Brevet FR2651508A1 — publié le 19910308

DISPOSITIF DE TRAITEMENT DE PIECES PAR CHOCS LASER DESCRIPTION La présente invention a pour objet un dispo- sitif de traitement de pièces par chocs laser. Elle trouve une application notamment en métallurgie, dans l'améLioration de la tenue en fatigue des métaux. On sait qu'il est possible de traiter des matériaux en leur faisant subir un ou des chocs obtenus en dirigeant, sur un échantillon du matériau à traiter, des impulsions très brèves de rayonnement laser. Un tel procédé est décrit par exemple dans US-A-3,850,698, dans EP-A-O 094 912 et dans EP-A-O 085 278. Dans un tel procédé, on recouvre l'échantil- Lon à traiter d'une couche mince d'un matériau opaque à la longueur d'onde du rayonnement laser employé, et on dispose un matériau transparent (liquide ou solide) devant la couche absorbante. Le rôle du matériau transparent placé devant le revêtement absorbant est de contrarier la détente du plasma qui se forme à l'interface milieu transpa- rent-revêtement absorbant et de prolonger la durée pendant laquelle s'exerce la pression sur l'échantil- lon. Le document FR-A-2 624 138 décrit par ail- leurs un procédé permettant d'accroître la profondeur à laquelle les contraintes de compression sont indui- tes. Ce résultat est obtenu par l'utilisation d'une impulsion laser dont le flux lumineux dépasse le seuil au-delà duquel tout matériau transparent devient le siège de phénomènes de claquage qui fait passer le matériau à l'état opaque. Les photons sont alors absor- bés à l'intérieur de ce milieu, ce qui provoque une pression empêchant ce milieu de se mettre en mouvement sous l'effet de la pression de plasma créée à l'inter- face milieu transparent-couche absorbante. L'installation représentée sur la figure 1 correspond à ces techniques connues. On y voit un laser 10 (par exemple un laser à verre dopé au néodyme fonctionnant en régime déclenché et émettant un rayon- nement à 1, 06 pm), une lame semi-réfLéchissante 12 renvoyant une faible partie (inférieure à 1%) de la lumière incidente vers un photodétecteur 14, un miroir 16, éventuellement un convertisseur de fréquence 18 capable de doubler ou de quadrupler La fréquence, une lentille de focalisation 20. Le poste de travail comprend un plateau 24 de hauteur variable, sur lequel est disposé un échantillon à traiter 26, recouvert d'une couche absorbante 28 et plongeant dans un liquide 32 placé dans une cuve 34. Bien que donnant satisfaction à certains égards, ces procédés présentent un inconvénient lié à ce que le faisceau lumineux issu du laser doit traverser le liquide transparent -(par exemple l'eau)-avant de venir frapper la surface de La pièce à traiter. Or, cette surface n'est pas nécessairement plane et parallèle à la surface libre du liquide, de sorte que la hauteur d'eau n'est pas constante d'un point à l'autre de la surface. Comme l'eau absorbe en partie le faisceau lumineux, les conditions d'irradiation de la surface de la pièce varient, sauf à modifier la position de la pièce pour rétablir une hauteur d'eau constante, ce qui est très complexe. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient. A cette fin, elle propose un dispo- sitif permettant de s'affranchir de cette contrainte de constance de la hauteur d'eau. Ce but est atteint par l'utilisation d'un guide de lumière dont l'extrémité plonge dans le liqui- de. La fonction remplie par ce guide est moins la fonction traditionnelle des guides qui est de diriger un faisceau Lumineux, que d'éviter à ce faisceau la traversée de la totalité de La couche de liquide. La Lumière ne traverse celui-ci que dans La partie non immergée du guide et cette partie peut être mainte- nue d'épaisseur constante sans difficulté en immergeant plus ou moins l'extrémité du guide. Si la profondeur de la zone à traiter augmente par exempLe, le guide sera davantage immergé dans le Liquide, sans que La lumière n'ait à traverser une hauteur d'eau plus impor- tante et inversement. De façon précise, La présente invention a donc pour objet un dispositif de traitement de pièces par chocs lasers, comprenant un Laser, des moyens optiques pour diriger Le faisceau émis par le laser sur la pièce à traiter et des moyens pour recouvrir cette pièce d'un liquide transparent, ce dispositif étant caractérisé par le fait que les moyens optiques sont constitués par un guide de Lumière présentant une extrémité d'entrée couplée au Laser et une extrémi- té de sortie plongeant dans Le Liquide, cette extrémité de sortie étant tenue en regard de La pièce à traiter à une distance réglable de ceLLe-ci. Par guide de lumière, on entend tout moyen permettant de canaliser un faisceau lumineux. Il peut s'agir en particulier d'une fibre optique, ou d'un faisceau de fibres optiques, par exemple en verre ou en silice. Les fibres peuvent avoir une composition uniforme, ou présenter un gradient d'indice ou un saut d'indice. La face de sortie du guide peut être recouverte d'une couche antireflet (pour optimiser un fonctionnement dans un liquide transparent). Mais Le guide de Lumière peut être constitué aussi d'un tube creux, par exemple en verre, fermé côté laser par une fenêtre et ouvert