Brevet FR2650772A1 — publié le 19910215

La présente invention concerne le traitement d'une pièce par laser et, plus particulièrement, la détermination des percées lors d'une opération de perçage utilisant un laser. Parmi les trois activités principales de traitement par laser, à savoir les opérations de coupe, de soudage et de perçage, le perçage soulève le problème de commande le plus difficile à régler. Considérons, par exemple, le perçage des trous par laser des parties de la chambre de combustion d'un moteur d'avion et de sa chambre de post-combustion. Ces parties sont constituées d'alliages d'acier résistant aux hautes températures et nécessitent le perçage de trous de quelques décimètres à un angle de 20 par rapport à la surface, là o l'épaisseur de la paroi peut varier entre 0,05 cm et 0,2cm. Il n'existe actuellement que deux techniques valables pour détecter les propriétés des trous (diamètre, forme, épaiseur de la couche refondue, etc.) pour le contrôle du procédé, à savoir le test d'écoulement d'air et la vérification par chevilles. Dans le test d'écoulement d'air, on enlève la pièce de l'appareil de perçage et lui applique un différentiel de pression connu. On mesure l'écoulement d'air résultant pour obtenir une valeur de la résistance à l'écoulement. Cela donne, à son tour, une mesure de la surface perçée, c'est-à- -2- dire du diamètre des trous percés et de leur forme, car on connait le nombre des trous percés. Ce procédé est assez fiable pour des trous d'un diamètre et d'une forme moyens, mais dans le cas seulement d'ensembles de trous assez grands, et n'est pas en temps réel en ce sens que le traitement par laser peut se produire alors que le test d'écoulement est en cours. Il ne constitue pas un indicateur fiable des autres propriétés géométriques, par exemple de l'épaisseur de la couche refondue, de la conicité des trous, etc. Dans le contrôle par cheville, on arrête l'opération de perçage, et insère alors successivement dans les trous des chevilles d'un diamètre de plus en plus grand. Le contrôle par cheville n'est qu'un indicateur approximatif du diamètre des trous car des trous percés par laser sont rarement très rectilignes, d'o le blocage de l'insertion des chevilles. Il ne s'agit pas là non plus d'un indicateur fiable des autres propriétés géométriques, ni d'un processus en temps réel. Alors qu'on pourrait utiliser des techniques optiques, celles-ci ne sont pas fiables, à cause de l'angle impliqué et de la longueur des trous. En outre, le grand nombre de trous rend difficile un contrôle optique. Un indicateur indirect attendu pour les propriétés, telles que le diamètre, d'un trou perçé par laser est le "temps de percée", ou temps fractionnel de perçage par rapport à la longueur totale des impulsions laser. Plus le temps de percée est grand, plus le diamètre des trous est petit car après le perçage, l'impulsion de lumière laser agrandit le trou percé. Par conséquent, la présente invention a pour objet de contrôler un système de traitement laser et plus parti- culièrement de déterminer le temps de percée pendant l'opéra- tion de perçage par laser. Un dispositif selon la présente invention pour le traitement d'une pièce par laser comprend un moyen pour appliquer à la pièce une lumière laser pulsée de manière à - 3- provoquer des vibrations dans celle-ci; un moyen pour surveiller acoustiquement les vibrations dans la pièce, et un moyen pour déterminer le moment- o il y a changement des vibrations. Un procédé selon la présente invention pour le traitement d'une pièce par laser comprend les étapes consis- tant à faire vibrer la pièce en appliquant une lumière laser pulsée, à surveiller acoustiquement les vibrations dans la pièce, et à déterminer le moment o les vibrations changent. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, un schéma en partie isométrique et en partie sous forme de blocs, d'un mode de réalisation de la présente invention; figure 2A, un faisceau laser tombant sur une pièce pendant une opération de perçage, et figure 2B, un perçage; et figure 3, les signaux engendrés pendant l'opération de perçage et au moment de la percée. La figure 1 représente un laser 10, tel qu'un laser pompé à face du type Nd:YAG. Alors qu'on peut utiliser d'autres types de lasers, ce type de laser a la préférence car il présente une densité d'énergie élevée, une grande profondeur de champ ne nécessitant aucune refocalisation entre impulsions, et la qualité du faisceau s'améliore aux puissances élevées. En outre, le laser Nd:YAG fournit une sortie à 1,06 pm, qui constitue une bonne longueur d'onde pour le traitement d'un grand nombre de matériaux. Le laser