Brevet FR2819743A1 — publié le 20020726

La présente invention concerne le soudage de deux pièces bord à bord au moyen d'un faisceau laser. Cette technique est employée couramment dans le domaine de la carrosserie automobile pour assembler bord à bord deux flans plans de tôle avant leur formage par emboutissage, ces flans pouvant être d'épaisseur semblable ou différente. Le faisceau est focalisé sur la ligne de contact des flans et est déplacé le long de cette ligne à une vitesse déterminée par exemple de l'ordre de 10 à 15 mètres par minute (en fonction bien entendu de l'épaisseur à souder). Le mouvement relatif est obtenu par déplacement de la tête de focalisation du faisceau laser au-dessus d'une table où les flans sont bridés et maintenus au contact l'un de l'autre. Plus rarement alors que le faisceau est fixe, on déplace la table de support des flans sous le point de focalisation. Le déplacement relatif du faisceau focalisé et des pièces à souder résulte d'une programmation de la machine ou d'un robot qui définit dans un repère donné une trajectoire théorique. La coïncidence entre cette trajectoire théorique et celle réellement parcourue n'est jamais obtenue, compte tenu d'une part, d'une incertitude dans la position et l'orientation de la ligne de contact des flans dans le repère de la trajectoire théorique et d'autre part, des jeux et tolérances dimensionnelles que comporte le mécanisme moteur devant accomplir cette trajectoire. Il est donc nécessaire de corriger en permanence la trajectoire du mouvement relatif au moyen d'un mécanisme d'asservissement. Ce mécanisme d'asservissement comprend un dispositif d'observation de la ligne de contact (caméra) qui est solidaire de la tête de soudage, ce qui permet d'obtenir une image d'une zone de cette ligne dans le repère de la tête de soudage. La position de cette ligne dans l'image correspond au décalage du faisceau par rapport au joint. Les valeurs successives de décalages permettent de générer des consignes de recalage envoyées au mécanisme d'asservissement pour corriger la trajectoire de la caméra, et donc de la tête de soudage, afin d'annuler le décalage du faisceau par rapport au joint. La précision du suivi de la ligne de contact par la tête de soudage est fonction de la fréquence des observations successives et de la distance séparant le point de soudage et la zone de la ligne observée. Pour obtenir une précision acceptable, on procède à l'observation de la ligne de contact en amont du point de focalisation du faisceau laser à travers l'optique de focalisation de ce dernier. De cette manière, la zone d'observation de la réflexion diffuse du plan laser d'éclairage de la scène est immédiatement en amont du point de soudure. En effet, le trajet du faisceau laser est le seul chemin de lumière libre pour observer une scène presque adjacente au point de soudure. En dehors de ce chemin de lumière il n'existe pas de trajet pour les rayons réfléchis par une zone proche du point de soudure qui soit dépourvu d'obstacle, si bien qu'il faut éloigner la zone d'observation du point de soudure d'une distance telle que les performances du dispositif s'en ressentent. Cependant, au voisinage du point de soudure, l'atmosphère est encombrée de vapeurs métalliques de fumées et de scories qui, soumises au faisceau laser, génèrent des perturbations lumineuses de forte intensité dont la densité optique dans la zone d'observation atténue de manière très importante la qualité et l'homogénéité des images nécessaires aux mesures de décalage. Pour pallier cet inconvénient, on propose, conformément à l'invention, d'abord un procédé de soudage bord à bord de deux pièces en feuille consistant à provoquer la fusion locale de la matière formant les bords en contact de chacune des pièces par un faisceau laser focalisé sur la ligne de contact accompagnée d'un mouvement relatif entre le point de focalisation du faisceau et les pièces le long de leur ligne de contact, le mouvement étant obtenu par l'exécution d'une trajectoire théorique programmée corrigée par l'observation d'une scène incluant la ligne de contact, en amont du point de focalisation du faisceau laser au travers de l'optique de focalisation de ce dernier, observation faite de cette scène en évacuant les gaz et fumées qui y sont présents par le soufflage d'un gaz de balayage. De manière préférée, le soufflage est réalisé à partir d'une zone en amont de la scène observée dans le sens du soudage et est orienté vers le point de focalisation, de bas en haut, pour passer au-dessus de ce dernier. On réalise en fait un pinceau pneumatique qui permet d'entraîner les gaz et les fumées vers l'arrière sans pour autant perturber le bain de fusion au niveau du point de soudage. Ceci afin d'éviter toute altération de la qualité de la soudure. Le dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé comprend, solidaire d'un bâti, une source d'un faisceau laser et une optique de focalisation de ce faisceau avec dans l'optique de focalisation un élément de séparation pour séparer du faisceau laser un rayonnement réfléchi par une scène observée incluant une portion de ligne de contact située immédiatement en amont du point de focalisation