Brevet FR2648737A1 — publié le 19901228

[ La présente invention concerne un dispositif pour un laser de puissance qui comporte, la sortie, un système optique de focalisation qui courbe le rayon laser le long d'un axe longitudinal géométrique, comportant un piège, monté en aval du système de focalisation, pour des particules projetées depuis la pièce d'ouvrage vers le système de focalisation, lequel piège est essentiellement coaxial % l'axe longitudinal, présente une paroi d'en- veloppe et une paroi de fond, une buse d'entrée pour le gaz et présente dans la paroi de fond, un évidement coaxial pour la sortie du rayon laser et du gaz. Le plus souvent, ces lasers sont des lasers CO,2 d'une puissance de sortie de quelques kilowatts. Ils sont utilisés principalement pour le soudage, la coupe ou le dépôt de matériaux. Le faisceau lumineux sortant du laser est recueilli, avant la pièce d'ouvrage, par une lentille collectrice qui a, par exemple, une distance focale de 17 cm. Le diamètre de la lentille se situe entre, par exemple, 30 et 50 mm. Les lentilles sont constituées, par exemple, de Zn/Se. Elles coûtent entre 3000 et 6000 francs français environ. Comme on le sait par le soudage, la coupe, le dépôt ou opérations similai- res, des projections chaudes partent de la pièce d'ou- vrage, dans toutes les directions sous forme d'étin- celles. L'opération se déroule 5 la manière d'une ex- plosion. Si l'on soude ou l'on coupe par exemple de l'aluminium, il se forme, sous la couche d'oxyde d'alu- minium, une masse fondue recouverte par cette couche. Pendant le laps de temps qui s'écoule jusqu'a ce que cette couche se fissure, il s'établit au-dessous, une pression considérable jusqu' ce que l'aluminium liquide soit projeté de manière explosive. Dans les opérations mentionnées ci-dessus, on a besoin aussi de gaz, en dehors du faisceau laser. Il peut s'agir dans ce cas de gaz de protection, par exemple d'argon, d'azote qui recouvre le point d'usinage ou il peut s'agir aussi, par exemple, d'oxygène qui peut renforcer l'effet du faisceau laser sur la pièce d'ou- vrage. Les lentilles collectrices au Zn/Se sont très perméables 5 la lumière. Si une particule projetée touche cette lentille, au cours des opérations mentionnées ci-dessus, cette région de la lentille absorbe tant d'énergie du faisceau laser que la lentille est très rapidement détruite. Ceci entraîne toute une série d'inconvénients: il faut faire les frais d'une nouvelle lentille. En outre, pendant l'échange de la lentille, l'outil est a l'arrêt. Pour l'usinage, un arrêt constitue un inconvénient dans la mesure o l'on voit plus tard, sur l'outil, o a eu lieu l'interruption. Les autres inconvénients sont connus de l'homme de l'art. Dans les dispositifs du type précité, on sait prévoir un piège contre les particules projetées. On prévoit parfois dans le piège, des tôles de rebondisse- ment contre lesquelles les particules projetées doivent rebondir. D'autre part, selon l'état de la technique, on insuffle dans la cavité du piège, radialement, du gaz, qui s'écoule ensuite dans le piège, vers l'avidement coaxial et vers d'autres évidements non coaxiaux et quitte le piège % cet endroit. Or, on a constaté que le faisceau de gaz radial et le gaz s'écoulant vers l'évi- dement coaxial ne peuvent empêcher que la lentille collectrice ne soit endommagée. L'invention a pour but d'indiquer une solution permettant d'exclure totalement ou, statistiquement, dans une grande proportion que les particules projetées vers la lentille, travers l'évidement, puissent atteindre celle-ci. Ce but est atteint grace l'invention en ce que la buse d'entrée constitue avec la paroi d'enveloppe un générateur d'un moment cinétique. Pour atteindre ce but, on produit donc un écoule- ment de rotation. On sait qu'en théorie, ce tourbillon a une vitesse de rotation infinie, le long de l'axe longitudinal géométrique. Cette vitesse diminue