comporte un moyen d'excitation, tel que des tubes à éclairs (non représentés), alimenté et commandé par une alimentation 11. Le laser 10 comporte aussi un capteur optique 13, tel qu'une photodiode, disposé sur. la partie extérieure d'un miroir à cavité à réflexion totale de manière à surveiller les fuites de lumière car un tel miroir n'est pas de fait à réflexion "totale". Un signal sortant du -4- capteur 13 est appliqué à un ordinateur 26. Un faisceau lumineux 12 sortant du laser 10 est focalisé par une lentille plano-convexe 14 dans une fibre optique 16. De préférence, les deux extrémités de la fibre 16 sont préparées comme cela * 5 est représenté dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 4 676 586 et 4 681 396 de façon que son habillage ne soit pas endommagé par l'injection de lumière, ou lumière émise par laser. Le cas échéant, des multiplexeurs de lumière, tels que ceux décrits dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique n 4 739 162 et dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n 944 771, peuvent être employés pour permettre le traitement simultané d'une multitude d'emplacements sur la pièce. La fibre 16 est de préférence maintenue à proximité de la pièce 18 par un coupleur de sortie 20 tel que celui représenté dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 799 755. Le faisceau lumineux 12 est focalisé sur la pièce 18 par une lentille plano-convexe 21. Le cas échéant, la lentille 21 peut être incorporée dans le coupleur 20, ou bien être éliminée en fonction du diamètre désiré pour le trou percé. De plus, le cas échéant, le coupleur 20 peut être également éliminé. En outre, le cas échéant, le laser 10 peut être placé à proximité de la pièce 18 avec le faisceau 12 tombant directement sur la pièce, c'est-à- dire en l'absence des lentilles 14 et 21, de la fibre 16 et du coupleur 20. Le coupleur-20 est supporté par un système de manutention 19 tel que la machine modèle HP-105 fabriquée par la société S.E Huffman Corp., Clover, S.C. Le cas échéant, on peut placer le coupleur 20 à un emplacement fixe et mônter la pièce 18 sur un dispositif de mise en place contrôlable car, dans l'un et l'autre mode de réalisation, la position relative de la pièce 18 par rapport au coupleur 20 peut être contrôlée. La pièce 18 peut être en métal, par exemple en acier, en aluminium, ou en matériau plastique, ou en général en matériau raisonnablement solide, et pouvant transmettre les -5- vibrations provoquées par le perçage par laser lors de l'excitation par les impulsions. En outre, la pièce 18 peut être soit fixe soit mobile, par exemple tournante. Bien que représentée sous forme d'un cylindre circulaire droit creux, la pièce 18 peut avoir d'autres formes. Un capteur acoustique 22, tel qu'un accéléromètre ou un microphone de contact, est monté sur la pièce 18, ou, le cas échéant, sur une plaque de base (non représentée) qui supporte la pièce 18. En variante, on peut disposer un microphone à proximité de la pièce 18, mais cela peut se traduire par le captage indésirable des bruits ambiants. Le signal provenant du capteur 22 est appliqué à un filtre passe-bas antiambigulté 24 ayant une fréquence de coupure d'environ 150 kHz, bien qu'on puisse utiliser d'autres fréquences. Si la pièce 18 est animée d'un mouvement de rotation, des bagues collectrices (non représentées) ou la télémétrie peuvent être employés pour appliquer le signal provenant du capteur acoustique 22 au filtre passe-bas 24. Le signal sortant du filtre 24 est appliqué à l'ordinateur 26. Les signaux sortant de l'ordinateur 26 sont appliqués à l'alimentation 11 ainsi qu'au système de manutention 19. En fonctionnement, et comme représenté en figure 3,. une impulsion de lumière 28 émise par le laser 10 est détectée par le capteur 13 et appliquée à l'ordinateur 26. L'impulsion 28 est également émise à partir du coupleur 20 et, comme représenté en figure 2A, échauffe le matériau de la pièce 18, provoquant sa vaporisation, et donc l'éjection d'un plasma turbulent 30 à haute vitesse du matériau et le perçage d'un trou 32. Des vibrations s'établissent dans le matériau apparenté (non percé de la pièce 18) comme conséquence de l'éjection du plasma 30 et du matériau à l'état fondu (non représenté). Les caractéristiques du trou 32, par exemple le diamètre, l'épaisseur de la couche refondue, etc., dépendent de l'énergie de l'impulsion 28. En particulier, si l'impul- -6- sion est présente après la percée, le diamètre du trou sera agrandi. Ces caractéristiques dépendent aussi de la position du plan focal du faisceau laser sur la pièce 18, si la lentille 21 est présente, soit dans le coupleur 20 soit