Brevet FR2733707A1 — publié le 19961108

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LE CONTROLE ET LE REGLAGE DE LA POSITION DU FOYER LORS DE L'USINAGE D'UN MATERIAU AU LASER L'invention concerne un procédé destiné au contrôle et au réglage de la position du foyer lors de l'usinage d'un matériau au laser ainsi qu'un dispositif destiné à la mise en oeuvre de ce procédé. Dans les techniques modernes de fabrication, on ne peut plus envisager de se passer du laser à CO2 à forte puissance en raison de sa flexibilité d'utilisation et de rendement et de la diversité des produits obtenus. Toutefois, on ne peut atteindre avec le laser de bonnes qualités d'usinage que si la préparation de la pièce à usiner se fait avec une bonne précision et si les paramètres du processus, en particulier la position du foyer, son rayon, la puissance du rayon laser et la vitesse de soudage, sont parfaitement adaptés au travail d'usinage et s'ils sont contrôlés pendant l'usinage. C'est pourquoi la qualification de la technique laser pour d'autres applications va avec le développement de systèmes assurant la qualité. Dans le cas du découpage au laser, le réglage de la distance pour respecter une position constante du foyer fait déjà partie de l'état de la technique. Des systèmes de mesure travaillant sans contact permettent la mesure directement à l'endroit de l'usinage et sans répercussion sur la pièce à usiner. La technique capacitive de mesure s'est imposée sur le marché. Dans le cas du soudage au laser, ces systèmes de contrôle de distance ne peuvent pas être utilisés à cause du plasma, produit par le faisceau laser et gênant la mesure, à cause des charges électriques libres liées à ce phénomène et à cause des températures élevées du plasma. La mesure de distance par triangulation au laser est également gênée par le rayonnement électromagnétique dont l'intensité est très variable et qui apparaît en même temps dans une large gamme spectrale. En séparant optiquement le plasma produit par le faisceau laser et le récepteur d'un capteur à laser, la mesure de distance à proximité immédiate de l'endroit de soudage, et donc la possibilité d'un réglage de la distance, peuvent être mis en oeuvre, comme cela peut être déduit de DE 40 05 453 Ai. Dans le cas du soudage au laser, on peut assurer une qualité standard élevée seulement par un contrôle en ligne et par un réglage de l'opération d'usinage. On propose déjà ici quelques systèmes. Les publications spécialisées de B. Seidel et al.: "ProzeBregelung beim LaserstrahlschweiBen" dans: "Materialbearbeitung mit CO2-Laserstrahlen hôchster Leistung" (brochure de présentation de résultat du 08.02.1994, D sseldorf; éditeur: 2 2733707 VDI-TZ) ainsi que de K. Zimmermann et al.: "Aspects for Quality Assurance with a Plasma-Monitoring-System During Laser Beam Welding" dans: "Laser'93" (rapport du congrès international, Berlin, Springer 1994, pages 503 et suivantes, éditeur: W. Waidelich) décrivent le système appelé Plasma Shielding Controller (PSC) qui utilise pour le réglage l'intensité d'une raie spectrale spécifique émise depuis la zone d'interaction. Le dispositif de réglage arrête brièvement par l'intermédiaire du niveau de pompage de la source laser la puissance de sortie du laser lorsque l'intensité spectrale signale un état instable du processus par le dépassement d'une valeur de seuil. Le PSC supprime les effets d'écran du plasma, surtout pour le soudage d'aluminium, au premier stade de formation, de façon à éviter un arrêt du processus de soudage et à garder constante la qualité du cordon de soudure. Le Laser Welding Monitor (LWM), tel que le décrit l'étude spécialisée de M. Jurca: "On-line Monitor for the CO2-Laser Welding Process" dans: "Laser'93" cf ci-dessus, et WO 9010520 Ai, sert au contrôle du processus dans le cas d'un soudage au laser. On a recours à deux méthodes de mesure pour une évaluation fiable du signal. Le processus de soudage est suivi avec une photodiode qui est sensible dans le domaine des ultraviolets (UV) et qui détecte le plasma et avec un détecteur qui est sensible dans le domaine des infrarouges et qui enregistre les projections de soudage. L'analyse du signal se rapporte alors au domaine des amplitudes et des fréquences. Pendant l'usinage, les signaux des détecteurs sont comparés à un signal de référence et, lorsqu'il y a des écarts, un signal est délivré, avertissant qu'il peut y avoir un défaut de soudage. Le système appelé Plasma-Monitoring-System, qui est connu par l'étude spécialisée de K. Zimmermann et al.: "Aspects for Quality Assurance..." (cf ci- dessus), détecte l'émission du plasma pendant le processus de soudage et délivre en ligne un signal concernant la qualité du cordon