Brevet FR2672984A1 — publié le 19920821

i PROCEDE DE CONTROLE D'UN TRAITEMENT DE SURFACE REALISE PAR BALAYAGE D'UN FAISCEAU RADIATIF, EN PARTICULIER D'UN FAISCEAU LASER L'invention concerne un procédé de contrôle d'un traitement de surface réalisé sur une zone superfi- cielle d'une pièce par balayage d'un faisceau radiatif, en particulier d'un faisceau laser continu, permettant d'améliorer la reproductibilité du traitement de surface, de simplifier les recherches des paramètres de ce traite- ment, et de l'appliquer à des pièces de géométrie complexe. Cette invention est issue des travaux conjoints de la Société BERTIN & CIE et de l'Etablissement Technique Central de l'Armement (Arcueil). Le procédé conforme à l'invention consiste à relever périodiquement et à enregistrer un profil de tem- pérature à la surface de la pièce, par exemple le long d'un segment de droite passant par la zone traitée de la pièce, à calculer en temps réel la température en au moins un point situé dans l'épaisseur de la pièce à la verticale d'un point dudit segment de droite, à comparer les valeurs de température relevées en surface et calcu- lées en profondeur à des valeurs correspondantes de consigne, et à commander en temps réel et en fonction des résultats de ces comparaisons la puissance du faisceau utilisé pour le traitement de surface et/ou la vitesse de balayage par le faisceau de la zone traitée de la pièce. Le procédé selon l'invention permet donc d'évaluer en temps réel des températures en volume dans la pièce à partir de mesures de température effectuées sur la surface de la pièce, pour contrôler simultanément, en temps réel, une température en surface et une tempéra- ture en volume dans la pièce par rétroaction sur la puis- sance du faisceau et sur la vitesse de balayage, ce qui permet de réaliser un traitement thermique donné et donc de conférer à la pièce des caractéristiques mécaniques déterminées. Selon une autre caractéristique de l'invention, ce procédé consiste également à rechercher le point situé à une profondeur donnée dans l'épaisseur de la pièce, dont la température est maximale. Pour cela, le procédé consiste à calculer les températures en deux points situés à la même profondeur dans la pièce à la verticale de deux points du segment de droite précité, à déterminer celui de ces deux points qui a la température la plus élevée, à déplacer le point de calcul d'une distance prédéterminée vers ce point ayant la température la plus élevée, et à répéter ces calculs pour déterminer le maximum de température de la pièce à une profondeur donnée. Le calcul de la température en un point situé dans l'épaisseur de la pièce est réalisé au moyen d'une fonction de convolution, en tenant compte de l'épaisseur de la pièce sous le point de calcul et en approximation monodimensionnelle. On peut ainsi calculer la température en n'importe quel point situé dans l'épaisseur de la pièce à la verticale d'un point de surface considéré. De façon à pouvoir effectuer le calcul en temps réel, le procédé prévoit de calculer à l'avance les fonctions de convolution pour une intégration tenant compte d'un nombre prédéterminé de profils de température relevés à la surface de la pièce. Le procédé selon l'invention permet, de façon générale, de contrôler en temps réel la qualité d'un traitement de surface réalisé par balayage d'un faisceau radiatif, notamment d'un faisceau laser continu, et peut s'appliquer à n'importe quel traitement de surface com- prenant un balayage par un faisceau radiatif, dont la puissance peut être modulée à des fréquences qui peuvent être comprises entre 1 et 100 Hz par exemple. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci appa- raitront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux des- sins annexés dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement les moyens de mise en oeuvre du procédé selon l'invention; la figure 2 représente schématiquement une pièce comportant une zone superficielle traitée conformé- ment à l'invention. Le système de mise en oeuvre de l'invention, représenté schématiquement en figure 1, comprend essen- tiellement un micro-ordinateur 10 du type "IBM-PC" par exemple, comprenant un processeur de type 386 et un co- processeur arithmétique capables de réaliser un certain nombre de fonctions à partir des moyens représentés sché- matiquement sous forme de blocs en figure 1 et qui com- prennent: une entrée 12 d'une consigne de température de surface de la pièce à traiter, et une entrée 14 d'une consigne de température en profondeur dans la pièce à traiter, un comparateur 16 recevant la consigne de température superficielle et un signal de température me- surée sur la pièce, et un comparateur 18 recevant la consigne