à son extérieur. En particulier, si le plan focal se trouve sur la surface de la pièce 18, il y a perçage d'un trou de plus grand diamètre que s'il est situé au-dessous de la surface. L'écoulement turbulent provoque des vibrations dans la pièce 18 à cause de son amortissement généralement faible. Ces vibrations sont reçues par le capteur 22 sous forme d'un signal 34 (figure 3), lequel est essentiellement instantané à cause de la vitesse du son généralement élevée dans la pièce 18. Au moment de la percée P. comme représenté en figure 2B, le matériau provenant de la pièce 18 n'est plus vaporisé fortement, et par conséquent les vibrations et le signal 34 sont réduits grandement pour être mesurés. L'ordinateur 26 comprend un convertisseur analogique- numérique fonctionnant à une fréquence de 111 kHz pour convertir le signal provenant du capteur optique 13. On peut utiliser d'autres fréquences. Le signal converti est alors appliqué à un algorithme de décision, tel qu'une opération de seuil, qui permet la détection ou la détermination de l'amorce et de la cessation de l'impulsion laser. Les résultats obtenus à partir de cet algorithme représentent la longueur optique t1 de l'impulsion. L'ordinateur 26 comprend aussi un convertisseur analo- gique-numérique pour le signal provenant du filtre passe-bas 24, qui fonctionne à une fréquence d'échantillonnage de 333 kHz bien qu'on puisse utiliser d'autres fréquences. Dans le cas présent, le filtre 24 aura une fréquence de coupure non supérieure à la moitié de la fréquence d'échantillonnage conformément au critère de Nyquist. Dans l'ordinateur 26, la donnée relative aux vibrations en provenance du filtre 24 est numérisée et traitée alors par l'algorithme du filtre numérique qui agit en filtre à bande passante, lequel -7- présente dans un mode de réalisation particulier une fré- quence de coupure comprise entre environ 40 et 80 kHz. Ces fréquences sont provoquées par les vibrations dues à l'écou- lement turbulent éjecté. En général, la bande passante présentant de l'intérêt sera fonction du matériau. et de l'épaisseur de la pièce 18, de la longueur d'onde de la lumière laser 12, de la géométrie des trous, de la rigidité du dispositif de maintien de la pièce 18, etc. La forme d'onde filtrée en bande passante est traitée T0 par un algorithme d'une transformée de Fourier rapide (FFT) qui procède à une analyse spectrale. Dans un mode de réalisation particulier, chaque impulsion laser d'environ 4 ms donne un total de 1536 échantillons. Les 128 premiers échantillons sont l'objet d'une analyse spectrale par l'algo- rithme FFT. Alors, un décalage de 21 échantillons est effectué et 128 échantillons font l'objet d'une analyse spectrale en commençant au 21è échantillon. On répète le processus jusqu'à ce qu'il y ait analyse des 1536 échantil- lons. Un algorithme de décision de seuil est appliqué à la donné spectrale temporelle résultant de l'algorithme FFT pour déterminer la percée. Celle-ci peut être un simple niveau de seuil qui est réglé à une certaine fraction, par exemple à la moitié, de l'amplitude maximum attendue des fréquences filtrées pour déterminer si celles-ci sont présentes ou non à un instant particulier de l'opération de perçage. La donnée sortant de cet algorithme de décision de seuil constitue la longueur td de l'impulsion du signal acoustique. En figure 3, on a représenté le. signal acoustique 34 et le signal 28 de la lumière laser. L'ordinateur 26 calcule le rapport entre t1 et tdr c'est-à-dire le temps de percée, qui constitue une mesure indirecte du diamètre du trou. Ce temps calculé de percée est comparé à un temps de percée attendu, provenant de résultats de perçages antérieurs qui ont été stockés sur disque dans l'ordinateur 26. - 8 - Cette information est utilisée pour appliquer un signal de commande à l'alimentation 11 afin de commander l'énergie des impulsions laser et, aussi, un signal de commande est appliqué au système de manutention 19 pour changer la distance relative entre la pièce 18 et le coupleur 20. Cela a pour effet de modifier le plan focal de l'impulsion de lumière 28 par rapport à la pièce 18. Ainsi, en changeant ces deux variables, on peut percer un trou acceptable lors de l'impulsion laser 28 suivante. En particu- lier, si le temps réel de la percée est plus long que le temps de percée attendu (trou de diamètre trop petit), la puissance de l'impulsion du laser 10 est augmentée et le plan focal est placé plus près de la surface de la pièce 18. D'une façon similaire, si le temps réel de percée est plus court que le temps attendu (trou de diamètre trop grand), la puissance de l'impulsion du laser 10 est diminuée