de soudure. L'émission du plasma est évaluée selon trois critères: intermittence, effet d'écran et intensité moyenne. Les résultats obtenus sont alors analysés en fonction de leur durée et sont pondérés en conséquence. Les dispositifs et les procédés décrits ci-dessus et faisant partie de l'état de la technique présentent divers inconvénients: Dans les systèmes décrits ci-dessus, il s'agit, mis à part le Plasma Shielding Controller, de systèmes de contrôle. Ces systèmes utilisent pour juger du résultat de l'usinage soit un signal de référence mémorisé soit un signal détecté sur un temps plus long. La délivrance d'une valeur de ces systèmes de contrôle 3 2733707 s'effectue après le processus d'usinage et se limite à une indication précisant si le résultat d'usinage est utilisable ou non. Le Plasma Shielding Controller supprime l'effet d'écran du plasma et empêche l'effet d'écran dû au plasma produit par le faisceau laser. Une influence directe sur le résultat d'usinage n'est pas possible avec ce système. A partir de cette problématique, l'objet de l'invention est de proposer un procédé et un dispositif correspondant pour le contrôle et le réglage de la position du foyer lors de l'usinage d'un matériau au laser, procédé et dispositif qui permettent de respecter une qualité définie d'usinage et d'éliminer par réglage de petites grandeurs perturbatrices. L'invention décrit un procédé et un dispositif avec lesquels la position du foyer par rapport à la surface de la pièce à usiner peut être réglée de manière déterminée et gardée constante pendant l'usinage au laser. Le procédé selon l'invention prévoit donc les opérations suivantes: application d'une faible oscillation du foyer, ne nuisant ni à la stabilité du processus ni à la qualité de l'usinage, sur le rayon laser afin d'obtenir un déplacement oscillatoire de la position du foyer, détection du plasma, produit par le faisceau laser, au moyen d'un capteur qui génère un signal de capteur correspondant, - calcul de l'amplitude et de la phase de l'oscillation du signal de capteur due à l'oscillation du foyer, cette amplitude et cette phase étant représentatives de l'écart de la position du foyer par rapport à la position optimale du foyer, et - réglage de la position du foyer en fonction de l'écart calculé. Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est caractérisé par - un dispositif d'oscillation du foyer dans le guide de rayon laser du dispositif d'usinage pour appliquer l'oscillation au foyer du laser verticalement par rapport à la surface de la pièce à usiner, - un capteur comportant un dispositif de mesure pour la détection du plasma produit par le faisceau laser, - un dispositif d'évaluation pour évaluer l'oscillation du signal de capteur et pour calculer l'écart de la position du foyer par rapport à la position optimale du foyer, - un dispositif de réglage pour produire un signal de positionnement destiné au réglage de la position du foyer du rayon laser, et 4 2733707 - un dispositif de positionnement pour le réglage de la position du foyer du rayon laser en fonction du signal de positionnement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels: Figure 1 une représentation, partiellement schématisée, sous forme de schéma fonctionnel, d'un dispositif destiné au contrôle et au réglage de la position du foyer lors de l'usinage d'un matériau au laser, Figure2 une représentation schématique du foyer de la pointe d'usinage avec un diagramme associé représentant la position du foyer en fonction du temps, et Figure 3 deux graphiques de types de courbe caractéristique de la relation entre le signal de capteur et la position du foyer. Le dispositif d'usinage d'un matériau au laser qui est représenté à la figure 1 comporte une source laser 1, dont le rayon laser 2 est focalisé par l'intermédiaire d'une pointe d'usinage 3 avec optique adaptative 4 et est dirigé sur la pièce à usiner 5. L'optique adaptative 4 comporte ici un miroir déformable 4'. Le plasma 6 créé lors de l'opération de soudage est détecté par un détecteur 7 qui est relié à un dispositif de mesure 9 équipé d'une unité sensorielle 8 correspondante. Le dispositif de mesure délivre le signal de capteur à un dispositif d'évaluation et de réglage 10, 1 1 qui évalue le signal de capteur au moyen d'un algorithme d'évaluation et de réglage et qui produit un signal de positionnement destiné au dispositif de positionnement 12. Le dispositif de positionnement 12 est combiné à une unité de commande 13 destinée à l'optique adaptative 4, ce qui permet le réglage de la position du foyer 14 du rayon laser 2 en fonction du signal de positionnement. En fait, le rayon laser est un outil thermique qui chauffe ou qui fait fondre