Brevet FR2597379A1 — publié le 19871023

"Procédé de traitement par faisceau laser d'un matériau en feuille mince et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé" L'invention se rapporte à un procédé de traitement par faisceau laser d'un matériau en feuille relativement mince et réfléchissant, tout particulièrement une tôle mais également certaines feuilles de matière plastique. L'invention vise particulièrement le soudage ou le découpage de telles feuilles au moyen dudit faisceau laser et concerne plus spécifiquement un perfectionnement permettant d'augmenter le rendement d'un tel procédé en agissant sur la partie réfléchie dudit faisceau, pour la rendre utilisable. Dans l'un des domaines privilégiés de l'invention, c'est-à-dire le soudage bord à bord ou en léger recouvrement de tôles ou pièces métalliques minces (ou encore d'une même tôle enroulée sur elle-même de façon à définir une portion tubulaire, pour la fabrication d'une boite de conserve par exemple) le faisceau laser est souvent orienté perpendiculairement à la surface à souder, afin d'obtenir une pénétration maximum du faisceau dans l'épaisseur de la matière. Néanmoins, une partie non négligeable de l'énergie transportée par le faisceau est perdue, soit absorbée par le plasma qui se crée au voisinage du "point d'impact", soit réfléchie par la cible.On a jusqu'à présent considéré que le soudage ou le découpage d'un matériau réfléchissant présentait une difficulté supplémentaire du fait que la partie réfléchie du faisceau pouvait être renvoyée vers la lentille de focalisation, jusqu'à la détériorer, dans des conditions extrêmes d'utilisation. On a cherché à prévenir ce type de détérioration en attaquant la zone à souder ou à découper avec un certain angle, mais dans ce cas, une partie encore plus importante de l'énergie de rayonnement est réfléchie et donc perdue. L'invention se place dans le contexte défini en dernier lieu et se propose d'améliorer le rendement global d'un tel principe de soudage ou de découpage en récupérant le rayonnement réfléchi au point d'impact et en l'exploitant à des fins de préchauffage de la feuille de matériau elle-même, favorisant ainsi le soudage ou le découpage proprement dit, opéré par l'énergie directement appliquée au point d'impact. Dans cet esprit, l'invention concerne un procédé de traitement par faisceau laser d'un matériau en feuille relativement mince et au moins partiellement réfléchissant, du type consistant à diriger un tel faisceau vers au moins une telle feuille en mouvement, selon un angle non nul avec la normale à ladite feuille au point d'impact dudit faisceau sur celle-ci, caractérisé en ce qu'il consiste à provoquer une pluralité de réflexions dudit faisceau le long de ladite feuille, ces réflexions se propageant en amont du point d'impact par rapport au sens de déplacement de ladite feuille. Dans la pratique, les réflexions du faisceau le long de la feuille seront obtenues en disposant une structure réfléchissante au voisinage de celle-ci de façon à provoquer des réflexions multiples du faisceau laser entre ladite feuille et ladite structure réfléchissante, ces réflexions multiples se propageant ainsi en amont du point d'impact. Pour cela il suffit par exemple que la feuille en mouvement et la structure réfléchissante définissent approximativement une sorte de dièdre creux vers lequel est pointé ledit faisceau laser. L'invention concerne également un dispositif de traitement par faisceau laser de matériau en feuille relativement mince et au moins partiellement réfléchissante, telle par exemple une tôle, du type comportant des moyens générateurs d'un faisceau laser, des moyens de transmission et de focalisation dudit faisceau vers un point d'impact sur ladite feuille et des moyens de mise en mouvement de celle-ci, caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission et de focalisation étant agencés pour que ledit faisceau fasse un angle non nul avec la normale à ladite feuille au point d'impact, un élément réfléchissant, par exemple métallique, placé au voisinage de ladite feuille est conformé pour définir avec celle-ci un système à réflexions multiples en amont dudit point d'impact par rapport au sens de déplacement de ladite feuille. Dans ce cas, l'élément réfléchissant, métalliqùe, définissant approximativement avec la feuille à traiter une sorte de dièdre du type mentionné ci-dessus, peut tout simplement être constitué par un rouleau de