dans le tourbillon, vers l'extérieur, selon la loi du moment cinétique et à l'extérieur, il tourne plus lentement. En réalité, on n'atteint évidemment pas une vitesse de rotation infinie le long de l'axe longitudinal géométri- que, à cause du frottement interne. La vitesse de rota- tion élevée suffit toutefois à faire dévier vers l'ex- térieur, à partir de l'axe, les particules qui sont projetées le long de l'axe longitudinal géométrique, sous l'effet des forces centrifuges. Même si au début, elles ont exactement suivi l'axe longitudinal géométrique, le déséquilibre et l'asymétrie de leur forme font qu'elles sont aussi déviées vers l'extérieur. A cet endroit, elles peuvent être captées par des tôles de rebondissement, des revêtements de paroi souples ou similaires. Etant donné que la buse d'entrée est principale- ment tangentielle à la paroi d'enveloppe, elle suscite le tourbillon avec la plus grande partie de l'énergie du gaz. Avec une buse d'entrée disposée tangentiellement à + 20 , on obtient une formation particulièrement bonne du tourbillon, en particulier lorsque la buse d'entrée est réellement tangentielle. En prévoyant plusieurs buses d'entrée, on peut engendrer le tourbillon en plusieurs points, par exemple décalés de 180 , de 120 , de 90 et ainsi de suite. Mais on peut aussi - suivant le problème d'usinage posé - n'alimenter en gaz qu'une seule buse d'entrée ou encore deux et ainsi de suite. On pourrait alors faire fonction- ner toutes les buses d'entrée si un grand nombre de particules étaient projetées. En disposant les buses d'entrée > la même hau- teur, le tourbillon se forme régulièrement et on peut en outre réaliser plus facilement la buse d'entrée, sur le plan de sa construction, par exemple dans un anneau de buses d'entrée. Si les buses d'entrée ont toutes un diamètre différent, on peut produire des tourbillons de moment cinétique différent, pour la même pression de gaz, suivant la commande de certaines buses d'entrée. En prévoyant le même diamètre pour toutes les buses d'entrée, on a une fabrication particulièrement simple et un tourbillon de forme idéale. Selon une autre variante de l'invention, l'évi- dement coaxial constitue la seule sortie pour un tourbil- lon produit par le générateur de moment cinétique. On obtient ainsi que le sommet du tourbillon tourne particu- lièrement rapidement et que les particules sont projetées vers l'extérieur, dès le début. Selon une autre variante de l'invention, on prévoit que l'on raccorde y la buse d'entrée une source de gaz qui fournit un gaz, de toute façon nécessaire sur la pièce d'ouvrage, pendant le fonctionnement du laser. De ce fait, on n'a pas besoin d'une source de gaz spé- ciale pour le tourbillon. Le gaz pouvant être un gaz inerte et/ou de l'oxygène, on peut s'adapter ainsi aux types de gaz le plus fréquemment utilisés. Du fait que la vitesse du gaz sortant de la buse d'entrée est de l'ordre de quelques décamètres/seconde, que le diamètre intérieur caractéristique du piège est de l'ordre de quelques décacentimètres et que le débit du gaz varie de quelques décimètres cubes/heure % la plage inférieure des mètres cubes/heure, on obtient des paramè- tres qui ont été éprouvés avec succès dans la pratique. Si la paroi de fond comporte un dispositif de refroidissement, le dispositif lui-même reste suffisam- ment froid et on peut s'approcher de lui avec une pièce d'ouvrage. En prévoyant que le piège comporte une paroi de fond coaxiale, conique de révolution, on obtient un piège qui n'empêche pas de travailler dans des angles ou des points difficilement accessibles. Si le piège comporte une paroi de fond coaxiale, pratiquement plane, le gaz reste plus longtemps dans la région à usiner de la pièce d'ouvrage. Selon une autre variante de l'invention, on prévoit que la paroi de fond plane comporte un bord de monture coaxiale qui peut entourer la paroi de fond conique et qui est