Brevet FR2694214A1 — publié le 19940204

DISPOSITIF DE REVETEMENT DE SURFACES A L'AIDE D'UNE POUDRE, ET TETE DE DEVERSEMENT DE POUDRE EQUIPANT CE DISPOSITIF La présente invention se rapporte à un dispositif de revêtement de surfaces de pièces à traiter, comprenant une optique focalisant un rayonnement laser pour former une zone focale sur une surface de la pièce à usiner, et une tête de déversement de poudre qui déverse de la poudre de revêtement sur la surface, sous la forme d'un jet de poudre, dans la région de la zone focale Dans les dispositifs de revêtement de surfaces utilisés jusqu'à présent, une poudre de revête- ment et un gaz de sustentation sont délivrés à la tête de dé- versement de poudre, à partir de laquelle ils sont déversés, sous la forme du jet, sur la surface de la pièce à usiner. L'inconvénient de dispositifs de ce type consiste en ce que, du fait que les paramètres relatifs au jet de poudre ne peuvent être définis que difficilement, le revêtement en- gendré ne peut pas, lui non plus, être défini dans les limi- tes souhaitées. En particulier, cette solution ne permet également pas une exploitation optimale de la poudre de revêtement. L'invention a par conséquent pour objet un dispositif de revêtement du type mentionné en introduction, perfectionné de manière à permettre l'obtention d'un jet de poudre pouvant être défini avec la plus grande précision possible, et pou- vant ainsi être optimalement exploité. Conformément à l'invention, dans un dispositif de re- vêtement de surfaces du type décrit ci-avant, ce résultat est atteint par le fait que la tête de déversement de poudre pré- sente un séparateur poudre-gaz qui sépare, en de la poudre de revêtement et en du gaz de sustentation, un mélange de poudre de revêtement et de gaz de sustentation délivré à la tête de déversement de poudre; et par la présence d'une bu- se qui met la poudre de revêtement, provenant du séparateur poudre-gaz, sous forme d'un jet de poudre comportant une géo- métrie bien définie, et dans lequel le gaz de sustentation est réduit. L'avantage de la solution conforme à l'invention ré- side dans le fait qu'il est possible d'obtenir dans la buse, suite à la séparation du mélange de poudre de revêtement et de gaz de sustentation dans le séparateur poudre-gaz, un jet de poudre réduit en gaz de sustentation et qui présente, par conséquent, une forte concentration en poudre de revêtement, ce qui implique à son tour qu'un tel jet de poudre peut être mis en forme, de manière simple, avec des dimensions bien définies. Un tel jet de poudre, présentant une plus forte con- centration en poudre de revêtement, permet de maintenir cons- tantes dans d'étroites tolérances, d'une manière notablement plus simple, les conditions d'amenée de la poudre de revête- ment, ce qui permet d'obtenir une qualité et une épaisseur plus uniformes de la couche devant être déposée sur la pièce à usiner. Il est particulièrement avantageux que la buse soit une buse à jet aplati Conjuguée à la solution conforme à l'invention, l'utilisation d'une buse à jet aplati est avan- tageuse étant donné que, suite à la forte concentration de la poudre de revêtement dans le jet de poudre, ce dernier peut être conçu mince et en forme de ruban, c'est-à-dire d'une hauteur modeste, ce qui autorise une exploitation op- timale du jet de poudre au stade du revêtement. De préférence, la largeur du jet de poudre représente un multiple élevé de son épaisseur et de sa hauteur. Pour pouvoir effectuer le revêtement de surface dans une atmosphère inerte, il est de préférence prévu que la buse soit pourvue d'une amenée de gaz protecteur, qui engendre une enveloppe de gaz protecteur pour le jet de poudre. Commodément, l'amenée de gaz protecteur est réalisée de façon telle qu'elle présente un orifice de sortie du gaz protecteur qui entoure l'orifice de décharge de poudre. Aucune indication précise n'a été fournie, jusque-là, concernant le séparateur poudre-gaz Il est possible d'envi- sager un grand nombre de dispositifs dans lesquels s'opère une séparation entre une poudre et un gaz de sustentation. Il est particulièrement avantageux que le séparateur poudre- gaz soit un cyclone. Pour atteindre une amenée la plus efficace possible de la poudre de revêtement, à partir du séparateur poudre- gaz, il est de préférence prévu que le séparateur poudre-gaz et la buse forment un ensemble structurel unitaire dans la tête de déversement de poudre, si bien que la poudre de re- vêtement pénètre, dans la buse, pour l'essentiel directement à la sortie du séparateur poudre-gaz. Dans l'exemple de