Brevet FR2691589A1 — publié le 19931126

La présente invention concerne un dispositif générateur d'oscillations pour un faisceau laser destiné au balayage de la surface extérieure d'un substrat. Le laser est depuis quelques années utilisé pour les traitements thermiques, car il permet de modifier une surface métallique très localisée de plusieurs manières sans obtenir de distorsion géométrique notable On mentionnera, comme traitements thermiques de surface, les trempes superfi- cielles, les refusions superficielles et les alliages de10 surface Alors que les trempes superficielles s'effectuent en phase solide et ne sont valables que pour des matériaux de type martensitique, les refusions superficielles sont utilisées pour remettre en solution les éléments du matériau de manière à affiner la structure pour obtenir en surface de15 meilleures caractéristiques mécaniques Pour réaliser des alliages de surface on procède également à la refusion du matériau en surface en incorporant des éléments d'addition (poudre, fil ou dépôt électrolytique) au bain de fusion pour par exemple améliorer la résistance à la corrosion Ces techniques permettent d'éviter de réaliser des pièces massives en acier ou matériaux spéciaux donc très coûteux car on réalise le traitement dans les zones concernées et sur de faibles profondeurs Il est cependant nécessaire pour parvenir à cette refusion de disposer d'un faisceau laser de grande puissance. Actuellement, on utilise plusieurs moyens pour réaliser ces traitements de surface en cherchant toujours à élargir le faisceau afin d'augmenter la zone traitée en une seule passe En effet, cela permet d'éviter des chevauche- ments qui sont source de problèmes métallurgiques dans certains cas et de réduire les temps d'opération pour gagner en productivité Parmi ces moyens connus on citera les lentilles à facettes qui permettent de reconfigurer et focaliser le faisceau sur une section carrée de l'ordre de 30 mm 2, les lentilles cylindriques qui transforment le faisceau en un pinceau dont la largeur s'étend dans le plan perpendi- culaire au sens du déplacement du faisceau sur la pièce et des systèmes de défocalisation grâce auxquels on élargit la tache focale mais qui demandent une forte puissance supé-5 rieure par exemple à 3 500 watts. Il existe également des dispositifs dans lesquels le faisceau est animé d'un mouvement de balayage; ces dispositifs restent cependant du domaine des laboratoires On citera les dispositifs mettant en oeuvre des miroirs polygo-10 naux que l'on fait tourner à grande vitesse et sur lesquels le faisceau est projeté; le principal inconvénient de ce type de miroirs est qu'ils ne peuvent pas être refroidis, donc qu'ils sont très fragiles tout en étant d'un coût de fabrication élevé On connaît également des optiques mettant en oeuvre des miroirs plans montés sur des galvanomètres à cadre mobile dans lesquels le faisceau est projeté sur un miroir focalisant puis réfléchit sur deux miroirs plans vibrant dans deux directions orthogonales ce qui conduit à un balayage en forme de courbe Alors que cette solution présente l'avantage de pouvoir disposer de miroirs vibrants à haute fréquence donc de créer une-ligne de fusion continue, ses inconvénients tiennent au fait que les miroirs doivent être de petites dimensions et en matériaux spéciaux pour des raisons d'inertie, ce qui impose un faisceau très focalisé donc une concentration d'énergie importante qui est un risque de destruction de ces miroirs dans le cas o des poussières viendraient à se déposer sur la surface réfléchissante En outre il faut mettre en oeuvre un dispositif de synchronisa- tion de l'oscillation-des deux miroirs qui est difficile à maîtriser et d'un coût important. La présente invention propose un système optique oscillant pour faisceau laser consistant en une adaptation assez simple d'un dispositif existant de focalisation d'un faisceau de forte puissance qui n'est concentré qu'au-delà des surfaces optiques par lesquelles il est réfléchi et animé du mouvement de balayage. A cet effet l'invention a donc pour objet un dispositif générateur d'oscillations d'un faisceau laser comportant un miroir concave de focalisation du faisceau dans5 une direction réfléchie perpendiculaire à la direction incidente, qui est monté sur un ensemble oscillant autour de l'axe du faisceau incident, la partie motrice de cet ensemble étant située au-delà du miroir par rapport au faisceau incident Ce montage permet de conserver à ce miroir qui reçoit un faisceau non concentré, toutes les possibilités de le refroidir par une circulation d'eau. