Brevet FR2560696A1 — publié le 19850906

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour commander des opérations de soudage, o les pièces en train d'être soudées sont alimentées en énergie par une source externe ( par exemple un arc électri- que, un laser, un canon électronique, etc.). En particulier la présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif pour commander la chaleur engendrée dans la zone de soudure. Lors du soudage effectué avec une source externe d'énergie ( par exemple un arc électrique, un laser, un canon électronique, etc.) pour fondre localement une zone de façon à former un cordon de soudure, la formation de ce dernier peut s'avérer inégale, en particulier en ce qui concerne la profondeur de soudage, du fait de la variation de l'énergie fournie par la source, de la variation de la vitesse de déplacement des pièces en train d'être soudées, d'un positionnement incorrect desdites pièces ou même à cause de crasse, d'oxydation ou de corrosion sur les surfaces de soudure. En outre, lors du soudage avec un canon électro- nique ou un faisceau laser, ladite absence d'uniformité peut même être causée par une concentration incorrecte du faisceau. Lors d'un soudage réalisé dans une production en série, une telle absence d'uniformité peut se traduire par un pourcentage relativement grand de rebuts. Un certain nombre de procédés connus de commande de soudage sont basés sur un contrôe de la tempé- rature dans les zones des cordons de soudure, un tel contrôle étant effectue par des dispositifs optiques pour analyser l'intensité du rayonnement infrarouge émis par ladite zone après qu'elle a été soudée. L'utilisation de dispositifs du type mentionné ci-dessus crée un certain nombre d'inconvénients, du fait des hauts gradients thermiques rencontrés etde la présence de matière incandescente qui peut endommager les dispositifs précités en cours d'usage. Du fait que des détecteurs de rayonnement infrarouge doivent obligatoirement être placés à proximité de la zone de soudage, o ils peuvent aisément être endommagés par des projections de la matière en fusion ou bien par la chaleur engendrée par celle-ci, on doit prévoir des systèmes de protection et de refrcddissement qui, outre qu'ils sont encombrants, introduisent également des dépenses considérables. En outre il est connu qu'un rayonnement infrarouge dépend non seulement de la température finale de la pièce soudée mais également d'un certain nombre d'autres paramètres, comme la nature de la surface de soudure, son fini superficiel et la couleur du métal dont la pièce soudée est formée. En conséquence, une variation d'intensité de rayonnement détectée par les dispositifs connus ne corres- pond pas nécessairement à une variation de température. On a également proposé d'autres dispositifs, basés sur l'énergie acoustique émise par la zone de soudure sur la pièce. Bien que très efficaces du point de vue de la conception, de tels dispositifs sont difficiles à utiliser dans des installations de production à cause des erreurs engendrées par le bruit de fond dans les installations proprement dites. La présente invention a pour but de permettre un soudage uniforme par commande de l'énergie absorbée par la matière fondue sur les deux pièces en train d'être soudées, en évitant ainsi le fort pourcentage de rebuts déjà mentionné. Pour résoudre ce problème, la présente inven- tion concerne un procédé de commande du soudage d'au moins deux pièces métalliques, dont une zone est soumise à l'éner- gie émise par une source d'énergie thermique, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à contrôler au moins une caractéristique prédéterminée de la lumière rayonnée par la vapeur dégagée par ladite zone d'interaction pendant le processus de soudage. La présente invention concerne également un dispositif pour commander des opérations de soudage, en particulier pour commander l'interaction entre l'énergie émise par une source thermique et celle émise par deux pièces métalliques, caractérisé par le fait qu'il comprend: - un moyen pour détecter la lumière rayonnée par la vapeur dégagée en cours de soudage par la zone des pièces soudées qui est soumise à ladite énergie - un moyen de contrôle conçu pour engendrer un signal proportionnel au rayonnement lumineux détecté par ledit moyen de détection; et - un moyen pour afficher ledit signal engendré par ledit moyen de contrôle. D'autres caractéristiques et avantages 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: la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif de commande conforme à la présente invention; la figure 2 est une représentation graphique d'un paramètre détecté par une partie du dispositif de la figure 1. La figure 1 représente deux pièces, 1 et 2, oui sont en train d'être soudées par fusion locale d'une zone de la matière dont les deux pièces sont formées. Dans l'exemple spécifique représenté, les deux pièces 1 et 2 sont supportées par un socle 10 et sont constituées par deux pièces parallélépipédiques qui sont en contact le long des deux bords longitudinaux à souder. Les références numériques 3 et 4 de la figure 1 désignent les surfaces supérieures respectives des pièces 1 et 2 tandis que la référence 5 désigne le bord de contact des surfaces 3 et 4. Dans l'exemple représenté, la zone de soudure se compose d'une bande située dans le plan des surfaces 3 et 4 et s'étendant sur toute la longueur des