fixée, de manière amovible, dans la région de ce fond. On peut ainsi très rapidement changer de piège, suivant celui qui s'adapte le mieux au type d'usinage. Le piège avec une paroi de fond coaxiale, conique de révolution, est pour ainsi dire la construc- tion de base. Selon une autre variante de l'invention, on prévoit que le piège, présentant la paroi de fond coni- que, présente, dans la région de sa paroi d'enveloppe, un filetage sur lequel peut être vissé le bord de monture avec son taraudage. On obtient ainsi un mode de fixation particulièrement simple, sans toucher la région dans laquelle on prévoit les buses d'entrée. Suivant une autre variante de l'invention, on prévoit que la région du sommet de la paroi de fond conique est logée dans un enfoncement conique ménagé dans la paroi de fond plane. On obtient ainsi, en plus, une autre liaison par concordance de forme, entre la paroi de fond plane et la paroi de fond conique. Dans une autre variante de l'invention, on prévoit que le sommet de la paroi de fond conique est plan, perpendiculairement A l'axe longitudinal géométri- que et est aligné avec la face inférieure de la paroi de fond plane, lorsque le bord de monture est vissé. De ce fait, la distance à la pièce d'ouvrage ne varie pas, que l'on utilise la paroi de fond conique ou la paroi de fond plane. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'inven- tion est représentée, A titre d'exemple non limitatif, aux dessins annexés. La figure 1 est une vue latérale schématique d'un piège avec tourbillon et lentille; La figure 2 est une vue de dessus de la figure 1, mais sans lentille; La figure 3 est une vue en coupe radiale d'un premier élément d'un piège; La figure 4 est une vue de dessus de la figure 3; La figure 5 est une vue en coupe le long de la ligne 5-5 de la figure 6, d'un anneau de buses; La figure 6 est une vue en coupe le long de la ligne 6-6 de la figure 5; La figure 7 est une vue de dessus d'un anneau de couverture; La figure 8 est une vue en coupe radiale d'un élément d'un piège. paroi de fond conique; La figure 9 est une vue en coupe axiale d'un élément. visser avec une fond plan. Le long d'un axe longitudinal géométrique 11, sort un rayon non représenté d'un laser de puissance non représenté. Le rayon est focalisé par une lentille 12. Le point focal se situe sur l'axe longitudinal géométrique 11, au-dessous d'un piège 13. La lentille 12 se situe dans la région 14, au-dessus du piège. Le piège 13 présente pratiquement une symétrie de rotation par rapport % l'axe longitudinal géométrique 11. Il possède une paroi d'enveloppe 16 cylindrique circulaire en laiton et une paroi de fond 17 s'étendant radialement, par rapport i l'axe longitudinal géométrique 11. Toutes deux sont d'une seule pièce. Au-dessus de la région supérieure 14, 5 proximité de la lentille 12, on prévoit un conduit de gaz 18 qui reçoit un gaz sous pression, d'une source de gaz non représentée. L'embouchure 19 du conduit de gaz mène dans l'enceinte intérieure 21 du piège 13 et est disposée avec le conduit de gaz 18, au moins dans sa région proche de la paroi d'enveloppe 16, de manière que le gaz s'écoule tangentiellement dans la région supérie- ure de l'enceinte intérieure 21. Coaxialement l'axe longitudinal géométrique 11, la paroi de fond 17 présente un évidement 22 cylindrique circulaire, dont le diamètre est toutefois nettement inférieur au diamètre intérieur de la paroi d'enveloppe 16. Cette disposition a pour conséquence qu'il se forme, en fonctionnement, un tour- billon 23 dont les voies d'écoulement sont représentées de manière schématique aux figures 1 et 2. Le tourbillon 23 est du type % moment cinétique. Plus la distance séparant une particule de gaz de l'axe longitudinal géométrique 11 est grande, plus elle est projetée lente- ment. Dans la région de l'axe longitudinal géométrique 11, la vitesse de rotation est donc la plus grande. Si, par