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble oscillant est constitué par un support du miroir concave pouvant tourner dans un palier solidaire d'un bâti du dispositif, accouplé d'une part à l'arbre de sortie d'un organe générateur de pulsations angulaires et d'autre part à un élément fixe par rapport au bâti au moyen d'une liaison élastique La liaison élastique du support tournant avec le bâti fixe confère au système une fréquence propre de vibra- tions dont on verra plus loin qu'elle peut être réglable, qui est connue par calcul ou mesurable et que l'on peut entrete- nir par le générateur d'impulsions et ce avec un couple instantané minimum Il est d'ailleurs possible en augmentant la fréquence du générateur d'impulsions de forcer le système à osciller avec une fréquence plus élevée. De manière préférée, l'élément fixe par rapport au bâti est constitué par un manchon de liaison du bâti et du palier-support du miroir entourant le faisceau incident et pourvu d'une ouverture latérale pour la sortie du faisceau réfléchi oscillant. Dans un mode de réalisation simple du moyen de liaison élastique, celuici est constitué par une tige métallique sensiblement parallèle à l'axe du faisceau incident, encastrée par l'une de ses extrémités dans la face du support du miroir tournée vers le faisceau incident, et immobilisée par rapport au manchon au moyen d'une pièce d'attelage. Pour régler la fréquence propre d'oscillation du support du miroir concave, la pièce d'attelage de la barre métallique au manchon est mobile et réglable en position le long de ce manchon Il est donc ainsi possible de manière simple d'ajuster la fréquence d'oscillations du faisceau laser pour par exemple tenir compte du matériau à traiter, de la profondeur de passe à réaliser, de la vitesse de défile-10 ment de la pièce sous le faisceau perpendiculairement aux oscillations, Un logiciel de commande permet d'afficher commodé- ment ces divers paramètres et de fixer en particulier l'amplitude du balayage.15 Enfin afin d'éviter les concentrations d'énergies aux points de rebroussement du faisceau, la puissance de ce dernier est asservie à l'information de sortie d'un capteur de la vitesse angulaire instantanée du support du miroir. L'obtention de cette information est réalisée de manière simple en utilisant comme générateur d'impulsions un moteur à courant continu dont l'alimentation est régulée au moyen d'un dispositif électronique connu à lui-même, un codeur incrémental étant relié à l'arbre du moteur par un accouple- ment homocinétique. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description donnée ci-après d'un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention. Il sera fait référence au dessin annexé qui, par une figure unique, représente en coupe le dispositif oscil- lant conforme à l'invention. Le dispositif de l'ubventioon comprend essentielle- ment deux parties, une première partie connue en elle-même comportant un support 1 attelable à une source laser non représentée, émettant un faisceau laser 2 vertical dont le diamètre est de plusieurs dizaines de millimètres et un miroir plan 3 comportant un système de fixation 4 au support 1 et des moyens pour son refroidissement dont on n'aperçoit que les embouts de raccordement 5 Ce miroir plan dévie le faisceau vertical 2 en un faisceau horizontal 6.5 L'ensemble des moyens conformes à l'invention qui s'adaptent à cette partie connue est repéré d'une manière générale par la référence 7 et comprennent un miroir concave M (parabolique ou cylindrique), qui permet d'une part de dévier à 900 le faisceau horizontal 3 et d'autre part de le10 focaliser (distance focale par exemple 150 millimètres). Ces moyens 7 comprennent un manchon cylindrique 8 attelé au support (ou bâti) 4 du miroir 3 de manière que l'axe 9 de ce manchon coïncide avec l'axe du faisceau horizontal 6 Ce manchon 8 porte en extrémité un palier à roulements 10 pour une douille intérieure 11 sur laquelle est vissée ou rapportée une platine de fixation 12 du miroir concave M Le miroir concave M est lui-même attelé à la platine 12 de manière que, le montage étant réalisé, l'axe 13 longitudinal du miroir M soit en coïncidence avec l'axe 9 du manchon et du faisceau 6 Au droit du faisceau L réfléchi, le manchon 8 comporte une ouverture T de passage de ce faisceau F. Une bride arrière 14 ferme le manchon 8 et consti- tue le support d'un moteur à courant continu 15 dont l'axe 16 est accouplé à la platine 12 avec des moyens (du genre par exemple à emmanchement conique à expansion) qui permettent également d'assurer la coaxialité entre cet axe 16 et l'axe longitudinal 13 du miroir M Ces montages seront faits de manière soignée pour éviter la création de balourds et de vibrations parasites. Le miroir concave M possède des embouts 17 traver- sant la platine 12 pour le raccordement de son circuit interne de refroidissement à un dispositif externe de circulation d'eau Les canalisations 18 reliant ce système aux embouts 17 traversent la paroi du manchon 8 par un orifice 19 et la paroi de la douille 11 par un orifice 20 Ce dernier orifice sera de dimension suffisante pour que lors des oscillations de l'ensemble 8, 11, 12 monté tournant dans les paliers 10, les canalisations 18 ne touchent pas cette5 paroi On aura prévu d'équilibrer la douille 11 autour de son axe longitudinal pour tenir compte de l'évidement 20 en pratiquant d'autres évidements autour de sa paroi. Une tige métallique 21, s'étendant à l'intérieur du manchon 8 parallèlement à la direction du faisceau horizontal 6, est encastrée par l'une de ses extrémités dans la platine 12 et est engagée au voisinage de son autre extrémité dans une pièce d'attelage 22 qui elle-même peut être rendue solidaire du manchon 8 Cette pièce d'attelage 22 est déplaçable le long du manchon 8 dans une rainure 23 de manière à pouvoir régler la distance s'étendant entre l'extrémité encastrée de la tige 21 et cette pièce d'attela- ge. La tige 21 constitue un moyen de liaison