Brevet FR2698495A1 — publié le 19940527

DISPOSITIF DE CONTROLE DE L'ETAT DE LA LENTILLE DE FOCALISATION D'UN APPAREIL LASER ET APPAREIL LASER UTILISANT CE DISPOSITIF DESCRIPTION L'invention se rapporte à un dispositif de contrôle de L'état de la lentille de focaLisation d'un appareil laser. Elle se rapporte aussi à un appareil laser pourvu de ce dispositif de contrôle. Les appareils lasers auxquels s'applique L'invention sont plus particulièrement des lasers de puissance permettant d'effectuer des traitements de matériaux comme le soudage, Le perçage, le découpage, le marquage ou encore Le traitement de surfaces. L'un des lasers de puissance le plus utilisé actuellement pour le traitement de matériaux est le laser à CO 2 L'un des problèmes majeurs des appareils Lasers à CO2, et de façon pLus générale des appareiLs Lasers de puisance, est l'échauffement de la lentille de sortie, entraSnant au cours du temps des dégradations (craquelures, brûlures locales) de la lentille, pouvant aller jusqu'à la casser. Ces dégradations se traduisent par des pertes de puissance du faisceau de lumière laser transmise, résultant d'une absorption et d'une diffusion de la Lumière par la lentille ; ces dégradations sont nuisibles à la reproductibilité d'un traitement de pièces ou matériaux en série. Lorsque Les dégradations de la lentille se produisent en présence d'un opérateur, ce dernier peut compenser Les pertes de puissance de celle-ci en jouant sur l'ensemble des paramètres de L'appareil laser utilise. A ce jour, une surveillance quasi-continue est exigée des opérateurs mais à terme, cette pratique aura tendance à s'alléger. Par ailleurs, lorsque la puissance absorbée par la lentille devient trop élevée, il faut envisager son changement. Le moment de changer la lentille est, souvent, à ce jour, déterminé a posteriori en regardant L'état des pièces traitées par l'appareil laser. L'invention a justement pour objet un dispositif permettant d'évaluer en permanence L'état de la lentille de focalisation d'un appareil laser, permettant notamment de résoudre les problèmes cidessus. En particulier, ce dispositif permet de déterminer le moment propice du changement de la lentille, d'avertir l'opérateur de la nécessité de compenser la perte de puissance par La Lentille afin d'assurer la reproductibilité des traitements de matériaux (découpe ou soudage) et par conséquent d'optimiser la production en série de pièces traitées par l'appareil laser. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de contrôle de l'état de la lentille de focalisation d'un appareil laser, comportant des moyens de mesure d'au moins une température de la lentille en un endroit non affecté par le faisceau lumineux fourni par L'appareil laser et des moyens d'analyse de la température mesurée. Le paramètre ainsi mesuré de la lentille, la température, est représentatif de la puissance absorbée par la lentille et donc de L'état de celle-ci. La température mesurée peut être enregistrée en continu sur un appareil d'enregistrement ou comparée à une valeur seuil. Dans ce cas, le dispositif de contrôle comporte des moyens de comparaison de La température mesurée avec une température de seuil et des moyens d'alarme commandés par les moyens de comparaison. Lorsque la température de la lentille dépasse un seuil donné, une alarme qui peut être visuelle, sonore, ou les deux est alors déclenchée. Le déclenchement de l'alarme indique à un opérateur qu'il est temps de compenser la perte de puissance de la lentille lorsque celle-ci n'est pas trop usagée ou bien de changer la lentille. Progressivement, il sera en outre possible d'automatiser l'ensemble pour que la compensation de la perte de puissance et ensuite le changement de la lentille se fasse automatiquement sans intervention manuelle. Le contrôle de l'état de la lentille devant être assuré en permanence, il est préférable d'utiliser plusieurs moyens de mesure de température au cas ou l'un des moyens de mesure serait défectueux. A chacun de ces moyens de mesure peut être associé un moyen de comparaison et un moyen d'alarme. Afin d'assurer un meilleur contrôle de l'état de la lentille, il est préférable que ces différents moyens de mesure soient agencés pour mesurer la température de la lentille en différents endroits. Le nombre de trois moyens de mesure semble