côté immergé. La lumière est alors guidée dans ce tube jusqu'à la surface du liquide, lequel pénètre très légèrement dans le tube, mais ne le remplit pas du fait de la pression qui règne dans le tube fermé à l'autre extré- mité. Il peut s'agir encore d'un tube conique creux aux parois réfléchissantes, la plus grande sec- tion du cône étant disposée côté laser et étant fermée par une fenêtre et la plus petite section plongeant dans le liquide et étant ouverte. A la différence du tube creux précédent, il apparaît un effet de foca- lisation du rayonnement entre l'entrée du cône o la densité par unité de surface peut être relativement faible, et la sortie o elle est beaucoup plus élevée. De toute façon, les caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur quelques exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et nullement limitatif, et se réfère à des dessins annexes sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, illustre une installation conforme à l'art antérieur, - la figure 2 montre un dispositif à butée selon la présente invention, - la figure 3 montre une variante avec injec- tion d'eau, - la figure 4 montre une variante à embout interchangeable, la figure 5 illustre deux exemples de guide à surface de sortie courbe, la figure 6 illustre une variante destinée au traitement d'arêtes vives, la figure 7 (a, b, c, d) montre quelques modes de réalisation du dispositif de l'invention pour le traitement de La paroi intérieure d'un tube, - la figure 8 montre une variante pour Le traitement d'un bord au niveau d'un changement de section intérieure d'un tube, - la figure 9 illustre un ensemble type "pistolet" permettant de déplacer les moyens de traite- ment. On voit, sur la figure 2, un dispositif comprenant des éléments déjà représentés sur la figure 1, à savoir un laser 10, une pièce à traiter 26 bai- gnant dans un liquide transparent 32 contenu dans une cuve 34. Selon l'invention, le dispositif comprend un guide de lumière 40 ayant une extrémité d'entrée 42 optiquement couplée au laser 10 et une extrémité de sortie 44 plongeant dans le liquide 32. Cette extrémité est tenue par une butée 46 de telle sorte que la face de sortie du guide et la surface de la pièce de sortie soient distantes de h. Ainsi, quelle que soit la hauteur H de la partie immergée (hauteur qui peut varier en fonction de l'évaporation du liqui- de, ou, comme on le verra plus loin, selon la forme de la surface à bombarder), la distance h demeure la même. Des orifices 48 d'évacuation de la surpres- sion peuvent être prévus dans La butée 46. Selon la partie (a) de la figure 2, le con- duit 40 tel que représenté pourrait être un guide plein, comme une fibre optique ou un faisceau de fibres optiques. Sur la partie (b), on voit une autre variante o le guide est un tube creux 42' fermé par une fenêtre 43'. Sur la partie (c), est illustrée la variante o le guide est un cône 42" aux parois 45 réfléchis- santes, ce cône étant fermé par une fenêtre 43". Dans la variante illustrée sur La figure 3, la butée 47 présente une forme semi-cylindrique et sert à la fois de moyen pour tenir en place l'extré- mité 44 du guide de lumière et de moyen d'injection d'eau par un conduit 49. Ce montage facilite le nettoyage de la surface traitée. Sur la figure 4, l'extrémité 44 du guide est munie d'un embout interchangeable 50 dont la face de sortie 51 présente une forme semblable à celle de la surface à traiter. Cet embout est consommable. Il peut être changé à tout moment en fonction de son usure ou lorsque la surface de la pièce à traiter change de forme. Les figures 5 à 8 illustrent plus particuliè- rement diverses formes pour l'extrémité 44, dans le cas o le guide de lumière est constitué par un fais- ceau de fibres optiques. Sur la figure 5 tout d'abord, on voit (partie a) une surface 52 concave, la pièce à traiter 26 étant convexe et (partie b) une surface 53 convexe, la pièce à traiter 2b étant concave. Sur la figure 6, l'extrémité est éclatée en trois parties 44/1, 44/2 et 44/3, ce qui permet de traiter les arêtes vives de la pièce 26 (qui est par exemple une dent de pignon). Les figures 7 et 8 se rapportent à des pièces ayant la forme de tubes creux, la partie à traiter étant la paroi intérieure de ces tubes. Sur la figure 7(a), la paroi à traiter porte la référence 58 et la pièce 60 est une bague cylindrique apte à être déplacée à l'intérieur du tube. Le faisceau de fibres optiques s'évase en couronne 62 et permet l'irradiation de la paroi 58 le long d'une couronne. Sur la partie (b), l'extrémité 44 présente un coude 64 et est tenue dans une bague cylindrique 65. Sur la partie (c), L'extrémité 44 est asso- ciée à un- miroir 70, orienté à 45 de L'axe 71 du tube. Un tel miroir a La propriété de maintenir cons- tant Le trajet de la lumière dans l'eau entre la face de sortie des fibres 44 et la paroi intérieure du tube. Dans ce cas, L'ensembLe fibres- miroir peut tourner autour de L'axe 71. La variante de La figure d correspond à l'utilisation d'un cône réfléchissant 72 placé sur l'axe 71. La figure 8 montre un mode de réalisation correspondant au traitement d'un bord 80, au niveau d'un changement de section d'un