Brevet FR2910977A1 — publié le 20080704

DISPOSITIF OPTIQUE DE FOCALISATION D'UN FAISCEAU LASER La présente invention concerne un dispositif optique de focalisation d'un faisceau laser. L'invention concerne également un système de découpe laser et un système de soudure laser comprenant un tel système optique de focalisation d'un faisceau laser. On connaît des systèmes de découpe laser mettant en oeuvre des lasers industriels tels que des lasers CO2 de forte puissance pour découper, souder, marquer ou percer des pièces planes. Ces systèmes sont utilisés pour l'usinage de pièces ayant des formes particulières dans des domaines aussi variés que l'aéronautique, le secteur automobile, et l'industrie en général. L'avantage de ces systèmes est que seul le faisceau laser est en contact avec la pièce au cours de l'usinage. Il n'y a donc pas de contact physique entre un outil de découpe et la pièce à usiner comme dans les machines d'usinage mécanique. Les dommages (déchirures, impacts, ...) généralement causés à la surface de la pièce à usiner par la mise en oeuvre de ces machines outils sont par conséquent totalement absents. Typiquement, un tel système de découpe laser comprend un support plan de travail au dessus duquel est déplacée une tête optique de focalisation d'un faisceau laser. Le faisceau laser est émis par une source laser telle qu'un laser à CO2 et le mouvement de la tête de focalisation est commandé par un automate programmable, ou par commande numérique ou tout autre système de pilotage. La Figure 1 est une représentation schématique du chemin optique suivi par un faisceau laser sur un système de découpe laser de l'art antérieur. Le faisceau laser 1 émis par une source laser est envoyé sur un premier miroir plan 2 mobile en translation le long d'un axe X. Ce faisceau est alors renvoyé vers un deuxième miroir plan 3 mobile en translation le long d'un axe Y. Le faisceau laser 1 ainsi renvoyé est alors focalisé au moyen d'une lentille 4 à la surface de la pièce à découper. Le déplacement des miroirs plans 2, 3 permet de déplacer le point de focalisation 5 du faisceau laser 1 dans le plan (X, Y) pour atteindre n'importe quel point de la pièce à usiner. Grâce à la directivité du faisceau laser 1, il est possible d'effectuer des découpages de très haute précision, le diamètre du point de focalisation du faisceau laser pouvant atteindre des valeurs de l'ordre de deux dixièmes de millimètre. Cependant, on observe que la qualité de la découpe n'est pas uniforme à la surface de la pièce à usiner. En effet, plus on s'éloigne de la sortie de la source laser, moins la qualité de la découpe laser est bonne. Cette dégradation de la précision de la découpe s'explique par la divergence naturelle du faisceau laser. La taille du point de focalisation du faisceau étant relativement proportionnelle au diamètre d'arrivée du faisceau sur la lentille de focalisation, la densité d'énergie au point de focalisation varie donc selon la distance séparant la lentille de focalisation du point de sortie de la source laser émettrice. On observe ainsi sur la Figure 1 que le point de focalisation 6 du faisceau laser 1 correspondant au chemin optique 7 le plus long est de plus grand diamètre que le point de focalisation 5 du faisceau laser 1 correspondant à un chemin optique plus court 8. La variation de densité d'énergie résultante entre ces deux points de focalisation 5, 6 ne permet pas l'obtention d'une qualité constante d'usinage. Il est alors nécessaire de réduire la vitesse de découpe pour améliorer la qualité de découpe d'une pièce. Néanmoins, la qualité de découpe reste non uniforme à la surface de la pièce et le temps de découpe étant plus long, il est plus onéreux. Des solutions ont été proposées par exemple avec l'ajout d'éléments optiques comme des télescopes ou des collimateurs, ou encore des chemins optiques dits "à trombone" ou encore des miroirs déformants. Toutefois, ces éléments optiques sont complexes et coûteux. Ils ne permettent pas de plus d'obtenir des résultats entièrement satisfaisants. Il existe donc un besoin important pour un système de découpe laser présentant une qualité de découpe qui soit uniforme à la surface d'une pièce plane et qui permette d'usiner cette pièce rapidement. L'objectif de la présente invention est donc de proposer un dispositif optique de focalisation