Brevet FR2558250A1 — publié le 19850719

La présente invention concerne un procédé de visualisation de discontinuités de surface, l'application d'un tel procédé au positionnement d'un organe tel qu'une torche de soudage par rapport à une discontinuité de surface, au suivi de joint, au contrôle de la hauteur de torche et au contrôle d'un apport de soudure lors d'une opération de soudage multipasses, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Bien qu'elle ne soit pas limitée à cette application, l'invention est particulièrement adaptée au soudage automatique de deux tôles bord à bord, en une ou plusieurs passes, à l'aide d'une torche de soudage. Lorsqu'on envisage de réaliser de façon automatique, par exemple à l'aide d'un robot, le soudage en continu de deux pièces définissant entre elles un joint de forme quelconque, il est nécessaire de tenir compte à la fois de la forme de ce joint et des déformations des pièces en cours de soudage qui peuvent résulter notamment de l'échauffement local de ces pièces. Si l'on peut envisager sans trop de difficulté de tenir compte du caractère sinueux du joint, par exemple en effectuant un apprentissage préalable, il nten est pas de même en ce qui concerne les déformations des pièces en cours de soudage qui nécessitent de pouvoir disposer d'un dispositif permettant à tout instant de corriger automatiquement la trajectoire de la torche. Dans l'état actuel de la technique, on connait des dispositifs permettant de contrôler à tout instant le suivi du joint au moyen de capteurs de type mécanique qui sont maintenus en permanence en contact avec les deux pièces à souder. Ces dispositifs ne sont pas satisfaisants, d'une part, parce qu'ils présentent un encombrement peu compatible avec leur utilisation sur une machine automatique dans laquelle la place disponible est relativement limitée, et d'autre part, parce qu'ils sont très imprécis et, de ce fait, mal adaptés à un soudage de précision. En outre, lors du soudage multipasses, ces dispositifs ne permettent pas de déterminer l'apport de soudure qui doit être fait lors des dernières passes. On connaît aussi des dispositifs permettant de réaliser le suivi automatique d'un joint sans contact avec la surface des pièces. Ces dispositifs utilisent des détecteurs à courants de Foucault dont les signaux permettent, après traitement, d'assurer un positionnement précis de la torche et de calculer l'apport de soudure lors du soudage multipasses. Bien que ces dispositifs à courants de Foucault soient sensiblement plus performants que les dispositifs mécaniques à contact, ils ont pour inconvénient que l'orientation des bobines à courants de Foucault constituant le détecteur doit être modifiée selon l'orientation relative des surfaces des pièces à souder.De plus, des signaux significatifs ne peuvent être obtenus que lorsque les bobines sont placées à proximité immédiate des surfaces, ce qui conduit à un échauffement nécessitant d'effectuer des corrections en température et à un encombrement peu souhaitable de la zone la plus proche de la torche. Enfin, l'utilisation des dispositifs à courants de Foucault ne peut être envisagée que lorsque les pièces à souder sont des pièces métalliques. La présente invention a précisément pour objet un procédé et un dispositif permettant de visualiser des discontinuités de surface telles qu'un joint formé entre deux pièces à souder et ne présentant pas les inconvénients des dispositifs de la technique antérieure. A cet effet et conformément à l'invention, il est proposé un procédé de visualisation de discontinuités de surface, caractérisé en ce qu'il comprend les - balayer, à l'aide d'un faisceau de lumière monochro matique un secteur circulaire compris dans un plan faisant avec ladite surface un angle aigu donné, de telle sorte que ce secteur circulaire coupe la surfa ce transversalement à la discontinuité pour former une image sur ladite surface, - détecter cette image à l'aide d'un senseur placé au dessus de 1 image et délivrant des signaux représen tatifs de l'intensité et des coordonnées de chacun des points de cette image par rapport à un repère de référence fixe, - traiter ces signaux selon la