l'évidement 22, des projections tendaient % monter le long de l'axe longitudinal géométrique 11, la probabilité selon laquelle elles suivraient une trajectoire les éloignant de l'axe longitudinal 11, du fait d'un déséqui- libre, des forces centrifuges ou similaires, serait la plus grande dans l'évidement 22 ou juste au-dessus et ces projections seraient alors très vite déviées vers l'ex- térieur, de sorte qu'elles ne rebondiraient pas contre la face intérieure de la paroi d'enveloppe 16. On n'a pas représenté que cette paroi d'enveloppe 16 peut être équipée, à l'intérieur, de parois de rebondissement et/ou de déflecteurs. En outre, la paroi intérieure 16 peut avoir un revêtement souple, par exemple en laine métalli- que, pour absorber les particules qui rebondissent. Si l'on prévoit des tôles de rebondissement, celles-ci peuvent aussi être revêtues d'une mince couche d'un matériau absorbant l'énergie, de manière que les projec- tions ne puissent plus rebondir, mais se fixer 1l o elles tombent. De la loi du moment cinétique et des figures 1 et 2, on peut déduire que la vitesse de rotation est extrêmement élevée, très nettement supérieure la vitesse du gaz s'écoulant travers le conduit de gaz 18. Selon les figures 3 et 4, représentées une échelle en grandeur nature, la paroi d'enveloppe 24 est coaxiale A l'axe longitudinal géométrique 11. A la partie inférieure, la paroi de fond 26 est radiale par rapport % l'axe longitudinal 11. Pour des raisons d'une bonne conduction thermique, les deux parois ont une très grande épaisseur, que l'on peut mesurer sur les figures. L'évidement 27 est A nouveau coaxial et présente,:^ la partie supérieure, un enfoncement 28 qui favorise la pénétration du sommet du tourbillon dans l'évidement 27. La face inférieure 29 de la paroi de fond 26 est radiale et plane, de sorte que le tourbillon sortant de l'évi- dement 27,. la partie inférieure, et s'élargissant ^ nouveau, peut s'élargir entre la face inférieure 29 et la face supérieure de la pièce d'ouvrage 31. La figure 3 montre que, grâce ? l'invention, par exemple le gaz n'est pas trop insufflé dans le lit de soudage 32, comme ce serait le cas si le gaz s'écoulait hors de l'évidement 27, avec une direction purement axiale, parallèle % l'axe longitudinal géométrique 11. Le lit de soudage 32 reste ainsi plus calme, grâce A l'invention, même dans son état liquide, ce qui est d'une grande importance pour la qualité du cordon de soudure. A la partie supérieure de la paroi d'enveloppe 24, on prévoit une bride de fixation 33 annulaire circu- laire dans laquelle on prévoit trois trous de fixation 34, décalés de 120 . L'anneau de buses 36, représenté aux figures 5 et 6 en grandeur nature, est également en métal. Son percage débouchant 37 intérieur a un diamètre intérieur qui correspond A celui de la paroi d'enveloppe 24. Il possède trois trous de fixation 37 correspondant au trou de fixation 34, de sorte que ces deux éléments peuvent être assemblés entre eux par des vis. Tangentiellement % la paroi intérieure 38 du trou de fixation 37, débouchent des perçages 39, 41, 42, 43 qui sont en ligne droite. Leur diamètre augmente en continu, c'est-t-dire que le perçage 39 a un diamètre de 2 mm, le perçage 41 un diamè- tre de 3 mm, le perçage 42 un diamètre de 4 mm et le perçage 43 de 5 mm. Dans la région terminale extérieure, les perçages 39, 43 se prolongent par des perçages étagés 44 de même forme, avec taraudage 46. On peut y visser des tuyaux de gaz flexibles, provenant d'une source de gaz. Afin que d'éventuels contre-écrous trouvent une surface d'appui plane, on prévoit des surfaces fraisées 47, perpendiculairement à l'extension longitudinale des perçages 39, 41, 42, 43. L'anneau de buse 36 s'ajuste, de manière étanche au gaz, sur la bride de fixation 33. Sur celle-ci s'ajuste à nouveau une bride de maintien 48 qui est représentée en grandeur nature, qui est en métal