Brevet FR2679809A1 — publié le 19930205

L'invention se rapporte principalement à l'observation de la zone d'interaction entre un faisceau laser, notamment de puissance, et de la matière. I1 est connu dtobserver l'interaction entre de la matière et le rayonnement provenant d'un laser, notamment dans le cadre du traitement de pièces à l'aide d'un faisceau laser. On a proposé d'utiliser à cet effet un miroir dont la surface réfléchissante est inclinée par rapport à l'axe du faisceau laser pour réfléchir l'image de la zone à observer. Pour éviter une interaction dommageable entre le faisceau laser et le miroir, on utilise un miroir plan de faibles dimensions décalé par rapport au faisceau laser, ce qui ne permet d'obtenir qu 'une image faiblement lumineuse de la zone d'interaction à observer. La présente invention résultant de travaux conjoints de la Société Electronique-Informatique Applications et de l'Etablissement Technique Central de l'Armement se propose de fournir un dispositif d'observation évitant notamment cet inconvénient. Le dispositif selon l'invention est essentiellement caractérisé par le fait que le miroir comporte une ouverture pour laisser passer le faisceau laser. Ainsi l'axe de l'image observée de la zone d'interaction et l'axe du faisceau laser sont sensiblement confondus au voisinage de la zone d'interaction entre le faisceau laser et de la matière. Cela a pour avantages d'une part, que l'on recueille une image de forte intensité lumineuse de la zone à observer, et que d'autre part, le faisceau laser traversant le miroir au travers de l'ouverture prévue à cet effet, on évite toute interaction entre le faisceau et le miroir. Ceci est particulièrement important dans le cas des lasers de forte puissance, comme par exemple des lasers à C02 avec lesquels un contact du faisceau avec le miroir pourrait endommager ce dernier. L'invention a aussi pour objet un dispositif de traitement d'une pièce par un faisceau laser, comportant un laser de puissance, notamment un laser à C02, caractérisé par le fait qu'il comporte un tel dispositif d'observation. L'invention a également pour objet un procédé de traitement d'une pièce par un faisceau laser, notamment de découpe, de soudure ou de traitement superficiel tel qu'une trempe mettant en oeuvre un dispositif de traitement équipé d'un dispositif d'observation selon l'invention, caractérisé par le fait que 1 'on effectue une acquisition de données par projection de la lumière réfléchie par la surface réfléchissante du miroir sur des moyens d'acquisition de données photo-électriques avec élaboration de signaux électriques correspondant à l'observation de la zone d'interaction entre une pièce de matière à traiter et le faisceau laser et l'on élabore des signaux de consigne d' asservissement du fonctionnement du dispositif à partir des signaux électriques d'observation de ladite zone d' interaction. L tinvention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées données comme des exemples non limitatifs parmi lesquels - la figure 1 est une vue en coupe d'un premier exemple de réalisation du dispositif d'observation selon la présente invention - la figure 2 est une vue en coupe d'un second exemple de réalisation de dispositif dtobservation selon la présente invention - la figure 3 est un schéma explicatif illustrant des possibilités d'utilisation des signaux recueillis par le dispositif d'observation selon la présente invention. Sur les figures 1 à 3, on a utilisé les mêmes références pour désigner les mêmes éléments. Sur la figure 1, on peut voir un dispositif selon la présente invention comportant un miroir 1 dont la surface réfléchissante 2 est inclinée par rapport à l'axe 3 d'un faisceau laser symbolisé par la flèche 4. Avantageusement, le miroir 1 dévie la trajectoire de la lumière réfléchie par la zone d'interaction 6 entre le faisceau laser 4 et une pièce de matière 7 d'approximativement 900. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, l'axe d'observation symbolisé par la flèche 27 est sensiblement orthogonal à l'axe 3 du faisceau de laser 4. La direction de l'axe 3 du faisceau laser 4 fait un angle de sensiblement 45" avec la normale à la trace de la surface réfléchissante 2 du miroir 1 au niveau de l'intersection de celle-ci et du faisceau 4. On entend par trace le prolongement de la surface réfléchisssante 2 au niveau de 1 T ouverture 5 du miroir 1. Ceci facilite la disposition de moyens d'acquisition de données (non représentés), par exemple du type caméras de télévision ou cellules photo-électriques. Avantageusement, la surface 2 réfléchissante du miroir 1 est concave. Elle permet ainsi l'observation de la surface d'interaction 6 entre le faisceau laser 4 et une pièce de matière 7, sans zone d'ombre. Comme représenté sur la figure 1, la surface optique 2 du miroir 1 est focalisée sur le point central de la zone d'interaction 6 renvoyant à l'infini une image réelle de cette zone. La surface 2 présente toute forme appropriée et est par exemple sphérique, hyperbolique, ou avantageusement parabolique. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, le miroir 1 a une forme prismatique et une ouverture 5 a une forme de tronc de cône pour le passage du faisceau laser. Avantageusement, le miroir 1 est disposé dans la tête optique du laser. Il se trouve entre les moyens de mise en forme terminale du faisceau laser et la zone d'interaction 6. Dans le cas où le laser est mis en oeuvre pour la découpe d'une pièce de matière 7 comme illustrée sur la figure 1, les moyens de mise en forme terminale du faisceau laser, non illustré, comporte généralement une lentille de focalisation du faisceau (lentille prévue pour la ou les longueurs d'onde du laser). Dans l'exemple illustré sur la figure 1, le dispositif d'observation selon la présente invention comporte des fenêtres assurant l'étanchéité par exemple par rapport au laser et/ou un éventuel gaz d'assistance. Un tel gaz d'assistance peut par exemple comporter principalement de l'oxygène dans le cas d'une découpe, ou de l'argon et/ou de l'hélium dans le cas d'autres traitements. Le dispositif illustré à la figure 1 comporte en outre des moyens de réglage optiques 8 manoeuvrables à l'aide de mollettes de réglage 9. Sur la figure 2, on peut voir un exemple de réalisation de dispositif d'observation selon la présente invention comportant deux capteurs 10 et 11 recevant chacun une partie de la lumière provenant de la zone d'interaction 6. Dans l'exemple illustré, le faisceau réfléchi par le miroir I est partagé par un miroir de séparation de faisceau semi-transparent 12 avantageusement à faces parallèles planes, de préférence incliné à 45a par rapport à l'axe du faisceau de la lumière réfléchie. Dans des variantes de réalisation, il est possible de prévoir plusieurs tels miroirs de séparation. Le capteur 10 comporte une cellule photo-électrique délivrant un signal 13 dont l'intensité ou la tension est une fonction de l'éclairement reçu. Par exemple, la cellule 10 délivre un signal 13 proportionnel, dans une plage d'amplitude, à la luminosité reçue. Dans l'exemple illustré sur la figure 2, le faisceau est focalisé par une lentille 14 sur la surface de la cellule 10. Le capteur 11 est par exemple constitué par une caméra de télévision équipée d'un objectif 15. Avantageusement, la caméra de télévision 11 comporte un dispositif à transfert de charge (CCD en terminologie anglo-saxonne). La caméra 11 délivre un signal vidéo 16. Le dispositif selon la présente invention comporte des moyens d'acquisition de données (non représentés) qui permettent de fournir les informations désirées sur la zone d'interaction 6. Par exemple, le dispositif selon la présente invention peut être équipé de moyens d'acquisition de données travaillant dans des longueurs d'ondes différentes, par exemple, dans les domaines infrarouge, visible et/ou ultraviolet. Le ou les miroirs 12 assurent avantageusement les filtrages en fréquence. Par exemple, les miroirs 12 sont dans un tel cas des miroirs dichroiques. D'autres types de capteurs peuvent être utilisés selon l'invention, notamment des capteurs ayant des réactions ultra rapides et/ou équipés d'objectifs de focales différentes. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 2, le faisceau d'observation focalisé par la surface 2 du miroir 1 est renvoyé par un premier miroir 17 disposé à 45" en direction du miroir de séparation de faisceau 12. Une partie du faisceau est renvoyée par un second miroir 18 disposé à 45 par rapport au faisceau, vers la caméra 11. La tête optique 19 de la figure 2 comporte une fenêtre 20 permettant le passage du faisceau d'observation. La fenêtre d'entrée du faisceau laser 4 est constituée par une lentille de focalisation 21. On évite ainsi l'interposition d'un élément supplémentaire pour la transmission du faisceau laser 4, susceptible d'être détérioré, de subir un vieillissement sous l'effet du faisceau incident et d'introduire des perturbations du faisceau comme par exemple des pertes ou des modifications de répartition de l'intensité du faisceau. Le dispositif de la figure 2 comporte en outre une buse 22. Il peut comporter en outre un dispositif d'amenée de gaz d'assistance à la buse 22, non représenté sur la figure. Le dispositif selon la présente invention permet notamment d'améliorer le résultat d'un traitement d'une matière 7 par le faisceau laser. L'amélioration dépend du type de traitement réalisé. il peut s' agir par exemple d'un usinage notamment de type découpe ou de soudure, ou traitement de surface, notamment de trempe avec ou sans dépôt de poudre. L'efficacité des traitements mettant en oeuvre un laser peut être améliorée en réalisant un asservissement du dispositif de traitement et du dispositif d'observation selon la présente invention. Il est par exemple possible d'asservir la puissance du laser, la vitesse du déplacement relative de la pièce traitée par rapport au faisceau laser, le point de focalisation du faisceau laser sur la matière et/ou le débit du gaz d'assistance. Il est bien entendu que d'autres types d'asservissements peuvent être mis en oeuvre sans sortir du cadre de la présente invention. Sur la figure 3, on peut voir un schéma de dispositif d'asservissement à partir des données recueillies par le dispositif d'observation selon la présente invention. Le dispositif de la figure 3 comporte un circuit d'élaboration de corrections 22. Ce circuit reçoit les signaux des moyens d'acquisition des données. Dans l'exemple illustré, il reçoit les signaux 13 provenant de la cellule photo-électrique 10 et les signaux 16 provenant de la caméra