre a chemine dans la gaine 16 a jusqu'à son extrémité 13 a Elle franchit ensuite le collimateur 12 a, puis le collimateur 12 b et pénètre dans la fibre 14 b par l'ex- trémité 13 b de la gaine 16 b Ce signal traverse ensui- te le monochromateur 18 b, puis le photomultiplicateur b est appliqué sur l'une des entrées du moyen de traitement 24 De la même manière, le signal lumineux cheminant à travers la fibre 32 b se retrouve dans la fibre 14 a et après avoir franchi le monochromateur 18 a et le photomultiplicateur 20 a, se retrouve appliqué sur l'une des entrées du moyen de traitement 24 Le niveau de ces deux signaux appliqués au moyen de trai- tement 24 ou leur différence est ensuite signifié à l'utilisateur par exemple sur le moyen de visualisa- tion 30 L'utilisateur règle alors le gain des mono- chromateurs ou des photomultiplicateurs ou la position de l'extrémité 13 a ou 13 b des fibres optiques, de ma- nière à ce que les deux signaux reçus par le moyen de traitement 24 soient de même niveau d'intensité Le rendement optoélectronique de chacune des voies de me- sure étant égal, le moyen de réglage 38 est arrêté et le soudage peut commercer. Comme dans le mode de réalisation de la fi- gure précédente, le signal monochromatique délivré par chaque voie de mesure est appliqué sur l'une des en- trées du moyen de traitement 24 qui reçoit en outre un signal appliqué sur son entrée 26 proportionnel a la puissance du faisceau d'impulsions du moyen de soudage 6 et un autre signal appliqué sur son entrée 28 qui est activée sur le front montant de chacune des impul- sions du faisceau d'impulsions du moyen de soudage 6. Le moyen de traitement 24 effectue sur ces signaux différentes opérations qui seront décrites plus en détail lors de la description de la figure 4. Le moyen de visualisation 30 est identique à celui du mode de réalisation précédent Le moyen de comparaison 32 reçoit comme dans le mode de réalisation de la fi- gure précédente, sur son entrée 34 un ou plusieurs signaux issus du moyen de traitement 24 d'une part, et sur son entrée 36, un ou plusieurs signaux de référen- ce d'autre part et délivre en sortie des signaux envo- yés vers le moyen de visualisation 30 Il délivre en outre sur une sortie 42 un signal, dépendant du résul- tat de la comparaison effectuée sur les signaux reçus sur chacune de ses entrées, commandant la puissance du faisceau d'impulsions du moyen de soudage 6 Ce signal constitue une boucle de retour et permet de modifier en ligne la puissance du faisceau d'impulsions du moyen de soudage 6. La figure 3 représente un mode de réalisa- tion particulier du dispositif comprenant quatre voies de mesure L'augmentation du nombre de voies de mesure permet d'avoir une meilleure qualité de l'information captée Cependant, il est évident que le coût du dis- positif et l'encombrement dans l'enceinte de soudage 2 croient avec le nombre de voies de mesure Le choix du nombre de voies de mesure sera donc affaire de compro- mis et dépendra des critères que l'on se donne Il n'est pas possible de régler le rendement des voies de * 20 mesure de manière à ce qu'il soit identiques pour tou- tes les quatre En effet, il faudrait alors que chacun des moyens optiques ll de collection des rayonnements lumineux ait pour vis-à-vis tous les autres moyens op- tiques de collection de rayons lumineux Les voies de mesure sont donc simplement appariées Dans le montage représenté sur la figure 3, il est possible de régler à un même niveau le rendement optoélectronique des voies de mesure A et B d'une part, et celui des voies de mesure C et D d'autre part On peut envisager d'utiliser un moyen de réglage tel que le moyen de réglage 38 pour chaque paire de voies de mesure Il est cependant moins coûteux de n'utiliser qu'un seul moyen de réglage 38 pour deux paires de voies de mesu- re ou de manière générale pour N paires de voies de mesure Cela peut se faire, comme il est représenté il sur la figure, en connectant les fibres optiques 40 a et 40 c au même moyen de réglage 38 et en procédant de même pour les fibres optiques 40 b et 40 d Il est évi- dent que ce montage est plus simple que le montage nécessitant autant de moyens de réglage 38 que de pai- res de voies de mesure, mais qu'il est plus difficile à mettre en oeuvre parce qu'il faut s'assurer que deux voies appariées telles que 40 a et 40 b reçoivent la même intensité lumineuse du moyen de réglage 38. La figure 4 représente un tableau synoptique du moyen de traitement 24 Ce moyen de traitement cor- respond à un dispositif ayant deux voies de mesure Le moyen de traitement 24 reçoit sur deux entrées les signaux 51 et 52 issus des voies de mesure Il reçoit également sur son entrée 26 un signal proportionnel à la puissance du faisceau d'impulsions du moyen de sou- dage 6 Il reçoit en outre sur son entrée 28 un signal actif sur le front montant de chaque impulsion du moyen de soudage 6 Ce dernier signal agit comme un signal de synchronisation Les trois premiers signaux sont appliqués sur les entrées d'un circuit de