et dont la fonction est évidente. La figure 8, % l'échelle 1:1, représente la partie inférieure d'un piège sans bride de maintien ni anneau de buses. Il est coaxial t l'axe longitudinal géométrique 11. Sur un épaulement 49 s'ajuste l'anneau de buses non représenté. Une bride de fixation 51 remplit la fonction déji évoquée. Au-dessous de la bride de fixation 51, on prévoit une paroi latérale 52 courte, de forme annulaire cylindrique 3 laquelle fait suite, vers le bas, une paroi de fond 53 conique, s'étendant sous un angle de 34 . Dans la région supérieure de la paroi de fond 53 et dans la paroi latérale 52, on a taillé un filetage 54. La paroi de fond 53 n'est pas exactement conique sommet pointu. On prévoit plutôt une surface intérieure radiale et une surface extérieure radiale 57 qui sont traversées par l'évidement 58 coaxial. La paroi de fond 53, dans cette position angulaire, gêne peu les zones extérieures du tourbillon 23, se formant, pendant le fonctionnement, et permet donc une plus grande intensité du tourbillon, dans sa région centrale. Selon la figure 9, on prévoit un couvercle 59 pour le dispositif de la figure 8. Le couvercle 59 a un bord 61 coaxial qui présente, dans sa région intérieure supérieure, un taraudage 62 qui peut être vissé sur le filetage 54. Pour le reste, le bord 61. l'état vissé, ne touche nulle part la paroi de fond 53, dans sa région oblique. A la partie inférieure, le bord 61 se prolonge par un fond radial 63 dont la face inférieure 64 est également radiale par rapport l'axe longitudinal géométrique 11. Un évidement 66 a une forme tronconique avec un angle de 34 , correspondant A l'angle sous lequel la surface extérieure de la paroi de fond 53 s'étend aussi. A l'état vissé, la face inférieure 63 est en outre alignée avec la surface extérieure 57. Dans le fond 63, relativement épais, on prévoit des perçages de refroidis- sement 67 et sur le fond 63, on prévoit des conduits de refroidissement 68, % l'extérieur de l'angle conique de 34. La paroi de fond 53, tournée vers la pièce d'ouvrage 31, est recouverte d'une protection thermique 69 en matériau approprié, tel que du graphite. Le gra- phite est pulvérisé sur la paroi de fond. Dans les constructions connues jusqu'% présent, la lentille 12 et sa monture sont des éléments séparés, de même que le piège 13. Selon un mode de réalisation de l'invention, on peut toutefois réunir les deux, comme le montre de manière schématique la figure 1 et le gaz refroidit alors au moins aussi la face inférieure de la lentille 12, de sorte que celle-ci n'a pas besoin d'une arrivée de gaz de refroidissement séparée. Dans ce cas, le gaz est ' une température de refroidissement inférieure i celle connue par les spécialistes. Grâce. des variantes de l'invention, on peut aussi obtenir que la face supérieure de la lentille 12 soit également refroidie, par exemple par une deuxième tubulure de raccordement. La rotation du gaz donne un meilleur refroidissement, présentant moins de gradients que l'écoulement transversal utilisé jusqu'i présent. Au lieu de la lentille 12, on peut aussi utiliser tout autre dispositif qui focalise le faisceau laser, par exemple un ou plusieurs miroirs courbés. Tout système de focalisation peut être utilisé. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour un laser de puissance qui comporte, à la sortie, un système optique de focalisation qui courbe le rayon laser le long d'un axe longitudinal géométrique (11), comportant un piège (13), monté en aval du système de focalisation, pour des particules projetées depuis la pièce d'ouvrage (31) vers le système de focali- sation, lequel piège (13) est essentiellement coaxial l'axe longitudinal (11), présente une paroi d'enveloppe (16) et une paroi de fond (17), une buse d'entrée (19) pour le gaz et présente dans la paroi de fond (17), un évidement (22) coaxial pour la sortie du rayon laser et du gaz, caractérisé en ce que la buse d'entrée constitue avec la paroi d'enveloppe (17) un générateur d'un moment cinétique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la buse d'entrée est principalement disposée tangentiellement 1 la paroi d'enveloppe (16). 