valeur dudit angle, de manière à reconst-ituer le profil de la surface au voisinage de la discontinuité. De préférence, on module selon une fréquence donnée l'intensité Lumineuse dudit faisceau, de façon à transformer ce dernier en une suite d'impulsions, et on retranche de l'intersité des signaux correspondant à au moins une impulsion du faisceau l'intensité des signaux correspondant à au moins un intervalle séparant deux impulsions, de façon. à supprimer la lumière parasite ambiante. L'utilisation d'un procédé optique permet d'éviter à la fois les inconvénients des dispositifs mécaniques avec contact et des dispositifs à courants de Foucault sans contact selon la technique antérieure. En particulier, on ut réaliser un positionnement précis de la torche e déterminer l'apport de soudure à effectuer lors des ornières passes au cours d'un soudage multipasses. ;e plus, un tel procédé peut être utilisé quelle que soit la nature du matériau constituant les pièces a souder et il ne nécessite aucune modification lorsque l'orientation des surfaces des pièces varie. Enfin, il peut être disposé à une distance du joint beaucoup plus grande que les dispositifs existants, pouvant aller jusqu'à 20 ou 30 cm. L'invention concerne également une application de ce procédé au positionnement d'un organe tel qu'une torche de soudage par rapport à une discontinuité de surface telle qu'un joint formé entre deux pièces à souder, cette application étant caractérisée en ce qu'on compare les coordonnées de la discontinuité du profil reconstitué aux coordonnées que l'on souhaite obtenir, pour établir des signaux de correction, et en ce qu'on commande le positionnement dudit organe en fonction de ces signaux de correction. L'invention concerne aussi une application de ce procédé au contrôle d'un apport de soudure lors d'une opération de soudage multipasses, cette application étant caractérisée en ce qu'on détermine l'apport de soudure à effectuer à partir du profil reconstitué et en ce qu'on réalise une passe de soudure en effectuant l'apport ainsi déterminé. Enfin, l'invention a pour objet un dispositif de visualisation de discontinuités de surface, caractérisé en ce qu'il comprend une source émettant un faisceau de lumière monochromatique, des moyens de déviation dudit faisceau aptes à faire balayer par ce dernier un secteur circulaire compris dans un plan faisant avec ladite surface un angle aigu donné, de telle sorte que le secteur de balayage coupe ladite surface transversalement à la discontinuité, un senseur de position disposé au-dessus de l'image formée sur ladite surface par le faisceau, ce senseur délivrant des signaux représentatifs de l'intensité et des coordonnées de chacun des points de l'image par rapport à un repère de référence, et des moyens de traitement de ces signaux sensibles à la valeur dudit angle pour reconstituer le profil de la surface au voisinage de la discontinuité. Selon une autre caractéristique de l'invention, ce dispositif comprend de plus des moyens pour moduler selon une fréquence donnée l'intensité lumineuse du faisceau, de façon à transformer ce dernier en une suite d'impulsions, et des moyens pour calculer la différence entre l'intensité des signaux émis par le senseur, selon qu'ils correspondent ou non à une impulsion du faisceau. De préférence, le dispositif selon l'invention comprend de plus un filtre interférentiel disposé devant le senseur de position, centré sur la longueur d'onde du faisceau émis par ladite source et de largeur réduite. Des moyens de focalisation peuvent également être placés, d'une part, entre ladite surface et le senseur de position et, d'autre part, entre les moyens de déviation et la source de lumière. Selon une autre caractéristique de l'invention, le plan dans lequel est compris le secteur angulaire fait avec ladite surface un angle compris entre 450 et 600. Lorsque cet angle est de 450, l'image observée par le senseur de position est identique ou semblable au profil de la surface. Lorsqu'on augmente cet angle, on diminue la sensibilité du dispositif. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'invention en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective illustrant de façon schématique le principe de fonctionnement du dispositif de visualisation selon l'invention, la fi gure la représentant l'image observée par le senseur de ce dispositif, et - la figure 2 illustre de façon schématique l'asservis sement d'une torche de soudage au suivi d'un joint formé entre deux pièces à souder, au moyen du dispo sitif de la figure 1. On a représenté sur la figure 1 deux pièces à souder bord à bord 10 et 12 formant entre elles un joint 14 de forme quelconque. Comme cela est d'usage mais non nécessaire pour ce type de soudage, les pièces 10 et 12 présentent au niveau du joint 14 des bords biseautés 10a et 12a aptes à recevoir l'apport de soudure. Conformément à l'invention, on a également représenté sur la figure 1 un dispositif de visualisation du défaut de surface que constitue le joint 14, et notamment les parties biseautées 10a et 12a, par rapport aux faces supérieures des pièces 10 et 12. Ce dispositif de visualisation comprend une source 16 de lumière monochromatique constituée dans le mode de réalisation représenté par un laser He Ne de 5 mW émettant un faisceau de lumière monochromatique non polarisée, dont la longueur d'onde est de 633 nm. Bien entendu, la source 16 pourrait être constituée par toute autre source de lumière monochromatique, non nécessairement dans le domaine visible, émettant dans une direction privilégiée, et notamment pat une diode laser. Le faisceau de lumière monochromatique émis par le laser 16 traverse un dispositif 18 permettant de moduler son intensité selon une fréquence donnée, de façon à transformer le faisceau en une suite d'impulsions. En d'autres termes, le dispositif 18 permet de moduler l'amplitude de l'intensité lumineuse du faisceau à 100%, c'est-à-dire que le dispositif arrête com plètement ou laisse passer en totalité la lumière avec une fréquence de modulation fixe. Ce dispositif 18 peut notamment être constitué par un modulateur acousto-optique dont la fréquence de modulation peut aller jusqu'à 1 MHz. Le dispositif 18 pourrait aussi être constitué par un shopper mécanique ou, lorsque la source 16 est constituée par une diode laser, par un circuit électronique autorisant le fonctionnement de cette diode en impulsion, l'ensemble constitué par la source 16 et par le dispositif 18 constituant alors un laser fonctionnant en impulsion. Le faisceau lumineux modulé 20 sortant du dispositif 18 est ensuite dirigé sur des moyens de déviation 22 au-delà desquels le faisceau 24 balaye un secteur circulaire d'angle 2@, compris dans un plan P faisant avec la surface des pièces 10 et 12 un angle aigu ~ donné. Dans le mode de réalisation représenté, le moyen de déviation 22 est constitué par un miroir galvanométrique, c'est-à-dire par un miroir monté sur un galvanomètre dans lequel on fait passer un courant dont l'amplitude varie en dents de scie afin d'assurer la rotation du miroir 6d'un angle e et, en conséquence, la rotation du faisceau lumineux 24 d'un angle 2e. Bien entendu, ce moyen de déviation 22 pourrait être constitué par tout moyen equivalent et notamment par un miroir polygonal tournant ou par un déflecteur acoustooptique. Dans l'application du dispositif selon l'invention à la visualisation du joint 14 séparant les deux pièces 10 et 12 à souder, on s'arrange dans la mesure du possible pour que l'intersection 26 du secteur de balayage du faisceau 24 avec la surface des pièces 10 et 12 soit sensiblement perpendiculaire au joint 14 et centrée sur celui-ci. A cet effet, comme on l'a représenté sur la figure 1, le faisceau lumineux venant se réfléchi sur le miroir 22 peut notamment être parallèle à la surface des pièces et orthogonal au joint 14. L'axe de pivotement du miroir 22, référencé en XX' sur la figure i, est alors disposé dans le plan perpendiculaire à la surface des pièces et passant par le joint 14, perpendiculairement au plan de balayage P que l'on désire obtenir et au faisceau incident 20. Bien entendu, cette disposition n'est pas limitative et toute autre disposition géométrique permettant d'obtenir le résultat souhaité rentre dans le cadre de la présente invention. L'angle ~ formé par le plan P avec les surfaces des pièces