et le plan focal est placé encore plus loin du dessous de la surface de la pièce 18. Naturellement, en cas d'absence de la lentille 21, seule la puissance de l'impulsion laser est alors contrôlée. De plus, si le temps de percée devient soudaine- ment plus grand, cela sera l'indication d'un défaut dans le système optique, par exemple d'un défaut dans la fibre 16. L'ordinateur 26 peut surveiller ce cas et fournir à l'opéra- teur un signal d'alarme. On remarquera que, bien que la description précédente soit axée sur une opération de perçage, la présente invention peut être utilisée avec d'autres procédés, par exemple l'habillage en surface, le traitement thermique, la coupe, etc., parce que ces opérations produisent aussi un matériau éjecté, et par conséquent des vibrations dans la pièce 18. Dans ce cas, on pourrait programmer l'ordinateur 26 de manière à détecter un changement dans la signature sonique, par exemple dans les fréquences, plutôt quiune cessation des vibrations à une fréquence spécifique. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour traiter par laser une pièce (18), caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen pour appliquer une lumière laser pulsée (12) à la pièce afin de provoquer des vibrations dans celle-ci; un moyen pour surveiller acoustiquement les vibrations dans la pièce, et un moyen pour déterminer le moment o il y a changement des vibrations. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'application comprend une fibre optique'(16) ayant une première extrémité pour recevoir la lumière laser, et une seconde extrémité, et un coupleur de sortie (20) accouplé à la seconde extrémité et destiné à être placé à proximité de la pièce. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de surveillance comprend un accéléromètre (22) destiné à être monté sur la pièce. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en- ce que le moyen de détermination comprend un moyen (26) pour procéder à une analyse spectrale des vibrations, et un moyen de seuil pour décider du moment o il y a changement du contenu spectral.. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de détermination comprend un moyen pour filtrer les vibrations par bande passante. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen de filtrage par bande passante présente une bande passante comprise entre environ 40 et 80 kHz. 7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un capteur optique (13) destiné à être placé dans le laser et à être accouplé au moyen de détermination. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen de détermination procède à la détermination - 10 - du rapport entre la longueur d'une impulsion des vibrations et celle de l'impulsion laser. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen (21) pour focaliser la lumière laser dans un plan focal, un moyen (19) pour provoquer un mouvement relatif entre le moyen d'application et la pièce accouplée au moyen de détermination afin de changer la position du plan focal par rapport à la pièce, et une alimentation contrôlable (11) couplée au laser et au moyen de détermination pour commander l'énergie de la lumière laser. 10. Dispositif pour déterminer un perçage lors d'une opération de perçage d'une pièce (18) par laser pulsé (12), caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen (22) pour surveiller acoustiquement les vibrations provoquées dans la pièce par l'opération de perçage; et un moyen (26) pour déterminer le moment o il y a changement du contenu spectral des vibrations. 11. Procédé pour traiter une pièce (18) par laser, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: faire vibrer la pièce en lui appliquant une lumière laser pulsée (12); surveiller acoustiquement les vibrations dans la pièce et déterminer le moment o il y a changement des vibrations. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à changer l'énergie de l'impulsion laser (28) et le plan focal de la lumière laser sur la pièce. 13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'étape de détermination comprend l'étape consistant à déterminer le moment o il y a changement du contenu spectral des vibrations. - 11 - 14. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'étape de détermination comprend les étapes consis- tant à filtrer en fréquence les vibrations, à analyser spectralement les vibrations filtrées et à soumettre à un seuil le spectre analysé. 15. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à surveiller la longueur de l'impulsion laser. 16. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à modifier la relation entre le plan focal de la lumière laser et la pièce.