pièces 1 et 2 autour du bord de contact 5. Ladite zone de soudure est soumise à l'énergie émise par une source connue ( non représentée) logéeà l'intérieur d'une structure portante 6. Ladite source émet un faisceau d'énergie fixe auquel toute la longueur de ladite zone de soudure est soumise par déplacement continu desdites pièces 1 et 2 dans la direction de la flèche Z. Le faisceau d'énergie 7 est par conséquent concentré sur une zone d'interaction 8 de manière à fondre localement la matière des pièces 1 et 2 et à produire un cordon de soudure 9. On a trouvé que la matière de la zone 9 qui est soumise au faisceau d'énergie 7 se vaporise et émet de la lumière. Conformément à la présente invention, la qualité d'une soudure est commandée essentiellement par contrôle de la lumière rayonnée par la vapeur dégagée à partir de la zone d'interaction 8 soumise au faisceau d'énergie 7. De façon plus détaillée, ledit rayonnement lumineux est contrôlé par un dispositif 11 comprenant essentiellement un détecteur photoélectrique 12, un photo- mètre 13, un visualiseur 14 et une unité de commande 15. Le détecteur photoélectrique 12 est agencé de façon à capter un rayonnement provenant de la vapeur dégagée de la zone d'interaction 8. De façon plus détaillée, dans l'exemple représenté, le corps du détecteur 12 est supporté sur un bras 16 faisant saillie d'une colonne 17 reliant le socle 10 à la structure 6. D'une manière non représentée, l'élément photosensible placé sur le détecteur 12 est avantageusement précédé par un ou plusieurs filtres qui sont chacun conçus pour sélectionner une bande de longueur d'onde donnée de la lumière rayonnée par ladite vapeur. Le photomètre 13 produit un signal électrique proportionnel à la valeur moyenne des signaux provenant du détecteur 12, et par conséquent également proportionnel à l'intensité moyenne de la lumière rayonnée par la vapeur dégagée de la zone d'interaction 8 soumise audit faisceau d'énergie. Sur la figure 2, on a indiqué une représenta- tion graphique du signal ( en volts) détecté par le photo- mètre 13, en fonction de la profondeur de soudage ( en millimètres) dans les pièces 1 et 2. Le visualiseur 14 peut être de tout type approprié ( analogique, numérique, etc, ou même un oscillos- cope, par exemple) pour afficher le signal électrique engendré par le photomètre 13. Avant de décrire le procédé de commande de soudage conforme à la présente invention, il est à noter que le présent Inventeur a découvert que, quand deux pièces sont chauffées par un soudage et lorsqu'il se produit une évaporation de la matière sur lesdites pièces en formant ce qu'on appelle des " trous de serrure ", les vapeurs produi- tes par la matière rayonnent de la lumière dont le spectre comprend les raies d'émission atomique et ionique de la vapeur vaporisée, dont les longueurs d'ondes sont essen- tiellement comprises dans le domaine visible et dans le domaine ultraviolet proche, en particulier entre 200 et 800 nm. Des essais et des recherches effectués en laboratoire par le présent Inventeur, en particulier en relation avec un soudage par faisceau laser, ont fourni des informations utiles concernant la relation entre la profondeur de soudage et le rayonnement lumineux dans des domaines spectraux appropriés, lesdites informations permettant de commander la qualité de la soudure produite. Il existe par conséquent une possibilité de corrélation entre l'intensité de la lumière rayonnée par la vapeur et l'énergie absorbée par les pièces en train d'être soudées, et d'agir ainsi sur les paramètres de soudage pour obtenir des conditions optimales de soudage. Le procédé de commande de soudage conforme à!'invention est basé essentiellement sur une détection et un contrôle ultérieur de la lumière rayonnée par la vapeur produite par la matière dans la zone d'interaction 8 soumise au faisceau d'énergie 7. Sur la base de l'information affichée sur le visualiseur 14, l'opérateur peut régler l'unité 15 en vue d'une modification appropriée d'un ou plusieurs paramètres de soudage, ces derniers étant essentiellement la puissance de la source d'énergie, la vitesse de déplacement des pièces à souder et, dans le cas d'une source se composant d'un générateur de faisceau laser ou d'un canon électronique, la concentration du faisceau émis par cette source. Par exemple, lors du soudage de pièces ayant une géométrie et un déplacement rectilignes, la puissance constitue le paramètre de régula- tion le mieux approprié sur lequel on doit agir. Lors du soudaqe de pièces autres que des pièces planes mais se déplaçant en ligne droite ( par exemple une tôle métallique ondulée), le paramètre de régulation le mieux approprié pour opérer semblerait être, dans le cas d'un faisceau laser ou d'un canon électronique, la concentration du faisceau. Dans d'autres cas faisant intervenir des pièces incurvées et/ou d'une géométrie compliquée, la vitesse de déplacement des pièces à souder peut constituer le meilleur paramètre de régulation sur lequel on doit agir. Pour obtenir en toute sécurité des résultats corrects, il faut par conséquent que la lumière rayonnée par la vapeur soit rendue égale à une valeur prédéterminée correspondant aux conditions imposées de soudage. Comme indiqué sur le graphique de la figure 2 par exemple, l'opérateur peut agir sur un des paramètres mentionnés ci-dessus pour obtenir un cordon de soudure uniforme au moins en ce qui concerne la