du faisceau laser et un capteur de ce rayonnement réfléchi situé à l'extérieur du faisceau laser, le bâti étant équipé d'une buse de soufflage d'un gaz de balayage située en amont de la scène observée et tournée en direction de cette scène. Selon un mode de réalisation de l'invention, la buse définit un canal de soufflage du gaz de balayage incliné vers le haut d'un angle compris entre 10 et 20 par rapport à la surface des pièces et s'ouvrant dans l'atmosphère par une fente parallèle à cette surface de manière à souffler une lame pneumatique. La scène observée peut être éclairée par la lumière émise par le point de soudure mais, dans la plupart des cas, le bâti portera un moyen d'éclairement de la scène observée émettant dans celle-ci un faisceau lumineux en forme de pinceau sensiblement transversal à la ligne de contact des pièces et incliné par rapport à leur surface supérieure. C'est l'intersection de la ligne de contact et de la raie de lumière que forme l'intersection du faisceau avec la surface des pièces qui constituera le point critique observé par la caméra et dont l'écart par rapport à une position de consigne représentative de la trajectoire théorique du mouvement relatif des pièces et du faisceau laser, formera la base du calcul de la correction de cette trajectoire. Pour corriger cette trajectoire, le bâti sera monté sur un support qui comprend une table motorisée à commande numérique réalisant le déplacement commandé du bâti orthogonalement à la ligne de contact. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ciaprès d'un exemple de sa réalisation. Il sera fait référence à la figure unique qui représente schématiquement une tête de soudage conforme à l'invention. La tête de soudage représentée comporte un bâti 1 auquel aboutit par une fibre optique 2 une énergie sous forme de rayonnement laser, focalisée par une optique 3, logée à l'intérieur du bâti 1 en un point 4 situé sur une ligne de contact 5 de deux tôles 6 et 7 à souder bord à bord. Dans le système optique 3 de focalisation du faisceau de soudage laser (laser YAG) on a incorporé une lame optique 8 qui se comporte à l'égard du faisceau comme un miroir. En revanche, pour un rayonnement réfléchi 9 d'une scène 10 située immédiatement en amont du point de soudage 4 en considération du sens d'avancement A de ce point 4 le long de la ligne 5, la lame optique 8 se comporte comme une lame transparente qui laisse passer le faisceau réfléchi 9 en direction d'un second miroir 11 qui renvoie le faisceau 9 sur une caméra 12 également portée par le bâti 1. La caméra peut être constituée par tout moyen connu permettant d'observer la position de l'image de la ligne 5 dans la scène 10 et de calculer un signal d'erreur significatif de l'écart de cette image par rapport à une position de consigne qui est représentative de la position que devrait avoir la ligne 5 si celle-ci était observée le long de la trajectoire théorique du bâti 1 par rapport aux pièces 6 et 7. La caméra 12 peut être une caméra CCD ou un dispositif utilisant la technologie CMOS. La caméra 12 est capable de traiter au moins une image toutes les cinq millisecondes. La scène 10 émettrice du faisceau réfléchi 9 est de préférence éclairée par un dispositif d'éclairement 13, porté par le bâti 1 qui peut être une source émettrice d'un rayonnement laser, de préférence un laser hélium/néon, dans le domaine visible ou une source de lumière stroboscopique cadencée à la fréquence d'acquisition des images. L'optique de cette source de lumière sera telle que le rayonnement qui en est issu forme un pinceau 14 dont l'intersection avec les pièces 6 et 5 forme une ligne lumineuse 15 sensiblement transversale à la ligne de contact 5. Ainsi, si les pièces à souder sont d'épaisseurs différentes (et dans ce cas l'échelon est situé sur la face supérieure de l'assemblage), on pourra constater une brisure dans cette ligne 15, le point de brisure correspondant à la position de la ligne 5 dans la scène observée. Pour que cette brisure soit visible il faut que le pinceau soit incliné par rapport à la normale aux surfaces des pièces à souder. L'inclinaison est ici de l'ordre de 250. Elle pourra atteindre 450 si cela est nécessaire. On constate aussi une diminution de l'intensité lumineuse réfléchie par la ligne de contact des tôles permettant de repérer sa position dans le cas où la différence de hauteur des tôles 6,7 est faible. Le bâti 1 de la tête de soudage porte, conformément à l'invention, en-dessous de la source de lumière 13, une buse 16 de soufflage d'un gaz de balayage destiné à évacuer les fumées pouvant perturber la vision par la caméra 12 de la scène 10. Cette buse 16 est raccordée à un tube d'admission 17 d'un gaz sous pression. A l'opposé de ce tube, elle s'ouvre vers l'atmosphère en direction du point de soudure 4 par une ouverture 18 en forme de fente sensiblement parallèle à la surface supérieure des pièces 6 et 7, fente qui constitue la partie terminale d'un canal plat 19 de répartition du flux de gaz sous pression sous forme d'une lame pneumatique 20. Le canal 19 est incliné vers le haut et vers l'arrière par rapport au sens de déplacement A d'un angle a compris entre 10 et 200, et de