tube. La surface 82 de L'extrémité 44 du guide présente la forme complémen- taire. Enfin, La figure 9 illustre un dispositif comprenant une enceinte étanche 84 remplie de liquide transparent 85, avec un passage étanche 86 permettant l'introduction de l'extrémité 44 du guide de lumière. L'enceinte comprend, à sa partie inférieure, une membrane souple 88 apte à être appliquée sur la pièce à traiter 26. Un conduit 90 est prévu pour l'alimentation en liquide sous pression ainsi qu'un conduit d'évacuation 92. Le dispositif comprend encore une poignée 94 permettant à un opérateur de saisir l'appareil, de le déplacer et de le plaquer contre la pièce à traiter. A la partie supérieure peut être disposé un amortisseur de choc 96, constitué par exemple par un réservoir d'air étanche couplé à l'enceinte par une membrane souple. Enfin, un microcontact de sécurité 98 peut être disposé à la partie inférieure. Ce contact se ferme lors de la mise en appui de l'ensemble sur la surface à traiter. Cette fermeture déclenche la mise sous pression de L'eau et autorise Le tir laser. Mais ce tir n'est effectué que sur commande manueLLe. L'invention qui vient d'être décrite est applicable aussi bien dans Le cas du procédé à dépas- sement seuil décrit dans FR-A-2 624 138 cité plus haut que dans les procédés décrits dans les autres documents cités. REVENDICATIONS 1. Dispositif de traitement de pièces par chocs Laser, comprenant un laser (10), des moyens optiques (12, 16, 18, 20) pour diriger Le faisceau émis par Le Laser sur La pièce à traiter et des moyens (34) pour recouvrir cette pièce d'un Liquide (32), ce dispositif étant caractérisé par Le fait que Les moyens optiques sont constitués par un guide de Lumière (40) présentant une extrémité d'entrée (42) couplée au Laser (10) et une extrémité de sortie (44) plongeant dans Le Liquide (32), cette extrémité de sortie étant tenue face à la pièce à traiter et à une distance régLabLe de ceLLe-ci. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par Le fait que le guide de lumière (40) est constitué par une fibre optique. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le guide de lumière (40) est constitué par un faisceau de fibres optiques. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le guide de lumière est un tube creux (42') ayant une extrémité fermée par une fenêtre (43') côté Laser et une autre extrémité ouverte et plongeant dans le liquide. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le guide de lumière est un cône (42") aux parois (45) réfléchissantes ayant une première extrémité de grande section disposée côté laser et fermée par une fenêtre (43") et une seconde extrémité ouverte et plongeant dans le liquide et de petite section. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens pour tenir l'extrémité de sortie du guide sont constitués par une butée réglable (46, 47). 7. Dispositif seLon la revendication 6, caractérisé par Le fait que la butée réglable (47) est munie de moyens pour établir une circulation de liquide au voisinage de la surface de La pièce traitée. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'extrémité de sortie (44) du guide (40) comprend un embout interchangeable (50). 9. Dispositif selon La revendication 1, caractérisé par le fait que L'extrémité de sortie (44) du guide (40) présente une surface (51, 52, 53) dont La forme est adaptée à la forme de la surface de la pièce à traiter (26). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que la surface de l'extrémité de sortie présente une forme concave (52), la pièce à traiter ayant une surface convexe. 11. Dispositif seLon La revendication 9, caractérisé par le fait que la surface de L'extrémité de sortie présente une forme convexe (53), la pièce à traiter ayant une surface concave. 12. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la pièce à traiter étant la paroi intérieure (58) d'un tube creux, les moyens pour tenir l'extrémité du guide de lumière au voisinage de la pièce à traiter sont constitués par une bague cylindrique (60, 65) apte à être déplacée à l'intérieur de ce tube. 13. Dispositif selon les revendications 3 et 12, caractérisé par le fait qu'à l'extrémité de sortie, le faisceau de fibres optiques s'évase en couronne (62) dans la bague cylindrique (60) pour permettre l'irradiation d'une couronne sur La paroi intérieure (58) à traiter. 14. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par Le fait qu'iL comprend une enceinte étanche (84) remplie de liquide transparent (85), l'extrémité (44) du guide de lumière pénétrant dans cette enceinte par un passage étanche (86), l'enceinte comprenant à sa partie inférieure une membrane souple (88) apte à être appliquée sur la pièce à traiter (26), un conduit (90) d'alimentation en liquide sous pression de l'enceinte, une poignée (94) permettant à un opérateur de déplacer et d'appliquer le dispositif une zone à traiter. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait que l'enceinte (84) est munie, à sa partie supérieure, d'un amortisseur de choc (96). 16. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait que La membrane (88) est reliée à un microcontact (98) de sécurité.