est un angle aigu dont la valeur est fixée selon la profondeur des discontinuités de surface que l'on souhaite visualiser et de manière à obtenir une image relativement nette de l'impact du faisceau laser 24 sur la surface des pièces. Un compromis acceptable de ces deux conditions conduit à choisir pour l'angle ~ une valeur voisine de 450, ce qui permet en outre, comme on le verra ultérieurement, de visualiser une image identique ou semblable au profil de la surface au niveau de son intersection 26 avec le plan P. Lorsque la profondeur des discontinuités que l'on désire visualiser est suffisamment importante, on peut donner à l'angle ~ une valeur supérieure à 450 et pouvant aller jusqu'à 600. On obtient alors une image plus nette sur la surface des pièces. De préférence, des moyens de focalisation constitués par un composant optique d'un type connu (non représenté) réalisent une focalisation convenable du faisceau lumineux 20 sur la surface des pièces. Ce composant optique est disposé entre le faisceau lumineux 20 et le moyen de déviation 22. Le dispositif de visualisation selon l'invention comprend de plus un senseur de position 28 disposé à la verticale de l'intersection 26 du plan P avec la surface des pièces, de façon à observer les taches lumineuses formées par l'intersection du faisceau laser 24 avec la surface des pièces lorsqu'il se déplace selon l'angle 29. Ce senseur de position est un capteur optoélectronique tel qu'une photodiode de type PIN. De façon plus générale, lorsque les surfaces des tôles à souder ne sont pas dans un même plan, le senseur 28 est situé aussi proche que possible d'une position définie par le plan perpendiculaire au joint 14 et sur la bissectrice de l'angle formé par les deux tôles. Etant donné que le faisceau lumineux 20 et, par conséquent, le faisceau lumineux 24 sont constitués d'une suite d'impulsions, l'image formée sur les surfaces des pièces 10 et 12 par le balayage du faisceau 24 selon l'angle 2Q est constituée d'une succession de taches lumineuses disposées selon l'intersection 26 de la figure 1. Compte tenu de la diSposition du senseur 28 verticalement au-dessus de l'intersection 26, et de l'inclinaison selon l'angle ~ du plan de balayage P, l'image observée par le senseur 28 est du type de celle qu'on a représenté en 26' sur la figure la. Lorsque l'angle 0 est égal à 450, on comprend que cette image est identique ou semblable au profil de la surface dans la partie balayée par le faisceau lumineux 24. Afin que 11 image de la zone balayée par la tache lumineuse résultant de l'intersection du faisceau 24 avec la surface des pièces se forme sur le senseur de position 28, on prévoit une optique de focalisation 30 d'un type connu entre la surface des pièces et le senseur 28. Le senseur de position 28 comprend une partie électronique délivrant en permanence des signaux représentatifs des coordonnées x et y de chacune des taches lumineuses de l'image formée sur le senseur et de l'intensité de cette tache. Les coordonnées des taches lumineuses sont déterminées par rapport à un repère de référence orthonormé Oxyz associé à une partie fixe. A un instant donné, chacune des taches lumineuses formées sur le senseur 28 est composée, d'une part, de la lumière ambiante (lumière du jour, lampe à incandescence, etc...) et de la lumière parasite (arc de soudure, etc...) et, d'autre part, de la lumière apportée par l'impact du faisceau laser. Etant donné que le laser fonctionne en impulsion, l'intensité lumineuse de chacun des points formés sur le senseur de position 28 est représentative, au niveau de chaque tache lumineuse, de l'information correspondant à la lumière parasite ambiante plus l'impact du faisceau laser et, en dehors de ces taches, de l'information correspondant uniquement à la lumière parasite ambiante.En calculant la différence entre l'intensité lumineuse observée au niveau de chacune des taches et l'intensité lumineuse entre les taches, on supprime ainsi l'influence de la lumière parasite ambiante dans la mesure où cette lumière ne varie pas entre les deux instants de la mesure et en l'absence de bruit électronique du capteur. Afin d'améliorer encore le rapport signal