préférence 0 égal à 15 . La lame pneumatique 20 ainsi réalisée, confine les fumées émises par la soudure dans un espace situé au-delà du point de soudure par rapport à la scène 10, espace noté 21 sur la figure. La scène 10 se trouve ainsi débarrassée d'une atmosphère pouvant altérer la qualité des images obtenues par la caméra 12. En outre, comme illustré sur la figure, la caméra 12 est de préférence équipée d'un filtre optique 23 à bande passante très étroite (par exemple de l'ordre de lnm) centrée sur la longueur d'onde d'émission de la source 13 qui génère le faisceau d'éclairage de la scène. Ainsi on améliore encore la qualité de l'image reçue par la caméra 12. La précision des images reçues permet d'utiliser le dispositif selon l'invention pour effectuer à partir de chaque image non seulement un calcul de la consigne de correction mais également une vérification que l'écart de suivi, le désaffleurement des tôles et leur écartement restent dans une plage de tolérance acceptable, et déclencher une alarme dans le cas où l'une de ces valeurs sort de la plage autorisée. La tête de soudure 1 est supportée par un support général 22 en forme de table motorisée à commande numérique. Les moyens qui relient le bâti 1 du support 22 permettent de déplacer le bâti par rapport au support dans une direction perpendiculaire au plan de la figure, c'est-à-dire orthogonal à la ligne 5 des pièces 6 et 7. Le support 22 peut appartenir à un robot de soudage alors que dans le poste les pièces 6 et 7 sont fixes. Ce support décrira donc la trajectoire théorique en exécution d'une programmation du robot, trajectoire de laquelle la trajectoire réelle ne peut que s'écarter transversalement et qui sera donc corrigée par la commande de la table motorisée. Dans un autre mode de réalisation d'un poste de soudage, le support 12 est fixe et ce sont les pièces 5 et 7 qui sont déplacées sous la tête de soudage. Les corrections du déplacement des pièces par rapport à la tête de soudage pourraient être apportées sur la trajectoire même des pièces, mais il est préférable notamment pour des raisons d'inertie de procéder à ces corrections en déplaçant, grâce à la table motorisée qui lie le bâti 1 au support 22 fixe, la tête de soudage transversalement à la ligne de contact 5. REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage bord à bord de deux pièces (6,7) en feuille consistant à provoquer la fusion locale de la matière formant les bords en contact de chacune des pièces par un faisceau laser focalisé (4) sur la ligne de contact (5) accompagnée d'un mouvement relatif (A) entre le point de focalisation (4) du faisceau et les pièces (6,7), le long de leur ligne (5) de contact, le mouvement étant obtenu par l'exécution d'une trajectoire théorique programmée corrigée par l'observation d'une scène (10) incluant la ligne de contact (5), en amont du point de focalisation (4) du faisceau laser au travers de l'optique (3) de focalisation de ce dernier, caractérisé en ce qu'on évacue les gaz, fumées et scories présents au-dessus de la scène (10) observée par le soufflage d'un gaz (20) de balayage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le soufflage est réalisé à partir d'une zone en amont de la scène (10) observée dans le sens (A) du soudage et est orienté vers le point (4) de focalisation, et au-dessus de ce dernier. 3. Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 et 2, comprenant, solidaire d'un bâti (1), une source (2) d'un faisceau laser et une optique (3) de focalisation de ce faisceau avec, dans l'optique (3) de focalisation, un élément (8) de séparation pour séparer du faisceau laser un rayonnement réfléchi (9) par une scène (10) observée, incluant une portion de ligne (5) de contact située immédiatement en amont du point de focalisation (4) du faisceau laser et un capteur (12) de ce rayonnement réfléchi, porté par le bâti et situé à l'extérieur du faisceau laser, caractérisé en ce que le bâti (1) est équipé d'une buse (16) de soufflage d'un gaz de balayage située en amont de la scène (10) observée et tournée en direction de cette scène. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la buse (16) définit un canal (19) de soufflage du gaz de balayage incliné vers le haut d'un angle (a) compris entre 100 et 200 par rapport à la surface des pièces (6,7) et s'ouvrant dans l'atmosphère par une fente (18) parallèle à cette surface de manière à produire une lame (20) pneumatique. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que le bâti (1) porte un moyen d'éclairement (13) de la scène (10) observée, émettant dans celle-ci un faisceau lumineux (14) en forme de pinceau sensiblement transversal à la ligne de contact (5) des pièces (6,7) et incliné par rapport à leur surface supérieure. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la caméra (12) est équipée d'un filtre optique (23) à bande passante très étroite centrée sur la longueur d'onde d'émission du moyen d'éclairement (13). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le bâti (1) est monté sur un support (22) qui comprend une table motorisée à commande numérique du déplacement de ce bâti orthogonalement à la ligne (5) de contact des pièces (6,7).