un bon compromis ; ces trois moyens sont disposés, en projection dans un même plan, à 1200 l'un de l'autre. Il est toutefois possible d'utiliser deux moyens de mesure disposés à 1800 l'un de l'autre. Ainsi, le dispositif de l'invention comporte avantageusement un premier moyen de mesure prévu sur la face de sortie de la lentille, un second moyen prévu en bordure de la lentille et/ou un troisième moyen prévu sur une pièce de maintien de la lentille dans l'appareil laser. Les moyens de mesure de la température sont de préférence des thermocouples délivrant une tension électrique représentative de la température de la lentille. Dans ce cas, les moyens de comparaison consistent en un circuit comparateur de tension. Il est toutefois possible d'utiliser d'autres moyens de mesure comme par exemple des pyromètres, L'invention a aussi pour objet un appareil laser à lentille de focalisation en sortie, équipé d'un dispositif de contrôle de cette lentille tel que défini précédemment. Un mode particulier de réalisation de l'invention va maintenant être décrit à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'un appareil laser de découpe pourvu d'un dispositif de contrôle de sa lentille de focalisation, conformément à L'invention, - la figure 2 est une vue en coupe agrandie de la figure 1, au niveau de la lentille de focalisation, et - la figure 3 est une vue en bout de la lentille selon la ligne III-III de la figure 1, montrant l'agencement des différents moyens de mesure de la température. La figure 1 représente un appareil laser de découpe conforme à L'invention et plus spécialement sa tête de découpe. Cet appareil comporte une cavité laser 10 à CO engendrant un faisceau lumineux 12 qui est 2 renvoyé grâce à un miroir incliné 14 perpendiculairement à la pièce à traiter ou plan de coupe 16. Le faisceau réfléchi par le miroir 14 traversé une lentille de focalisation 18 de sortie, assurant la focalisation du faisceau laser 12 sur le plan de coupe 16. Cette lentille est fixée dans une monture cylindrique 20 agencée dans un fourreau 22 solidaire du support 24 de la tête de découpe. La monture 20 de la lentille est maintenue en place dans le fourreau 22 via un épaulement 26. Le déplacement de l'ensemble support-fourreau perpendiculairement au plan de coupe 16 et son maintien en position sont calculés et commandés par une machine à commande numérique. Comme représenté de façon plus détaillé sur la figure 2, la lentille 18 est en appui sur un épaulement inférieur 30 de la monture 20 par L'intermédiaire d'un joint annulaire 32 par exemple en indium. Un second joint annulaire 34 aussi en indium est placé à la périphérie supérieure de la lentille 18. Ce dernier, est au contact d'une bague radiateur 36 et une bague filetée 38, comme représenté sur la figure 1, vient prendre l'ensemble radiateurjoints-lentille en sandwich avec l'épaulement 30 de la monture de lentille 20 et le maintenir en position. La monture 20 se prolonge par son extrémité inférieure par un manchon cylindrique 40 ou buse dont l'extrémité est très proche du point de focalisation. Ce manchon 40 est fixé et centré à l'aide d'une vis 42 sur un nez d'entretoise 44. Ce dernier est fixé par filetage sur une pièce annulaire 46 solidaire du fourreau 22. Des trous 48 pratiqués sur la buse 40 permettent l'introduction d'un gaz haute pression utilisé lors de la découpe laser, via des conduites d'amener 50. Ces trous sont agencés à 450 par rapport à la surface de découpe 16 et forment un angle de 450 entre eux. Enfin, la monture 20 de la lentille est usinée de manière à accueillir par l'intermédiaire d'une rainure dans son épaulement 30 un pion d'indexage 52. Un alésage 54, diamétralement opposé à la rainure d'indexation, permet, selon l'invention, et comme représenté de façon plus détaillée sur la figure 2, le passage d'un premier thermocouple 56 destiné à mesurer la température de la lentille 16 en bordure. L'alésage 54 traverse La pièce 40. Un alésage 54, diamétralement opposé à la rainure d'indexation, permet, selon l'invention, et comme représenté de façon plus détaillée sur la figure 2, le passage d'un premier thermocouple 56 destiné à mesurer la température de la lentille 16 en bordure. L'alésage 54 traverse la pièce 40. A 1200 de ce thermocouple 54, en projection dans le même plan, on trouve deux autres