Brevet FR2766116A1 — publié le 19990122

Dispositif de protection pour perçage par laser de trous débouchant sur des cavités (tubes,...) 1 - Introduction Le perçage par laser de trous dans des structures métalliques (tôles,...) s'effectue généralement hors de toute contrainte de proximité; de ce fait le risque d'impact laser et de projection de métal fondu se produisant en fin de perçage du trou, du côté opposé à l'impact laser, ne pose pas de problème particulier. Néanmoins, des cas particuliers peuvent se présenter, dans lesquels existe une structure proche de la structure à percer, (côté opposé à l'impact laser), qu'il convient de ne pas polluer ou affecter (impact laser, scories résultant du métal fondu éjecté,...). I1 peut s'agir par exemple de tubes, ou de pièces présentant une cavité. La présente invention porte sur un dispositif destiné à protéger la face non percée de la cavité tout en permettant l'exécution du perçage par laser du trou désiré dans de bonnes conditions. 2 - Phénomènologie Le perçage par laser d'un trou s'effectue très généralement par émission d'un certain nombre d'impulsions laser; le nombre d'impulsions et les caractéristiques d'émission (énergie, durée, conditions de focalisation du faisceau, fréquence de répétition,...etc) font partie des divers paramètres de réglage permettant l'obtention des caractéristiques de perçage désirées pour le matériau considéré: entrent en ligne de compte non seulement les caractéristiques du faisceau laser, mais aussi le gaz (nature, débit, pression, conditions de soufflage du gaz,...etc). En fin d'exécution du perçage, lorsque l'impulsion laser débouche sur la face opposée, se produisent les phénomènes suivants (cf figure 1): - projection vers la cavité de particules métalliques fondues résultant de l'action conjuguée de l'impulsion laser et du gaz utilisé (gaz oxydant); - une partie de l'impulsion laser, non utilisée pour l'action ultime de perçage, est transmise vers la cavité dans la direction correspondant à l'axe du trou; - émission possible dans la cavité de résidus de combustion, accompagnant la partie du gaz utilisé (gaz oxydant) qui s'échappe par le trou ainsi réalisé. Lorsque l'opération s'effectue en présence de structures situées à proximité du côté opposé à l'impact laser et ne devant pas être polluées ou dégradées, il y a lieu de prévoir un dispositif de protection de ces structures ne modifiant pas ou peu, les conditions d'exécution du perçage. 3 - Dispositif objet de l'invention Ce dispositif est présenté dans le cas de perçage sur tube ovoïde ou circulaire, mais sera par la suite généralisé à toute cavité de forme géomètrique donnée. Le tube support de cette présentation est supposé de section constante, grossièrement rectiligne et ouvert aux deux bouts. Ce dispositif est composé (cf figure 2): - d'un véhicule dont la coupe, en transversal, épouse (aux jeux près) la coupe de la cavité , en laissant une partie ouverte, face au trou à percer, et dont la longueur est telle que toutes les projections de particules de métal fondu se produisent à l'intérieur de ce véhicule; ce véhicule coulisse à sa partie inférieure sur le tube (ou la cavité) et est ouvert à sa partie supérieure (l'impact laser étant supposé s'effectuer dans le plan vertical); - d'un dispositif, à l'intérieur de ce véhicule, absorbant l'énergie du faisceau laser sur la hauteur disponible (parfois faible - quelques millimètres au plus) et ayant un faible coefficient de réflexion; recevant les projections de particules de métal fondu et les fixant (en évitant qu'ils ne ricochent ou rebondissent); ce dispositif absorbant peut être soit un liquide visqueux (huile siliconée par exemple) remplissant partiellement le véhicule, soit une graisse (siliconée par exemple) tapissant les parois intérieures du véhicule; soit un matériau (sable, ...) remplissant partiellement le véhicule - d'une tringlerie (ou d'un conduit de rigi-dité équivalente) permettant le positionnement, selon l'axe du tube, du véhicule en regard du trou à percer; le positionnement en transversal est assuré soit de façon passive par gravité et forme de la section de la cavité (si section non circulaire), soit de façon active par la tringlerie de manoeuvre, avec liaison rigide tringlerie/véhicule. La dimension en épaisseur du véhicule est directement liée à la dimension verticale de la cavité. L'épaisseur du dispositif interne absorbant est directement lié aux conditions de perçage (énergie par pulse, risques de projection, ...). Le véhicule ainsi constitué laisse en partie haute à ses deux extrémités une ouverture permettant le passage des gaz. Vis à vis de l'évacuation des fumées, deux dispositions différentes peuvent être associées au véhicule: - premier cas: fumées peu abondantes et/ou non polluantes