de télévision 11. Avantageusement, le circuit d'élaboration de correction 22 est un circuit numérique. Il s'agit par exemple d'un automate programmable, ou avantageusement d'un ordinateur industriel. Les signaux 13 et 16 provenant des capteurs analogiques utilisés dans l'exemple illustré sont numérisés. Il est bien entendu que l'utilisation de capteurs numériques ne sort pas du cadre de la présente invention. Les circuits d'élaboration de corrections 22 élaborent des signaux de consigne de boucles d'asservissement permettant d'améliorer le traitement désiré. Par exemple, si le dispositif de traitement d'une découpe rugueuse, l'intensité lumineuse de la zone d'interaction 6 entre le faisceau laser 4 et la matière 7 varie. Cette variation de luminosité se traduit par une variation du signal 13 délivré par la cellule photo-électrique 10. Les circuits d'élaboration de corrections 22 vont apporter en temps réel les modifications nécessaires pour réduire la rugosité de la découpe et ainsi améliorer sa précision. De même, une analyse automatique de l'image fournie par la caméra 11 peut détecter des défauts. Une fois les défauts détectés, le circuit d'élaboration de corrections 22 fournit au robot industriel mettant en oeuvre le laser des consignes permettant d'améliorer la qualité du traitement. Il est à noter que toute amélioration du traitement est immédiatement constatée par les circuits d'élaboration de corrections 22 par l'analyse des signaux 13 et 16 délivrés respectivement par la cellule 10 et la caméra 11. Dans l'exemple illustré sur la figure 3, les circuits d'élaboration de corrections 22 fournissent des consignes à des moyens 23 d'asservissement de la puissance P du laser, des moyens 24 de contrôle de la vitesse de déplacement v de la pièce de matière 7, des moyens 25 d'asservissement de la distance h entre la zone d'interaction 6 et la lentille 21, ainsi que des moyens 26 de réglage de débit de gaz d'assistance. Les moyens 23 comportent par exemple un modulateur de puissance laser de type connu. La vitesse de déplacement de la pièce de matière 7 par rapport au faisceau laser 4 est obtenue en agissant sur deux moteurs électriques assurant le déplacement nécessaire selon deux axes perpendiculaires. Avantageusement, l'asservissement de la vitesse v permet d'obtenir la vitesse la plus élevée du traitement compatible avec la qualité désirée. Ainsi, on peut augmenter les cadences de production. Les moyens 23, 24, 25 et 26 non décrits en détail peuvent être de tout type connu dans les robots industriels mettant en oeuvre le traitement de pièces par un faisceau laser. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'observation d'une zone d'interaction entre un faisceau laser et de la matière, comportant un miroir dont la surface réfléchissante est inclinée par rapport à l'axe d'un faisceau laser pour réfléchir l'image de la zone à observer, caractérisé par le fait que le miroir (1) comporte une ouverture (5) pour laisser passer le faisceau laser (4). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le miroir (1) est disposé entre les moyens de mise en forme finale (21) du faisceau laser (4) et la zone (6) d'interaction entre le faisceau laser (4) et de la matière (7). 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la surface réfléchissante (2) du miroir (1) est concave, notamment parabolique. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte un des moyens d'acquisition des données, de type photo-électrique, notamment une cellule photo-électrique (10). 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte une caméra de télévision (11), notamment une caméra comportant un dispositif à transfert de charge. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la direction de l'axe (3) du faisceau laser (4) fait un angle de sensiblement 45" avec la normale à la surface de la trace de la surface (2) du miroir (1) au niveau de l'intersection de celle-ci et du faisceau (4). 7 - Dispositif de traitement de matière par un faisceau laser comportant un laser de puissance, notamment un laser à C02 , caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif d'observation selon l'une quelconque des revendications précédentes. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens (24) d'asservissement de la vitesse de déplacement relative du faisceau laser (4) par rapport à la pièce de matière (7) à traiter. 9 - Dispositif selon les revendications 7 ou 8, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens (23) d'asservissement de la puissance du faisceau laser (4). 10 - Procédé de traitement d'une pièce de matière par un faisceau laser, notamment de découpe, de soudure ou de trempe mettant en oeuvre un dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé par le fait qu'on effectue une acquisition de données par projection de la lumière réfléchie par la surface réfléchissante (2) du miroir (1) sur des moyens d'acquisition des données photoélectriques (10) avec élaboration d'un signal électrique (13, 16) correspondant à l'observation de la zone d'interaction (6) entre une pièce de matière (7) et le faisceau laser (4) et l'on élabore des signaux de consigne d'asservissement du fonctionnement du dispositif de traitement à partir des signaux électriques (13, 16) d'observation de ladite zone d'interaction (6).