profondeur de soudage. Des essais et recherches effectués par le présente Inventeur ont conduit à la conclusion que la lumiè- re est rayonnée par la vapeur avec des longueurs d'ondes spécifiques pour chaque type de matière. Le dispositif mentionné ci-dessus peut être utilisé pour analyser un rayonnement émis par une matière métallique du même type, comme de l'acier, de la fonte, de l'aluminium, etc. Le graphique de la figure 2 se rapporte à une soudure avec un faisceau laser, o le matériau constituant les pièces 1 et 2 est du Fe 52 et o le détecteur photoélectrique 12 est équipé d'un filtre pour sélectionner une longueur d'onde de rayonnement lumineux de 515 nm. Cependant le procédé décrit ci-dessus peut être employé dans une gamme assez large d'applications. Il peut être utilisé pour n'importe quel type d'opération de soudage ( avec ou sans métal d'apport) et, dans le cas d'un soudage par faisceau laser, avec ou sans gaz de protection de soudure. En outre, le présent procédé de commande d'opérations de soudage par analyse de l'intensité de la lumière engendrée pendant ladite opération peut être utilisé dans tous les cas o il se produit une émission de vapeur ayant des caractéristiques lumineuses spécifiques résultant de l'interaction entre l'alimentation en énergie et la matière en train d'être soudée. I1 est clair pour les spécialistes en la matière que des modifications peuvent être apportées à l'agencement et aux détails de la présente invention qui ont été décrits ici purement à titre d'exemple non limitatif, sans sortir cependant du cadre de l'invention. Par exemple un faisceau de fibres optiques peut être utilisé pour canaliser la lumière rayonnée par la vapeur de matière en direction de l'élément sensible du détecteur photoélectrique 12, afin de permettre le positionnement de ce dernier en un endroit éloigné de la zone de soudure. Le procédé décrit ci-dessus permet une comman- de et un réglage en " boucle ouverte " de la source d'éner- gie. Dans le cas d'opérations de soudage permettant une adaptation optimale d'un des paramètres de soudage qui ont été définis ci-dessus, on peut adopter un autre système à " boucle fermée " pour produire une contre-réaction. Dans ce cas, l'unité de commande 15 pourrait être conçue de manière à corriger automatiquement ledit paramètre prédéter- miné ( par exemple la puissance de la source, la vitesse de déplacement des pièces ou la concentration du faisceau, au cas o la source d'énergie serait un faisceau laser ou un canon électronique) en concordance avec l'amplitude du signal de sortie du photomètre, afin de maintenir constante l'interaction entre la source d'énergie et les pièces 1 et 2 pendant le soudage. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande du soudage d'au moins deux pièces métalliques (1, 2), dont une zone (8) est soumise à l'énergie émise par une source d'énergie thermi- que, caractérisé par le fait qu'il consiste à contrôler au moins une caractéristique prédéterminée de la lumière rayonnée par la vapeur dégagée de la zone d'interaction (8) pendant le processus de soudage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il consiste à assurer la régulation d'au moins un paramètre commandant l'opération de soudage, en relation avec les valeurs détectées pour ledit rayonnement lumineux et jusqu'à ce que l'intensité dudit rayonnement lumineux soit égale à une valeur préréglée. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit paramètre de commande du processus de soudage est choisi parmi les paramètres suivants: la puissance de la source d'énergie thermique, la vitesse relative de déplacement desdites pièces (1, 2) par rapport à la source d'énergie, et la concentration du faisceau d'énergie dans le cas d'une source d'énergie à laser ou à canon électronique. 4. Procédé selon une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que le rayonnement lumineux est contrôlé sélectivement par un moyen de filtrage dont la bande passante rentre dans une gamme de longueurs d'ondes comprises entre 200 et 800 nm. 5. Dispositif pour commander des opérations de soudage, en particulier pour commander l'interaction entre les énergies émises par une source thermique et deux pièces métalliques (1, 2), caractérisé par le fait qu'il comprend: - un moyen (12) pour détecter la lumière rayonnée par la vapeur dégagée pendant le soudage à partir de la zone (8) des pièces (1, 2) qui est soumise à ladite énergie; - un moyen de contrôle (13) conçu pour produire un signal proportionnel au rayonnement lumineux détecté par ledit moyen de détection; et - un moyen (14) pour afficher ledit signal engendré par ledit moyen de contrôle (13). 6. Dispositif selon la revendication 5, carac- térisé en ce que ledit moyen de détection se compose essen- tiellement d'un détecteur photoélectrique (12). 7. Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce qu'il comprend au moins un élément de filtrage placé entre ladite zone d'interaction (8) et l'élément photosensible du détecteur photoélectrique (12). 8. Dispositif selon une quelconque des revendi- cations 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend une unité de commande (15) reliée à la sortie dudit moyen de contrôle (13) et conçue pour assurer une régulation automatique d'au moins un paramètre commandant ledit processus de soudage, d'une manière permettant de maintenir l'intensité dudit rayonnement lumineux dans une gamme préréglée.