pour les structures internes: dans ce cas, un balayage du tube (ou de la cavité) à l'air est envisageable, permettant de diluer et d'évacuer ces fumées hors de la cavité; - deuxième cas: fumées abondantes et/ou polluantes et nocives pour les structures: dans ce cas la tringlerie sera remplacée par un conduit de rigidité équivalente, permettant, en complément de la fonction manoeuvre du véhicule, de procéder à une aspiration à l'intérieur du véhicule; dans ce cas la dimension de l'ouverture ménagée aux deux extrémités du véhicule sera réduite, favorisant ainsi l'aspiration des fumées produites au droit du véhicule. Le dispositif présenté peut être utilement associé à des dispositions prises sur l'émission laser ou le soufflage du gaz pour minimiser, en fin d'opération de perçage du trou, les risques de projection de scories ou d'impact laser (par exemple en diminuant l'énergie par pulse...) 4 - Variantes du dispositif Les dimensions du véhicule sont bien évidemment adaptées aux dimensions et à la forme de la cavité; dans le cas traité jusqu'à présent, la cavité présentait une section constante, si le tube (ou la cavité) présentait une section variable (mais pas trop variable néanmoins), le dispositif précité pourrait continuer à fonctionner avec les précisions suivantes (cf figure 3): - sa dimension serait définie pour la section minimale de la cavité, - il continuerait à glisser sur sa partie inférieure dans la cavité; - en latéral, des patins avec pousseurs équilibrés centreraient le dispositif (cf figure 3). Enfin dans le cas où la notion de véhicule ne peut être retenue (dimensions de la cavité trop faibles, ouverture en extrémité trop petite, cavité de section trop variable, ... etc) ou dans le cas où il peut être jugé préférable industriellement de s'affranchir d'un véhicule, on peut envisager de mettre en place directement le milieu absorbant dans le tube (ou la cavité): dans le cas (cf figure 4) où le milieu absorbant est un liquide visqueux (huile siliconée par exemple), il faut que la cavité soit contenue dans un plan lui-même positionné horizontalement pour le perçage, de telle sorte qu'une épaisseur minimum du milieu absorbant puisse être obtenue pour toute section de la cavité. On peut également s'affranchir de ces contraintes en remplissant complètement la cavité avec le milieu absorbant, préférentiellement avec un sable à grains calibrés: une partie des fumées et du gaz de perçage diffusera dans le sable par les interstices entre grains, le reste sera évacué à l'extérieur par le trou venant d'être réalisé. Revendications 1 - Dispositif de protection utilisé lors d'opération de perçage, par laser, de trous débouchant sur des cavités (tubes, ...), caractérisé en ce qu'il comporte: o un véhicule coulissant dans la cavité, ouvert à sa partie supérieure (face au tou à percer), et muni, à l'intérieur, d'un dispositif absorbant le rayonnement laser et fixant les projections de particules de métal fondu; des dispositions annexes destinées à évacuer les fumées, soit par balayage d'air dans la cavité, soit par aspiration à l'intérieur du véhicule et évacuation à l'extérieur de la cavité. 2 - Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif absorbant le rayonnement laser et fixant les projections de particules de métal fondu peut être: - soit un liquide visqueux (huile siliconée par exemple) remplissanr partiellement le véhicule, - soit une graisse (graisse siliconée par exemple) recouvrant les parois du véhicule, - soit un matériau (sable par exemple) remplissant partiellement le véhicule. 3 - Disposition de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sections transversales du véhicule sont adaptées au mode d'élimination des fumées, c'est à dire: - soit laissent une ouverture suffisante pour permettre une élimination par balayage d'air; - soit au contraire laissent une ouverture faible dans le cas d'une élimination par aspiration interne au véhicule, via le tube servant au positionnement du véhicule dans la cavité. 4 - Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le véhicule est positionné à l'intérieur de la cavité , en longitudinal et en transversal, soit par une tige avec couplage rigide au véhicule (cas de balayage par air), soit par tube avec couplage rigide au véhicule (cas d'aspiration interne au véhicule). 5 - Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que, si la cavité ne permet pas l'emploi d'un véhicule (dimensions trop faibles, ...etc), le milieu absorbant peut être déposé directement dans la cavité; si les dimensions de la cavité ou les conditions d'exécution des perçages sont telles qu'il faille remplir complètement la cavité avec le matériau absorbant, on retiendra préférentiellement comme matériau absorbant de la silice (sable) à grains calibrés.