localement le matériau à usiner. L'intensité élevée sur l'endroit d'usinage entraîne la formation d'un plasma 6 (phénomène lumineux). Le résultat d'usinage dépend surtout de la position du foyer 14 par rapport à la surface 15 de la pièce à usiner. On appelle position optimale du foyer (figure 3: z = 0) la position du foyer pour laquelle l'injection d'énergie dans la pièce à usiner 5 est maximale. Lorsqu'on s'écarte de la position optimale du foyer, aussi bien selon une direction verticale négative (z 0), l'injection d'énergie dans la pièce à usiner 5 diminue. La mesure du plasma 6 avec les différents capteurs (capacitifs, inductifs et optiques) - par exemple le détecteur 7 - donne également (cf. figure 3) une courbe caractéristique du signal de capteur en 2733707 fonction de la position du foyer qui est symétrique par rapport à l'axe des ordonnées passant par z= O. Pour une position optimale du foyer (z= 0), la courbe caractéristique a un extremum relatif. C'est la configuration du capteur qui détermine s'il s'agit alors d'un minimum ou d'un maximum relatif. On ne peut pas savoir seulement à partir de la valeur absolue du signal de capteur, qui est aussi très parasité à cause des fortes fluctuations du plasma, si la position du foyer se trouve audessous de la surface de la pièce à usiner (z pièce à usiner (z > 0). Si on applique au processus une faible oscillation verticale du foyer, telle qu'elle est rendue possible par exemple par un miroir déformable selon DE 42 17 705 C2, il se crée alors une oscillation de l'intensité du laser sur la surface 15 de la pièce à usiner et donc aussi une oscillation du plasma 6 (figures 1 et 2). La relation des phases entre la fréquence de l'oscillation du foyer et la fréquence, qui en résulte, du signal de capteur donne une indication pour savoir si la position moyenne du foyer se trouve au-dessus (z > 0) ou au-dessous (z qu'un brusque changement de phase apparaît. En choisissant des capteurs appropriés, l'oscillation du foyer peut être gardée suffisamment faible de telle sorte qu'une évaluation fiable des phases est assurée sans nuire ni à la stabilité du processus ni à la qualité de l'usinage. La valeur absolue de l'amplitude de l'oscillation résultante du signal de capteur dépend de la pente de la courbe caractéristique et est donc une mesure de la position absolue z du foyer. On peut ainsi recourir à l'amplitude de l'oscillation du signal de capteur pour calculer le réglage de la position du foyer. Un autre avantage de l'utilisation de l'oscillation du signal de capteur pour la caractérisation du processus et pour le réglage du processus réside dans le fait que les composantes de bruit du signal de capteur, en dehors de la fréquence de l'oscillation considérée, n'ont pas d'effet sur l'écart signal-bruit. Le procédé convient donc aussi pour des signaux de mesure fortement parasités, tels qu'ils apparaissent par exemple lors de la mesure de plasma pendant le soudage au laser. 6 2733707 Différents aspects de l'invention sont résumés ci-dessous sous forme d'idées-clés: - Intégration d'un miroir déformable (sphérique) dans le guide de rayon de telle sorte qu'une variation de la distance focale entraîne un déplacement maximal du foyer pour le rayon laser focalisé avec, en même temps, un diamètre de foyer constant. - Utilisation d'acteurs piézo-électriques ayant des propriétés semblables pour obtenir une déformation suffisamment rapide de la surface du miroir. - Conception du système optique (télescope adaptatif) de telle sorte que des variations minimales de la distance focale du miroir déformable entraînent des variations maximales dans la position du foyer. - Utilisation du miroir déformable pour différentes longueurs d'ondes. - Déplacement horizontal du foyer (oscillation du foyer) à une fréquence suffisamment élevée et à une amplitude suffisamment faible qui n'influencent pas négativement le processus. - Utilisation d'un capteur qui détecte les émissions optiques du plasma produit par le faisceau laser. - Utilisation de filtres d'interférence pour un choix sélectif des o20 longueurs d'ondes. - Utilisation d'un capteur capacitif pour la mesure indirecte de l'intensité du plasma. - Utilisation d'un capteur inductif pour la mesure indirecte de l'intensité du plasma. - Algorithme d'évaluation qui calcule la relation des phases entre la fréquence excitante (fréquence de l'oscillation du foyer) et la fréquence résultante du signal de capteur. - Détermination de la position relative du foyer (à savoir au-dessus ou au-dessous de la pièce à usiner) par l'intermédiaire de la relation des phases. - Détermination de la position absolue du foyer par l'intermédiaire de la pente de la courbe caractéristique pour le