serrage et/ou d'entraînement de ladite feuille. On peut également envisager de faire circuler un cordon metallique réfléchissant entre un tel rouleau et la feuille de matériau a traiter pour que les caractéristiques de réflexion du faisceau laser restent aussi bonnes et aussi constantes que possible pendant toute la période d'utilisation du dispositif.Il est en outre à noter que le fait d'utiliser un tel rouleau de serrage et/ou d'entraînement pour ses qualités réfléchissantes ou pour maintenir un cordon métallique réfléchissant au voisinage de la zone à traiter, favorise, dans le cas de la soudure, le maintien bord â bord ou en léger recouvrement des parties å assembler, du fait que le rouleau se trouve placé en chevauchement de part et d'autre de la ligne de contact des bords alors que, dans le passé, les rouleaux de serrage et/ou d'entraînement devaient être éloignés des bords pour permettre le passage du faisceau laser dirigé perpendiculairement à la zone à traiter. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de plusieurs dispositifs pour la mise en oeuvre de son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 est une vue partielle d'une installation de soudage par faisceau laser conforme au principe de l'invention; - la figure 2 est une vue de détails à plus grande échelle du dispositif de la figure 1 illustrant un soudage bord à bord ainsi qu'une variante possible; - la figure 3 est une vue de détail à plus grande échelle du dispositif de la figure 1, illustrant un soudage avec rectuvrement; la figure 4 est une vue partielle en coupe illustrant le soudage d'une coupelle et d'un corps de boite; et - la figure 5 est une coupe V-V de la figure 4 pendant la même opération de soudage. En se reportant plus particulièrement aux figures 1 à 3, on a représenté un dispositif de soudage de tôle ili par faisceau laser 12, plus particulièrement agencé pour souder les bords rejoints de flans rectangulaires métalliques conformés en viroles cylindriques 13, par des moyens de mise en circulation et de maintien, classiques et non représentés, à l'exception de deux rouleaux de serrage et/ou d'entraînement 15, 16 coopérant, entre autre, pour maintenir les deux bords rejoints pendant l'opération de soudage. Les deux rouleaux sont sollicités l'un vers l'autre pour enserrer lesdits bords rejoints et l'un d'eux est entraîné en rotation. Selon une caractéristique importante de l'invention, les rouleaux 15, 16 sont disposés en chevauchement sur la ligne de jonction des bords à souder, ceux-ci se présentant soit dans une configuration de contact champ contre champ (figure 2), soit avec un léger recouvrement des bords (figure 3). Par ailleurs, le dispositif comporte un générateur de faisceau laser de forte puissance (de l'ordre de quelques kW) schématisé par le bloc 17 à la figure 1 et des moyens optiques de transmission et de focalisation 18 du faisceau laser, connus et comportant notamment une lentille de focalisation 18a et un miroir 19, visibles sur la figure 1 et disposés pour diriger le faisceau focalisé vers un "point d'impact" P, fixe et situé sur le trajet de la pièce métallique à traiter, c'est-à-dire plus particulièrement ici sur la ligne de soudage définie par l'avancement de la virole 13 serrée entre les rouleaux 15 et 16. Comme le montrent les dessins, les moyens de transmission et de focalisation du faisceau laser (notamment la position et l'orientation du miroir 19) sont réglés pour que ledit faisceau fasse un angle A non nul avec la normale à la surface de la virole au point d'impact P.En outre, un élément réfléchissant, métallique, est placé au voisinage de la virole et est conformé pour définir avec celle-ci un système à réflexions multiples en amont du point d'impact P par rapport au sens de déplacement de la virole. Dans l'exemple de la figure 3, l'élément réfléchissant est constitué par le rouleau 15 lui-même, dont la surface est suffisamment polie pour jouer le rôle de réflecteur avec la surface en regard du flan métallique conformé en virole 13. Ce poli peut être entretenu grâce à des moyens de nettoyage appropriés, en contact avec la surface du rouleau, par exemple des moyens de brossage classiques, non représentés. Dans la variante de la figure 2, au contraire, l'élément réfléchissant est constitué par un cordon métallique 25, par exemple un feuillard de cuivre ou d'aluminium en bande, serré entre la surface de la virole 13 et le rouleau 15 et entraîné