sur bruit, on dispose de préférence devant le senseur de position 28 un filtre interférentiel 32 centré sur la longueur d'onde de la source lumineuse 16 et de largeur aussi réduite que possible (5 à 10 nm). Ce filtre interférentiel 32 atténue considérablement les autres longueurs d'ondes et élimine dans un rapport supérieur à 100 toute contribution lumineuse extérieure à la plage choisie. Il permet ainsi de s'affranchir en grande partie de la lumière parasite émise par la torche de soudage. Comme l'illustre notamment la figure 2, l'ensemble 38 des éléments qui viennent d'être décrits est supporté par une platine 34 qui est de préférence solidaire de la torche de soudage 36. La platine 34 est montée sur un porteur (non représenté) mobile selon trois directions orthogonales x, y et z. La commande de chacun de ces mouvements est obtenue à l'aide des mo teurs Mx, M et Mz Le porteur permet à la torche de y soudage 36 et au dispositif de visualisation 38 de se déplacer le long du joint 14 formé entre les pièces. A tout instant, on peut ainsi associer à la platine 34 des coordonnées x,y et z par rapport au système fixe de coordonnées Oxyz (figure 1).Dans le mode de réalisation représenté à titre d'exemple, Ox correspond à une direction perpendiculaire au joint et tangent à la surface, Oy à une direction parallèle au joint et Oz à une direction normale à la surface. Comme on l'a représenté schématiquement sur la figure 2, le fonctionnement du dispositif de visualisation 38 est controlé par un ensemble de commande électronique 40 permettant de coordonner le fonctionnement du dispositif de modulation 18 des moyens de déviation 22 et du senseur de position 28 L'ensemble de commande électronque 40 commande de plus un ensemble de calcul 42 pouvez être constitué notamment par un micro-ordinateur. Cet ensemle de calcul 42 est sensible aux signaux délivrés par le senseur de position 28 pour émettre des signaux de correction des coordonnées de la platine 34 tels que ax, ty et az et/ou des signaux A représentatifs de l'apport de soudure à effectuer au moyen de la torche 36 lors d'une opération de soudage multipasses. A cet effet, l'ensemble de calcul 42 reconstitue selon la pleur de l'angle ~ et en réponse aux signaux émis p r le senseur 28, le profil de la surface au voisinage de la discontinuité, puis il détermine selon le cas les signaux lx, ay, hz et/ou A. Si l'on se réfère à nouveau à la figure 1, on comprend que le dispositif de visualisation selon l'invention permet, l'angle ~ étant connu, de connaitre pratiquement directement la position de ce dispositif et, par conséquent, de la torche de soudage par rapport à la discontinuité observée, selon les coordonnées x, y et z. La différence entre ces coordonnées réelles et les coordonnées souhaitées permet d'obtenir sans difficulté les valeurs des corrections ax, ay et hz à apporter selon les directions correspondantes. En ce qui concerne la variation de hauteur de la platine 34 et, par conséquent, de-la torche de soudage 36, elle s'effectue selon la direction z dans le cas du repère de référence représenté sur la figure 1. En pratique, lorsque cette hauteur z diminue ou augmente, on observe sur le senseur de position 28 un déplacement de l'image selon la direction du joint 14, c'est-à-dire selon l'axe y. Il en résulte que la valeur de la hauteur z et de la correction az à apporter peut être déterminée dans l'ensemble de calcul 42 à partir de l'observation de ce déplacement selon l'axe Oy de l'image formée sur le senseur 28. Enfin, étant donné que l'image formée sur le senseur de position 28 constitue une image identique ou semblable au profil de la pièce observée, il est aussi possible à l'aide de l'ensemble de calcul 42 de déterminer l'apport de soudure qu'il est nécessaire d'effectuer à l'aide de la torche 36 pour réaliser la dernière passe de soudure lors d'une opération de soudage multipasses. Afin de supprimer la contribution de la lumière du jour et de la lumière des lampes à incandescence, on peut intercaler dans le circuit de mesure un filtre passe haut de 200 Hz ainsi qu'un filtre réjecteur de 100 Hz. De façon comparable, pour bénéficier au maximum de la quantité de lumière émise par le laser, on peut disposer un filtre intégrateur ou passe-bas qui limite le bruit au niveau du capteur. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. En particulier, le dispositif de visualisation selon l'invention pourrait être utilisé dans une application différente de l'application au suivi d'un joint à souder, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de visualisation de discontinuités de surface, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - balayer, à l'aide d'un faisceau de lumière monochro matique (24) un secteur circulaire (2e) compris dans un plan (P) faisant avec ladite surface un angle aigu (~) donné, de telle sorte que ce secteur circulaire coupe la surface transversalement à la discontinuité (14) pour former une image (26) sur ladite surface, - détecter cette image à l'aide d'un senseur (28) placé au-dessus de l'image (26) et délivrant des signaux représentatifs de l'intensité et des coordonnées de chacun des points de cette image par rapport à un repère de référence fixe (Oxyz), - traiter ces signaux selon la valeur dudit angle, de manière à reconstituer le profil de la surface au voisinage de la discontinuité. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on module selon une fréquence donnée, l'intensité lumineuse dudit faisceau (24), de façon à transformer ce dernier en une suite d'impulsions, et en ce qu'on retranche de l'intensité des signaux correspondant à au moins une impulsion du faisceau l'intensité des signaux correspondant à au moins un intervalle séparant deux impulsions, de façon à supprimer la lumière parasite ambiante. 3. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 au positionnement d'un organe (36) par rapport à une discontinuité de surface, caractérisée en ce qu'on compare les coordonnées de la discontinuité du profil reconstitué à des coordonnées souhaitées, pour établir des signaux de correction ( x, ay, #z) et en ce qu'on commande le positionnement dudit organe en fonction de ces signaux de correction. 4. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, au contrôle d'un apport de soudure lors d'une opération de soudage multipasses, caractérisée en ce qu'on détermine l'apport de soudure (A) à effectuer à partir du profil reconstitué et en ce qu'on réalise une passe de soudure en effectuant l'apport ainsi déterminé. 5. Dispositif de visualisation de discontinuités de surface, caractérisé en ce qu'il comprend une source (16) émettant un faisceau (20) de lumière monochromatique, des moyens de déviation (22) dudit faisceau aptes à faire balayer par ce dernier un secteur circulaire (2e) comp#îs dans un plan (p) faisant avec ladite surface un angle aigu (~) donné, de telle sorte que le secteur de balayage coupe ladite surface transversalement à la discontinuité (14), un senseur de position (28) disposé au-dessus de l'image (26) formée sur ladite surface par le faisceau, ce senseur délivrant des signaux représentatifs de l'intensité et des coordonnées de chacune des points de l'image par rapport à un repère de référence (Oxyz), et des moyens de traitement (42) de ces signaux sensibles à la valeur dudit angle pour reconstituer le profil de la surface au voisinage de la discontinuité. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend de plus des moyens (18) pour moduler selon ure fréquence donnée l'intensité lumineuse du faisceau 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un filtre interférentiel (32) disposé devant le senseur de position (28), centré sur la longueur d'onde du faisceau émis par ladite source et de largeur réduite. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend de plus, entre ladite surface et le senseur de position (28), des moyens de focalisation (30) sur ledit senseur de l'image (26) formée sur ladite surface. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend de plus, entre lesdits moyens dé déviation (22) et la source de lumière, des moyens de focalisation du faisceau (24) sur la surface. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que le plan (P) dans lequel est compris le secteur circulaire (2e) fait avec ladite surface un angle (~) compris entre 450 et 600.