réalisation décrit jusque-là, l'on n'a pas fourni d'indications précises quant à l'agencement de la tête de déversement de poudre par rapport au rayonne- ment laser Un exemple de réalisation avantageux prévoit que la tête de déversement de poudre puisse être orientée, par rapport au rayonnement laser, au moyen d'un dispositif de réglage, notamment en vue d'obtenir une interaction optimale entre le jet de poudre et le rayonnement laser. Il est alors particulièrement avantageux que, dans le dispositif de revêtement conforme à l'invention, l'optique focalisant le rayonnement laser sur la pièce à usiner soit enchâssée dans la tête d'un bras en porte-à-faux; la tête du bras en porte-à-faux est déplaçable suivant les trois di- mensions par rapport à la pièce à usiner, de sorte qu'elle permet au rayonnement laser d'être déplacé, par rapport à la surface de ladite pièce, selon des bandes juxtaposées dans une direction de mouvement. Dans ce cas, le dispositif de réglage est de préfé- rence interposé entre la tête du bras en porte-à-faux et la tête de déversement de poudre, de telle sorte que la tête de déversement puisse être positionnée par rapport à la tête du bras et par conséquent, de manière simple, par rapport au rayonnement laser, indépendamment des mouvements de la tête du bras. Pour éviter des contraintes thermiques imposées à la buse, cette dernière est préférentiellement munie d'un sys- tème de refroidissement qui est de préférence actif dans une région de ladite buse située côté sortie. Le résultat recherché par l'invention est atteint aus- si par une tête de déversement de poudre équipant un disposi- tif de revêtement de surfaces dans lequel la tête de déverse- ment de poudre présente un séparateur poudre-gaz qui sépare, en du gaz de sustentation et en de la poudre de revêtement, un mélange constitué d'un gaz de sustentation et de la poudre de revêtement, et délivré à ladite tête; et il est prévu une buse qui transforme la poudre de revêtement, provenant du séparateur poudre-gaz, en un jet de poudre ayant une géomé- trie bien définie et à teneur réduite en gaz de sustenta- tion. La tête de déversement de poudre est alors réalisée, en particulier, conformément aux caractéristiques décrites ci-avant. L'invention va à présent être décrite plus en détail à l'aide d'exemples nullement limitatifs, en regard des des- sins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue globale, en perspective, d'un dispositif de revêtement de surfaces conforme à l'invention; la figure 2 est une coupe longitudinale, selon la li- gne 2-2 de la figure 1, d'une tête de déversement de poudre du dispositif de revêtement de surfaces; la figure 3 est une coupe transversale de la tête de déversement de poudre, selon la ligne 3-3 de la figure 2; et la figure 4 est une illustration schématique de diffé- rentes orientations de la tête de déversement de poudre par rapport au rayonnement laser. Un exemple de réalisation d'un dispositif de revête- ment de surfaces conforme à l'invention, illustré sur la fi- gure 1, comprend un bras 10 en porte-à-faux sur la tête an- térieure 12 duquel est disposée une optique 14 de mise en forme d'un rayonnement laser 16 délivré par l'intermédiaire du bras en porte-à-faux L'optique 14 focalise, sur un foyer linéaire 18, le rayonnement laser 16 qui sort de cette opti- que, si bien que ledit rayonnement s'élargit au-delà du foyer 18 pour former une zone de chauffage, qu'on qualifiera de "zone focale" 20 sur une surface 22 d'une pièce 24 à traiter. Dans la région de la zone focale 20, il s'opère un chauffage du matériau de la pièce 24 jusqu'à l'obtention d'une fusion, avec formation d'une zone de fusion 26 approximativement dé- finie par la taille de la zone focale 20. Dans une solution conforme à l'invention, la zone fo- cale est préférentiellement constituée d'un rectangle allongé dont une direction longitudinale 28 s'étend transversalement par rapport à une direction 30 du mouvement de ladite zone focale 20 au cours du traitement de la pièce 24 En conséquen- ce, une direction transversale 32 de la zone 20 s'étend pa- rallèlement à la direction de mouvement 30. Pour déplacer la zone focale 20 dans la direction de mouvement 30, et en particulier pour provoquer la fusion par zones de la surface 22 de la pièce 24, sous la forme de ban- des juxtaposées, la tête 12 du bras en porte-à-faux est mo- bile, par rapport à la surface 22 de la pièce 24, dans trois directions X, Y et Z mutuellement perpendiculaires. Une tête de déversement de poudre, désignée dans son ensemble par 34, est retenue sur le bras 10 en