par la rotation de celui-ci. Le cordon 25 est ainsi transféré en continu d'une bobine débitrice vers une bobine réceptrice ou de récupération (ces bobines n étant pas représentées) de façon à toujours présenter en regard de la virole un état de surface présentant un poli de caractéristique prédéterminée. On conçoit qu'avec le trajet en ligne brisée de la fraction réfléchie du faisceau laser au point d'impact P, se propageant en amont de ce point d'impact par rapport au sens de déplacement de la virole, l'énergie transportée par ladite fraction réfléchie puisse provoquer un préchauffage de la tôle, facilitant la soudure elle-même (ou le découpage, ou tout autre traitement thermique possible grâce au laser). Le procédé s'applique de la même façon sur une surface non métallique, par exemple en matière plastique, suffisamment réfléchissante. De nombreuses autres variantes sont possibles. Notamment, la focalisation peut être effectuée directement par le miroir 19 si celui-ci a une surface en forme de parabololde. L'agencement peut être tel que le faisceau laser ait son point d'impact à l'intérieur de la virole, ce qui, dans le cas d'une tôle décorée extérieurement, présente l'avantage de ne pas détériorer le décor au voisinage de la ligne d'assemblage. Enfin, les figures 4 et 5 illustrent l'application du principe de l'invention au soudage d'une virole 26 formant corps de boîte, déjà formé, éventuellement de la façon indiquée ci-dessus, avec un couvercle ou fond de boite 27 en forme de disque à bordure rabattue 28. Le pourtour circulaire de la virole 26 est soudé à la bordure 28 par l'action d'un faisceau laser 30 dirigé comme précédemment en biais, dans l'espace défini entre la surface externe de la virole et l'un des rouleaux d'entrainement 31, 32, métalliques et présentant un poli suffisant. Ces rouleaux assurent par ailleurs la mise en rotation des pièces en contact, nécessaire à la réalisation de l'opération de soudage. REVENDTCATlONS 1- Procédé de traitement par faisceau laser d'un matériau en feuille relativement mince et au moins partiellement réfléchissant, du type consistant a diriger un tel faisceau (12) vers au moins une telle feuille en. mouvement, selon un angle non nul avec la normale à ladite feuille au point d'impact (P) dudit faisceau sur celle-ci, caractérisé en ce qu'il consiste à provoquer une pluralité de réflexions dudit faisceau le long de ladite feuille (13), ces réflexions se propageant en amont du point d'impact {P) par rapport au sens de déplacement de ladite feuille. 2- Procédé de traitement par faisceau laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à placer une structure réfléchissante (15,25.' au voisinage de ladite feuille de façon à provoquer des réflexions multiples entre cette dernière et ladite structure réfléchissante. 3- Dispositif de traitement par faisceau laser de matériau en feuille relativement mince et au moins partiellement réfléchissante, telle par exemple une tôle, du type comportant des moyens générateurs d'un faisceau laser, des moyens de transmission et de focalisation (18) dudit faisceau (12) vers un point d'impact (P) sur ladite feuille et des moyens de mise en mouvement de celle-ci, caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission et de focalisation étant agencés pour que ledit faisceau fasse un angle (A) non nul avec la normale à ladite feuille au point d'impact (P), un élément réfléchissant (15, 25), par exemple métallique, placé au voisinage de ladite feuille est conformé pour définir avec celle-ci un système à réflexions multiples en amont dudit point d'impact (P) par rapport au sens de déplacement de ladite feuille. 4- Dispositif de traitement par faisceau laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit élément réfléchissant est constitué par un rouleau de serrage et/ou d'entrainement (15) de ladite feuille. 5- Dispositif de traitement par faisceau laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit élément réfléchissant est constitué par un cordon réfléchissant (25) par exempie métallique, en défilement, intercalé entre ladite feuille et un rouleau de serrage etlou d'entrainemet (15) de celle-ci. 6- Dispositif de traitement par faisceau laser selon l'une des revendication 4 ou 5, pour le soudage de deux bords de feuille, caractérisé en ce que ledit rouleau de serrage et/ou d'entrainement (15) est placé en chevauchement de part et d'autre de la ligne de contact desdits bords.