rayonnement du plasma en fonction de la position du foyer. - Détermination de la valeur absolue de l'amplitude de l'oscillation résultante du signal de capteur comme valeur pour la position absolue du foyer. - Circuit de réglage qui maintient constante la position du foyer par rapport à la surface de la pièce à usiner. Le réglage de la position du foyer peut 7 2733707 s'effectuer soit au moyen d'une optique adaptative soit au moyen d'un réglage mécanique (axe supplémentaire) de la pointe d'usinage. - Mesure directe des émissions du processus dans la zone d'interaction rayon laser/matériau. Bien que l'invention ait été particulièrement montrée et décrite en se référant à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il sera compris aisément par les personnes expérimentées dans cette technique que des modifications dans la forme et dans des détails peuvent être effectuées sans sortir de l'esprit ni du domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour le contrôle et le réglage de la position du foyer lors de l'usinage d'un matériau au laser, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes: - application d'une faible oscillation du foyer, ne nuisant ni à la stabilité du processus ni à la qualité de l'usinage, sur le rayon laser (2) afin d'obtenir un déplacement oscillatoire de la position du foyer, - détection du plasma (6), produit par le faisceau laser, au moyen d'un capteur (7) qui génère un signal de capteur correspondant, - calcul de l'amplitude et de la phase de l'oscillation du signal de capteur résultant de l'oscillation du foyer, cette amplitude et cette phase étant représentatives de l'écart de la position du foyer par rapport à la position optimale du foyer, et - réglage de la position du foyer en fonction de l'écart calculé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on calcule la relation des phases entre l'oscillation du foyer et l'oscillation du signal de capteur et l'on détermine à partir de cette relation des phases si la position courante du foyer se trouve au-dessus ou au-dessous de la position optimale du foyer. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on recourt à l'amplitude de l'oscillation du signal de capteur pour calculer l'écart de la position du foyer par rapport à la position optimale du foyer. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on suscite l'oscillation du foyer au moyen d'une optique adaptative (4). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le réglage de la position du foyer s'effectue au moyen d'une optique adaptative (4) située dans la marche du rayon (2) du dispositif d'usinage au laser. 6. Procédé selon l'une des revendications quelconque 1 à 4, caractérisé en ce que, pour régler la position du foyer, on règle mécaniquement la pointe d'usinage (3) du dispositif d'usinage au laser. 7. Dispositif destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans un dispositif d'usinage d'un matériau au laser, caractérisé par - un dispositif d'oscillation (4) du foyer dans le guide de rayon laser du dispositif d'usinage pour appliquer l'oscillation au foyer (14) du laser verticalement par rapport à la surface (15) de la pièce à usiner, - un capteur (7, 8) comportant un dispositif de mesure (9) pour la détection du plasma (6) produit par le faisceau laser, - un dispositif d'évaluation (10) pour évaluer l'oscillation du signal de capteur et pour calculer l'écart de la position du foyer par rapport à la position optimale du foyer, - un dispositif de réglage (11) pour produire un signal de positionnement destiné au réglage de la position du foyer du rayon laser (2), et - un dispositifde positionnement (12) pour le réglage de la position du foyer du rayon laser en fonction du signal de positionnement. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif d'oscillation du foyer est formé par une optique adaptative (4) comportant un miroir déformable (4'). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le miroir (4') est déformable au moyen d'un acteur piézo-électrique. 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la position du foyer peut être réglée à l'aide de l'optique adaptative (4) commandable par le dispositif de positionnement (12). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la position du foyer peut être réglée au moyen d'un réglage mécanique de la pointe d'usinage (3) du dispositif d'usinage au laser. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé par un capteur (7, 8) détectant les émissions optiques du plasma (6) produit par le faisceau laser. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé par un capteur capacitif ou inductif détectant indirectement l'intensité du plasma (6) produit par le faisceau laser.