porte-à-faux, plus précisément au moyen d'un dispositif de réglage 36 com- prenant un système 38 de guidage par coulisse dans la direc- tion X, un système 40 de guidage par coulisse dans la direc- tion Y et un système 42 de guidage par coulisse dans la di- rection Z, si bien que l'ensemble de ladite tête 34 est éga- lement mobile dans les directions X, Y et Z par rapport à la tête 12 dudit bras. Le dispositif de réglage 36 est réalisé sous la forme d'un dispositif de réglage pour régler une mise au point fixe de la tête 34 de déversement de poudre par rapport à la tête 12 du bras en porte-à-faux, ou bien les systèmes 38, 40 et 42 de guidage par coulisses sont équipés de servomoteurs, de ma- nière qu'une mise au point de la tête 34, par rapport à la tête 12, puisse avoir lieu par l'intermédiaire d'une commande. Comme représenté sur les figures 2 et 3, la tête 34 de déversement de poudre comporte une buse 44 à jet aplati qui est destinée à engendrer un jet de poudre 66, et est per- cée d'un canal de pulvérisation 46 s'évasant, à partir d'une section transversale d'admission 48, jusqu'à une section transversale rectangulaire de sortie 50 d'un orifice 51 de décharge de poudre; dans ce cas, une direction longitudinale 52 de la section transversale de sortie 50, qui définit la largeur du jet 66, est orientée à peu près parallèlement à la direction longitudinale 28 de la zone focale 20, et une direction transversale 54 de ladite section transversale de sortie 50, qui définit l'épaisseur du jet 66 et représente la hauteur de ladite section 50, décrit un angle aigu, de préférence un angle compris entre environ 30 et environ 75 avec la surface 22 de la pièce 24. Le canal de pulvérisation 46 est entouré, quant à lui, par un canal 56 à gaz protecteur qui présente un orifice 58 de sortie du gaz protecteur, ceinturant annulairement l'ori- fice 51 de décharge de poudre; le canal 56 est alors confi- guré, dans la région de l'orifice de sortie 58, de telle sor- te qu'un flux 60 de gaz protecteur expulsé présente un sens d'écoulement 62 qui correspond approximativement à un sens de projection 64 du jet de poudre 66 sortant par la section transversale 50, et est orienté afin que ledit flux 60 en- toure ledit jet 66 à la manière d'une enveloppe, jusqu'à ce qu'il rencontre la surface 22 de la pièce 24. L'amenée du gaz protecteur est assurée par l'intermé- diaire d'un raccord 68 à gaz protecteur de la buse 44 à jet aplati, et par l'intermédiaire d'un conduit 69 à gaz protec- teur qui débouche dans ledit raccord et gagne, à partir d'un réservoir de gaz protecteur, la tête 34 de déversement de poudre. Une introduction de poudre de revêtement dans le canal de pulvérisation 46, par l'intermédiaire de la section trans- versale d'admission 48, s'opère au moyen d'un orifice de sor- tie 70 d'un séparateur 72 poudre-gaz réalisé sous forme de cyclone et dans lequel la poudre de revêtement est introduite, au moyen d'un gaz de sustentation, par l'entremise d'un con- duit d'amenée 74 d'un dispositif d'amenée de poudre de revê- tement Dans ce cyclone, un tourbillon est imprimé au mélange de poudre de revêtement et de gaz de sustentation, de manière que ladite poudre soit séparée d'avec le gaz; la poudre des- cend alors en direction de l'orifice de sortie 70, tandis que le gaz de sustentation sort par un orifice d'expulsion 76 si- tué à l'opposé dudit orifice de sortie 70 Un tel tourbillon peut être obtenu en donnant au cyclone la forme d'un boîtier en tronc de cône convergeant vers l'orifice de sortie 70, à partir d'un orifice 78 d'entrée du mélange de poudre et de gaz porteur, par l'intermédiaire du conduit d'amenée 74, en provenance du dispositif d'amenée de poudre, boîtier dans le- quel s'opère un mouvement tourbillonnaire de la poudre et du gaz; la poudre se précipite alors en un tourbillon extérieur 82, tandis que le gaz se déplace vers l'orifice d'expulsion 76 en un tourbillon intérieur 84 entouré par le tourbillon extérieur 82 Ainsi, une poudre de revêtement pour l'essen- tiel débarrassée de gaz de sustentation passe de l'orifice de sortie 70 du cyclone 72 dans la section transversale d'ad- mission 48 du canal de pulvérisation 46, si bien que le jet de poudre 66, sortant par la section transversale 50 de la buse 44 à jet aplati, est à peu près exempt de gaz de susten- tation et présente, de ce fait, une forte concentration en poudre de revêtement. Dans le dispositif de revêtement de surfaces conforme à l'invention, illustré sur la figure 4, le dispositif de réglage 36 autorise un ajustement du jet de poudre 66 par rapport à la zone