norma- lisation 44 Ces trois signaux peuvent ensuite être dirigés vers un enregistreur 46 pour -permettre un traitement différé Ils sont alors mémorisés en paral- lèle, par exemple sur une bande magnétique Si on dé- sire effectuer un contrôle en ligne, les signaux issus du circuit 44 sont appliqués sur les entrées d'un cir- cuit de filtrage 48 constitué d'un filtre passe-bande ajustable Les signaux issus de ce filtre 48 sont en- suite appliqués sur les deux entrées d'un circuit 50. Ce circuit est une fenêtre temporelle qui permet de ne prélever qu'une partie des signaux présents pendant la durée des impulsions du faisceau d'impulsions du moyen de soudage 6 De manière plus précise, si t 1 et t 2 sont les dates de début et de fin d'une impulsion du faisceau d'impulsions de soudage, la fenêtre temporel- le permet de laisser passer les signaux appliqués en entrée du circuit 50 entre les dates t 3 et t 4, véri- fiant t l t 3 crêtes et intégrales de chacun des signaux sont détec- tées respectivement par les circuits 52 et les cir- cuits 54 Les quatre valeurs obtenues sont ensuite ap- pliquées à l'entrée d'un convertisseur analogique-nu- mérique 56 Ainsi numérisées, il est possible d'effec- tuer sur ces valeurs différents traitements tels que moyenne glissante, c'est-à-dire moyenne sur les N der- nières valeurs d'un signal, somme de signaux, rapport de deux signaux, etc Ces traitements sont effectués par l'unité de calcul 58 qui délivre en sortie un ou plusieurs signaux qui permettront par comparaison avec les signaux de référence, de déterminer la profondeur de la soudure. REVENDICATIONS 1 Procédé de contrôle en ligne de la pro- fondeur d'une soudure effectuée par un faisceau d'im- pulsions dans lequel le faisceau d'impulsions crée au- tour de son point d'impact sur la pièce à souder ( 4) un plasma de soudure ( 8), caractérisé en ce qu'on re- cueille à chaque impulsion du faisceau de soudage, au moins une raie d'émission du plasma de soudure ( 8) dans un moyen optique ( 11), en ce qu'on convertit l'énergie de ces raies en signaux électriques analogi- ques, en ce qu'on effectue un traitement numérique de ces signaux, en ce qu'on compare les signaux résultant du traitement numérique à des signaux de référence. 2 Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'on commande en outre par une boucle de régulation la puissance du faisceau d'impulsions de soudage en ligne par un signal dépendant de la diffé- rence entre le niveau des signaux résultant du traite- ment numérique et le niveau des signaux de référence. 3 Dispositif de contr 8 le en ligne de la profondeur d'une soudure par un faisceau d'impulsions dans lequel la pièce à souder ( 4) et le moyen de sou- dage ( 6) délivrant un faisceau d'impulsions sont con- tenus dans une enceinte de soudage ( 2), caractérisé en ce qu'il comprend au moins une voie de mesure, chacune constituée d'un moyen optique ( 11) de collection du rayonnement émis par le plasma de soudure ( 8), ce moyen optique ( 11) étant situé dans l'enceinte de sou- dage ( 2), d'un monochromateur ( 18) relié au moyen op- tique ( 11) par unr moyen de transmission ( 14), d'un photomultiplicateur ( 20) relié au monochromateur ( 18) et comprenant outre cette voie de mesure, un moyen de traitement ( 24) des signaux électriques issus des pho- tomultiplicateurs ( 20), un moyen de visualisation ( 30) des signaux issus du moyen de traitement ( 24) et un moyen de comparaison ( 32) de ces signaux avec des si- gnaux de référence. 4 Dispositif selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce qu'il comprend une boucle de régula- tion en ligne constituée d'un signal, délivré par une sortie ( 42) du moyen de comparaison ( 32), commandant l'intensité du faisceau d'impulsions de soudage. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que chaque moyen optique ( 11) reçoit l'extrémité d'une fibre op- tique ( 13). 6 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 3 et 4, caractérisé en ce que chaque moyen optique ( 11) comprend des lentilles optiques et des miroirs. 7 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 5 et 6, caractérisé en ce que chaque moyen optique ( 11) comprend en outre un collima- teur ( 12). 8 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 3 à 7, dans lequel les voies de mesure sont appariées, caractérisé en ce-qu'il comprend un moyen de réglage ( 38) permettant d'égaliser le rende- ment optoélectronique des voies de mesure d'une même paire. 9 Dispositif selon la revendication 8, ca- ractérisé en ce que le moyen de réglage titué d'une source de rayonnement émettant un même rayonnement dans chacune des voies de mesure d'une même paire. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à -9, caractérisé en ce que le moyen de traitement ( 24) comprend un moyen de normalisation ( 44) des signaux reçus des voies de mesure, un enre- gistreur ( 46) permettant un traitement différé de ces signaux, un filtre passe-bande ( 48)-, un filtre tempo- rel ( 50), un convertisseur analogique-numérique et une unité de calcul ( 58).