thermocouples respectivement 58 et 60. Le thermocouple 58 est placé sur la face de sortie 62 (ou face inférieure) de la lentille 18 ; il permet de mesurer la température de la lentille selon un phénomène de diffraction (par les cassures, brûlures locales de la lentille). Ce thermocouple 58 doit être situé dans une zone de la lentille non affectée par le faisceau laser 12. Le thermocouple 60 est monté sur l'épaulement 30 de la monture de la lentille afin de mesurer la température de la lentille par un phénomène de conduction de la chaleur (les pièces de la tête de découpe étant en métal). Les thermocouples 56-60 ont par exemple un diamètre de 1 mm. L'étanchéité entre ces thermocouples et les pièces mécaniques de la tête de découpe, comme en particulier le nez d'entretoise 44, est assurée à l'aide d'un élastomère 63 du type pâte de silicone ou par un isolant électrique équivalent. Selon L'invention, le contrôle de l'état de la lentille est assurée en continu. Ainsi, les trois thermocouples 56, 58 et 60 délivrent chacun en continu une tension électrique représentative de la température de la lentille en leur point de mesure, elle-même représentative de la puissance lumineuse absorbée par la lentille. Ces trois tensions sont reçues respectivement par des comparateurs 64, 66 et 68 qui comparent La tension délivrée respectivement par Les thermocouples 56, 58 et 60 à une tension de consigne respectivement V V2, v représentatives chacune d'une température de 3 seuil de La LentiLLe aux trois points de mesure. Ces comparateurs 64, 66 et 68 commandent chacun une alarme respectivement 70, 72 et 74, visuelle et/ou sonore qui est déclenchée lorsque la tension délivrée par les thermocouples est supérieure aux tensions de seuil. Afin de connaftre l'évolution des trois températures mesurées de la lentille au cours du temps, il est possible de les enregistrer sur un enregistreur 76 pouvant être monté en aval des comparateurs. La description précédente n'a été donnée qu'à titre illustratif et d'autres modes de réalisation peuvent être envisagés sans pour autant sortir du cadre de L'invention. En particulier, le montage de la lentille de focalisation ainsi que l'emplacement précis des thermocouples sont adaptés à l'agencement de la tête de découpe laser utilisée ; de plus, d'autres types de fixation de la lentille peuvent être envisagés à condition de pouvoir effectuer au moins une mesure de la température de la lentille, soit en bordure de la lentille, soit sur la face de sortie de la lentille, soit sur la monture de la lentille. REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle de L'état de la lentille de focalisation d'un appareil laser, comportant des moyens de mesure (56, 58, 60) d'au moins une température de la lentille (18) en un endroit non affecté par le faisceau lumineux (12) fourni par l'appareil laser et des moyens d'analyse (64, 66, 68, 76) de la température mesurée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'analyse comportent des moyens de comparaison (64, 66, 68) de la température mesurée avec une température de seuil et des moyens d'alarme (70, 72, 74) commandés par les moyens de comparaison (64, 66, 68). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que plusieurs moyens de mesure (56, 58, 60) de température sont prévus et agencés pour mesurer la température de la lentille en différents endroits. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de mesure sont au nombre de trois, et disposés, en projection sur un même plan (figure 3) à 1200C l'un de l'autre. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un premier moyen de mesure (58) est prévu sur la face de sortie (62) de la lentiLle (18), un second moyen (56) est prévu en bordure de la lentille et/ou un troisième moyen (60) est prévu sur une pièce (20) de maintien de la lentille dans l'appareil laser. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de mesure de température consistent en des thermocouples délivrant une tension électrique représentative de la température de la lentille et les moyens de comparaison consistent en un circuit comparateur de tension. 7. Appareil laser à lentille de focalisation en sortie, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de contrôle de l'état de la lentille, conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6.