de température en profondeur et un signal repré- sentant une température calculée en profondeur dans la pièce, des moyens 20 recevant les signaux de sortie des comparateurs 16 et 18 et générant des signaux de com- mande appliqués respectivement à un générateur laser 22 et à des moyens 24 de déplacement dans une direction don- née de la pièce à traiter, et des moyens 26 de calcul en temps réel de la température d'un point situé dans l'épaisseur de la pièce à une profondeur déterminée, la sortie de ces moyens de calcul étant reliée au comparateur 18. Le système comprend également un moyen 28, tel qu'un pyromètre optique à balayage ligne, permettant de relever des températures en surface de la pièce 30 et de générer des signaux de sortie correspondant à ces tempé- ratures, pour les transmettre d'une part aux moyens 26 de calcul de température en profondeur et d'autre part à des moyens 32 de détection analogique de maximum, dont la sortie est reliée au comparateur 16. Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre de la façon suivante: la pièce 30 est déplacée par la table 24 dans une direction indiquée par la flèche 34 en figure 2 et subit un traitement superficiel sur une zone 36 de sa surface exposée au faisceau émis par le générateur laser 22. Le pyromètre 28 permet de relever, à une fré- quence déterminée, des profils de température sur la sur- face traitée de la pièce 30, ces profils étant acquis par exemple par un balayage permettant de mesurer l'émission infrarouge de points d'un segment de droite 38 à la sur- face de la pièce 30, le segment de droite 38 ayant une position fixe par rapport à la zone traitée 36 et coupant cette zone traitée, ce segment 38 étant de préférence pa- rallèle à la direction de déplacement de la pièce (ou à la direction de balayage du faisceau laser). Les signaux de sortie du pyromètre optique 28, correspondant aux températures des points du segment de droite 38 sont numérisés, convertis en valeurs de tempé- rature et enregistrés en mémoire. Par exemple, le segment de droite peut avoir une longueur d'environ 10 cm, et comprendre cent points de mesure de température Le profil des températures cor- respondant à ce segment peut être relevé toutes les 20 millisecondes par exemple. Le procédé selon l'invention permet de recons- tituer, à un instant donné, l'évolution thermique dans le temps d'un point précis de la surface de la pièce 30 par interpolation spatiale de plusieurs profils de tempéra- ture comprenant ce point Une fonction de convolution permet ensuite de calculer la température en n'importe quel point de la pièce, situé à la verticale du point de surface considéré, le calcul étant fait en tenant compte de l'épaisseur de la pièce sous le point de calcul, et en approximation monodimensionnelle. Cette fonction de convolution permet de calcu- ler très rapidement des solutions approchées des équa- tions de diffusion de la chaleur dans la pièce. Pour effectuer un suivi en temps réel du maxi- mum de température à une profondeur donnée dans la pièce, le procédé prévoit de calculer les températures en deux points situés à la même profondeur dans la pièce et écar- tés l'un de l'autre d'une distance déterminée, à la ver- ticale du segment de droite 38 On sélectionne ensuite le point ayant la température la plus élevée et on déplace dans le repère de calcul, le point de calcul d'une dis- tance prédéterminée dans la direction du point le plus chaud. Par exemple, les deux points situés à la même profondeur et dont on calcule les températures peuvent être distants de lmm Le point de calcul est ensuite dé- placé de 0,5 mm (pour de l'acier) dans la direction du point le plus chaud. Le procédé consiste également à calculer les fonctions de convolution à l'avance en fonction de l'épaisseur de la pièce 30 et de ses caractéristiques thermiques, pour une intégration tenant compte d'un nombre prédéterminé de profils de température précédem- ment acquis Ce nombre est par exemple de 40. Lorsque la pièce 30 est en matériau très conducteur (par exemple en cuivre ou en aluminium), il 6 n'est pas nécessaire de tenir compte de tous les profils de température relevés successivement (à des intervalles de 20 millisecondes par exemple), mais il est par contre intéressant de tenir compte d'une évolution thermique sur5 un intervalle de temps plus important On peut donc uti- liser pour ces matériaux très conducteurs de la chaleur un nombre de profils de température égal par exemple à , et de tenir compte d'un profil de température sur 4, ce qui conduit à calculer les fonctions de convolution pour une intégration tenant compte de 40 profils de température séparés les uns des autres par des intervalles de temps de 80 millisecondes. Chaque