3. Dispositif selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la buse d'entrée (19) est disposée de tangentiellement i 20 . 4. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'on prévoit plusieurs buses d'entrée (39, 41, 42, 43). 5. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que les buses d'entrée (39, 41, 42, 43) sont disposées A même hauteur. 6. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que toutes les buses d'entrée (39, 41, 42, 43) ont un diamètre différent. 7. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que toutes les buses d'entrée (39, 41, 42, 43) ont un même diamètre. 8. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'évidement coaxial (22) constitue la seule entrée pour un tourbillon produit par le générateur d'un moment cinétique. 9. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'on raccorde à la buse d'entrée (19) une source de gaz qui fournit un gaz, de toute façon néces- saire sur la pièce d'ouvrage, pendant le fonctionnement du laser. 10. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le gaz est un gaz inerte et/ou de l'oxy- gène. 11. Dispositif selon une ou plusieurs des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que la vitesse du gaz sortant de la buse d'entrée (19) est de l'ordre de quelques décamètres/seconde, en ce que le diamètre intérieur caractéristique du piège est de l'ordre de quelques décacentimètres et en ce que le débit du gaz varie de quelques décimètres cubes/heure; la plage inférieure des mètres cubes/heure. 12. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la paroi de fond (17) est un dispositif de refroidissement. 13. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le piège (13) est une paroi de fond (17) coaxiale, conique de révolution. 14. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le piège (13) comporte une paroi de fond (17) coaxiale, pratiquement plane. 15. Dispositif selon les revendications 13 et 14, caractérisé en ce que la paroi de fond plane (63) com- porte un bord de monture coaxiale qui peut entourer la paroi de fond conique (53) et qui est fixé, de manière amovible, dans la région de ce fond. 16. Dispositif selon la revendication 15, carac- térisé en ce que le piège, présentant la paroi de fond conique (53), présente, dans la région de sa paroi d'enveloppe, un filetage (54) sur lequel peut être vissé le bord de monture (61) avec son taraudage (62). 17. Dispositif selon la revendication 16, carac- térisé en ce que la région du sommet de la paroi de fond conique (53) est logée dans un enfoncement conique (66) ménagé dans la paroi de fond plane (63). 18. Dispositif selon une ou plusieurs des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le sommet de la paroi de fond conique (53) est plan, perpendiculaire- ment à l'axe longitudinal géométrique et est aligné avec la face inférieur de la paroi de fond plane (63), lorsque le bord de monture est vissé. 19. Dispositif selon la revendication 10, carac- térisé en ce que, dans le cas d'une seule buse d'entrée (19), le gaz est envoyé sous la forme d'un mélange. 20. Dispositif selon la revendication 10, carac- térisé en ce que dans le cas de plusieurs buses d'entrée (39, 41, 42, 43), chaque gaz est acheminé séparément. 21. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la paroi de fond (17, 63) est recouverte, sur sa face tournée vers la pièce d'ouvrage, par une couche de protection thermique. 22. Dispositif selon la revendication 21, carac- térisé en ce que le système de focalisation et la buse d'entrée (19, 39, 41, 42, 43) ont une position telle que le gaz refroidit en même temps aussi le système de focalisation.