focale 20 si bien que, dans la position de la buse 44 à jet aplati représentée en traits pleins, ledit jet 66 ne pénètre que peu dans le rayonnement laser 16 avant qu'il n'arrive à la zone focale 20; de la sorte, des parti- cules de la poudre de revêtement qui n'ont pour l'essentiel subi aucune fusion, ou bien uniquement une légère fusion, viennent rencontrer la zone de fusion 26 dont la fusion s'est déjà amorcée dans le matériau de la pièce 24 à usiner, et- elles sont intégrées sous cette forme dans la surface 22 de ladite pièce 24. A l'inverse, dans la position d'une buse 44 ' à jet aplati illustrée en traits mixtes, le jet de poudre 66 ' est dirigé de telle sorte que les particules de la poudre de re- vêtement pénètrent dans le rayonnement laser, à une distance notable de la zone de fusion 26, si bien que ledit rayonne- ment laser 16 provoque une fusion desdites particules entre le foyer linéaire 18 et ladite zone 26, d'o il résulte que des particules de poudre déjà fondues atteignent la zone 26 et y sont intégrées sous cette forme. Comme illustré sur la figure 2, dans un exemple de réalisation particulièrement avantageux, la buse 44 à jet aplati est munie, au moins dans sa région située côté sor- tie, de canaux de refroidissement 90 alimentés en fluide de refroidissement par l'intermédiaire d'un dispositif d'ali- mentation non représenté. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'invention telle que décrite et représen- tée, sans sortir de son cadre. -R E Y E N D I C A T I 0 N S- 1 Dispositif de revêtement de surfaces de pièces à traiter, comprenant une optique focalisant un rayonnement la- ser pour former une zone focale sur une surface de la pièce à usiner, et une tête de déversement de poudre qui déverse de la poudre de revêtement sur la surface, sous la forme d'un jet de poudre, dans la région de la zone focale, dispositif caractérisé par le fait que la tête ( 34) de déversement de poudre présente un séparateur ( 72) poudre-gaz qui sépare, en poudre de revêtement et gaz de sustentation, un mélange de poudre de revêtement et de gaz de sustentation délivré à la tête ( 34) de déversement de poudre; et qu'il est prévu une buse ( 44) qui met la poudre de revêtement, provenant du sé- parateur ( 72) poudre-gaz, sous forme d'un jet de poudre ( 66) comportant une géométrie bien définie, et dans lequel le gaz de sustentation est réduit. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la buse est une buse ( 44) à jet aplati. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la buse ( 44) à jet aplati engendre un jet de poudre ( 66) en forme de ruban. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé par le fait que la buse ( 44) est pourvue d'une amenée ( 58) de gaz protecteur, qui engen- dre une enveloppe ( 60) de gaz protecteur pour le jet de pou- dre ( 66). Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'amenée de gaz protecteur est réalisée de façon telle qu'elle présente un orifice ( 58) de sortie du gaz protecteur qui entoure un orifice ( 51) de décharge de poudre. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé par le fait que le séparateur poudre-gaz est un cyclone ( 72). 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé par le fait que le séparateur ( 72) poudre-gaz et la buse ( 44) forment un ensemble structu- rel unitaire dans la tête ( 34) de déversement de poudre. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé par le fait que la tête ( 34) de déversement de poudre peut être déplacée, par rapport au rayonnement laser ( 16), au moyen d'un dispositif de réglage ( 36). 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé par le fait que la buse ( 44) est munie d'un système de refroidissement ( 90). Tête de déversement de poudre pour déverser une poudre de revêtement sur une surface d'une pièce à usiner, sous la forme d'un jet de poudre, dans la région d'une zone focale d'un rayonnement laser, caractérisée par le fait que cette tête ( 34) de déversement de poudre présente un sépara- teur ( 72) poudre-gaz qui sépare, en du gaz de sustentation et en de la poudre de revêtement, un mélange constitué d'un gaz de sustentation et de la poudre de revêtement, et déli- vré à ladite tête; et en ce qu'il est prévu une buse ( 44) qui transforme la poudre de revêtement, provenant du sépara- teur ( 72) poudre-gaz, en un jet de poudre ( 66) comportant une géométrie bien définie, et dans lequel le gaz de susten- tation est réduit. 11 Tête selon la revendication 10, caractérisée par le fait qu'elle est également conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 7.