calcul permettant le suivi d'un maximum de température de la pièce à une profondeur donnée, peut être effectué en un temps inférieur à 10 millisecondes sur un micro- ordinateur du type décrit en référence à la figure 1. Les signaux de sortie des moyens 32 de détec- tion analogique de maximum et des moyens 26 de calcul de température en profondeur sont appliqués aux comparateurs 16 et 18 respectivement, qui reçoivent également les consignes de température en surface et de température en profondeur Les signaux de sortie de ces comparateurs, qui correspondent aux différences entre les consignes et, respectivement, le maximum de température en surface, d'une part, et la température en profondeur, d'autre part, sont appliqués aux entrées des moyens 20 de com- mande du générateur laser 22 et des moyens 24 de déplace- ment de la pièce, pour régler la puissance du laser et la vitesse de déplacement (vitesse de balayage). On peut ainsi, par exemple, contrôler le trai- tement thermique en fonction des maxima de température en surface et à une profondeur donnée et de leur évolution, et par exemple déterminer une durée de maintien possible d'une au moins de ces températures au- dessus de la consigne. Il est également possible, au prix d'une plus grande complexité des calculs, de relever une carte bidi- mensionnelle des températures de surface de la pièce, pour calculer ensuite les températures en profondeur.5 L'invention permet donc un contrôle en temps réel de la qualité d'un traitement de surface effectué par balayage d'un faisceau laser sur une pièce, et permet également de commander en temps réel la puissance du faisceau laser et la vitesse de balayage pour obtenir un traitement de surface de qualité déterminée. De façon générale, l'invention est applicable à n'importe quel traitement de surface utilisant un ba- layage de la surface d'une pièce et une modulation de la puissance du laser ou d'un autre élément chauffant, à une fréquence de l'ordre de 1 à 100 Hz par exemple. REVENDICATIONS 1 Procédé de contrôle d'un traitement de sur- face réalisé sur une zone d'une pièce par balayage d'un faisceau radiatif, en particulier d'un faisceau laser continu, caractérisé en ce qu'il consiste à relever pé- riodiquement et à enregistrer un profil de température à la surface de la pièce ( 30), par exemple le long d'un segment de droite ( 38) passant par la zone traitée ( 36) de la pièce, à calculer en temps réel la température en au moins un point situé dans l'épaisseur de la pièce à la verticale d'un point dudit segment de droite, à comparer les valeurs de température relevées en surface et calcu- lées en profondeur à des valeurs correspondantes de consigne, et à commander en temps réel et en fonction des résultats de ces comparaisons la puissance du faisceau utilisé pour le traitement de surface et/ou la vitesse de balayage par le faisceau de la zone traitée ( 36) de la pièce. 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il consiste à déterminer le point de tempé- rature maximale d'un profil de température relevé en sur- face de la pièce. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à rechercher le point situé à une profondeur donnée dans l'épaisseur de la pièce, dont la température est maximale. 4 Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il consiste à calculer les tempéra- tures en deux points situés à la même profondeur dans la pièce à la verticale du segment de droite précité, à dé- terminer celui de ces deux points qui a la température la plus élevée, à déplacer le point de calcul d'une distance prédéterminée vers le point à température la plus élevée, et à répéter ces calculs pour déterminer le maximum de température de la pièce à la profondeur considérée. Procédé selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à calculer la température en profondeur de la pièce au moyen d'une fonction de convolution, en tenant compte de l'épaisseur de la pièce, de ses caractéristiques thermiques et des profils de température enregistrés en mémoire. 6 Procédé selon la revendication 5, caracté- risé en ce qu'il consiste à calculer à l'avance les fonc- tions de convolution pour une intégration tenant compte d'un nombre prédéterminé de profils de température enre- gistrés en mémoire. 7 Procédé selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que le segment de droite ( 38) précité est parallèle à la direction de déplacement ( 34) de la pièce ou à la direction de balayage du faisceau. 8 Procédé selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce qu'on relève le profil de température du segment de droite ( 38) par mesure de son émission infra-rouge en un certain nombre de ses points, au moyen d'un pyromètre optique ( 28) à balayage ligne.