élastique entre l'ensemble 8, 12, 11 tournant dans les paliers 10 et le manchon fixe 8 Elle détermine la fréquence propre d'oscilla- tion de cet ensemble tournant, fréquence qui peut être réglée en fixant la position de la pièce d'attelage 22 le long de la rainure 23 A titre indicatif,-avec une barre 21 de 3 mm de diamètre on a pu faire varier la fréquence propre du système entre 10 hertz lorsque la pièce d'attelage était éloignée de millimètres de la platine 12 à environ 60 hertz lorsque celle-ci n'était éloignée que de 60 millimètres de cette platine. En réglant, de manière connue en elle-même, la fréquence des impulsions de courant d'alimentation du moteur à courant continu 15 au voisinage de la fréquence propre du système, on peut entretenir une oscillation-stable du miroir M autour de son axe 13 et ce avec une dépense d'énergie minimale Il est possible de forcer l'oscillation du système à des fréquences plus élevées ou d'augmenter la largeur de balayage en alimentant le moteur 15 sous des fréquences également plus élevées. Au moyen d'un codeur 24 attelé à l'arbre du moteur par l'intermédiaire d'un accouplement homocinétique 25, il est possible de capter la vitesse instantanée de rotation de l'ensemble oscillant Au moyen d'un système électronique d'asservissement piloté par la valeur de cette vitesse instantanée, on peut réguler en temps réel la puissance délivrée au point focal en fonction de cette vitesse, pour éviter des surchauffes aux points de rebroussement de ce faisceau Il est donc ainsi possible sur toute la largeur de balayage, d'apporter à la surface à traiter une énergie constante. Le dispositif selon l'invention présente plusieurs avantages Ainsi on comprend que les miroirs mis en oeuvre et notamment le miroir oscillant, à l'inverse des miroirs oscillants utilisés dans les systèmes connus, ne reçoit pas de faisceau laser focalisé donc une densité surfacique d'énergie faible Comme en outre il est possible de refroidir aisément ces miroirs, ceux-ci peuvent traiter un faisceau de forte puissance, supérieure à 2 kw par exemple, et jusqu'à 10 Kw sans risque imporftant de dommages Le dispositif est donc beaucoup moins fragile que les systèmes existants. En outre lors du balayage, il n'y a pas de déforma- tions de la tache focale (point de concentration du faisceau) grâce au fait que le miroir concave M tourne autour de l'axe qui passe par son centre En conséquence, en négligeant le fait que la tache focale se déplace le long d'un arc de cercle puisque celui-ci est assimilable à une droite compte tenu de l'amplitude de l'oscillation (de l'ordre de la dizaine de millimètres) et de l'éloignement de cette tache par rapport au miroir (pouvant s'établir entre 150 et 600 millimètres), la densité de puissance parvenant sur la pièce à traiter est pratiquement constante On agit donc sur le substrat de manière très régulière. Enfin le dispositif est de conception simple et de réglage aisé ce qui permet un coût de fabrication et un coût d'exploitation très inférieurs à celui des techniques actuellement employées.5 Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus, notamment en ce qui concerne le moyen de liaison élastique conférant au système oscillant sa fréquence propre et le générateur d'impulsions de rotation, mais s'étend à tous les équivalents10 mécaniques électriques ou électromécaniques qui pourraient être substitués à ces composants. REVENDICATIONS 1 Dispositif générateur d'oscillations pour un faisceau laser (L), comportant un miroir concave (M) de focalisation du faisceau dans une direction réfléchie5 sensiblement perpendiculaire à la direction incidente ( 6), caractérisé en ce que le miroir ( 8) est monté sur un ensemble oscillant ( 11, 12, 21) autour de l'axe ( 9) du faisceau incident ( 6). 2 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ensemble oscillant comporte un support ( 11, 12) du miroir concave ( 8), monté à rotation dans un palier ( 10) solidaire d'un bâti () du générateur, accouplé d'une part à l'arbre de sortie ( 16) d'un organe générateur de pulsations angulaires et d'autre part à un élément ( 8) fixe par rapport15 au bâti ( 4), au moyen d'un organe ( 21) de liaison élastique. 3 Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'élément fixe ( 8 > est constitué par un manchon de liaison du bâti ( 4) et du palier ( 10) de support du miroir concave (M), entourant le faisceau incident ( 6) et pourvu d'une ouverture latérale (T) pour la sortie du faisceau réfléchi oscillant (L). 4 Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le moyen de liaison élastique ( 21) comprend une tige métallique ( 21) sensiblement parallèle à l'axe du faisceau ( 6) incident, encastrée par l'une de ses extrémités dans la face du support ( 12) du miroir ( 8) tournée vers le faisceau incident ( 6) et immobilisée par rapport au manchon ( 8) au moyen d'une pièce d'attelage ( 22). Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la pièce d'attelage ( 22) de la barre ( 21-) au manchon ( 8) est mobile et réglable en position le long de celui-ci. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes caractérisé en ce que la puissance du faisceau (L) est asservie à l'information de sortie d'un capteur ( 24) de la vitesse angulaire instantanée du support ( 11, 12) du miroir concave (M).