d'un faisceau laser simple dans sa conception et dans son mode opératoire, peu coûteux et permettant de conserver un point de focalisation constant quelque soit la position du point de focalisation à la surface d'une pièce à découper, percer, marquer, ou encore souder. Un tel dispositif permet de conserver une densité d'énergie constante sur toute la zone de travail et donc d'obtenir une qualité de découpe, par exemple, parfaitement uniforme. A cet effet, l'invention concerne un dispositif optique de focalisation d'un faisceau laser comportant un bloc optique de focalisation comprenant un premier miroir plan destiné à recevoir le faisceau laser et à renvoyer ce faisceau sur un élément optique de focalisation, ce bloc étant mobile dans un plan. Selon l'invention, le dispositif comprend - un bloc optique articulé comprenant deux parties superposées et mobiles en rotation l'une par rapport à l'autre autour d'un premier axe de rotation, la première partie comprenant un deuxième miroir plan et la deuxième partie comprenant un troisième miroir plan, - cette première partie et le bloc optique de focalisation sont reliés l'un à l'autre par un bras creux de longueur d à l'intérieur duquel est destiné à se propager le faisceau, et la deuxième partie est reliée à un bloc optique d'entrée par un bras creux de longueur d', égale ou non à d, à l'intérieur duquel est destiné à se propager le faisceau, les longueurs d et d' étant constantes, - le bloc optique d'entrée comprend un quatrième miroir plan, chacun de ces quatrième, troisième et deuxième miroirs plans étant destiné à recevoir le faisceau laser et à renvoyer celui-ci vers le miroir plan suivant dans la direction de propagation du faisceau. Avantageusement, la présente invention est applicable à tout type de source laser dont le faisceau laser émis peut se réfléchir sur des miroirs plans pour sa propagation. Dans différents modes de réalisation particuliers de ce dispositif optique de focalisation, chacun ayant ses avantages particuliers et susceptibles de nombreuses combinaisons techniques possibles: - le bloc optique d'entrée ayant un axe principal, ce bloc d'entrée est mobile en rotation autour d'un deuxième axe de rotation de sorte que le bloc optique de focalisation est mobile en translation dans un plan (X, Y), - le dispositif comporte une source laser émettant un faisceau laser de longueur d'onde X, 8pm, La source laser peut émettre en régime continu ou en régime pulsé. Avantageusement, la source laser est un laser à dioxyde de carbone dont la longueur d'onde du faisceau laser émis est comprise entre 9,4 et 11 pm. - les première et deuxième parties sont reliées entre elles par un élément de guidage en rotation, - le bloc optique de focalisation est monté sur un système de guidage au moyen duquel le bloc optique de focalisation est déplaçable le long de deux axes, - le bloc optique d'entrée et la première partie du bloc optique articulé sont motorisés de manière à entraîner en déplacement le bloc optique de focalisation. L'invention concerne également un système de découpe laser. Selon l'invention, ce système comprend un dispositif optique de focalisation tel que décrit précédemment. De préférence, ce système de découpe laser comprend une source laser à gaz qui peut être choisie dans le groupe comprenant le laser à 002, le laser à CO, le laser à N2, le laser à H2 ou encore le laser à N2O. Enfin, l'invention concerne un système de soudure laser. Selon l'invention, ce système comprend un dispositif optique de focalisation tel que décrit précédemment. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement le chemin optique d'un faisceau laser dans un système de découpe laser de l'art antérieur; - la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif optique de focalisation d'un faisceau laser selon un mode de réalisation particulier de l'invention; - la figure 3 montre en perspective un système de découpe laser selon un mode de réalisation particulier de l'invention; La Figure 2 montre de manière schématique un dispositif optique de focalisation d'un faisceau laser selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Ce dispositif comporte un bloc optique de focalisation 10 comprenant un premier miroir plan 11 destiné à recevoir un faisceau laser 12 et à renvoyer ce faisceau sur un élément optique de focalisation 13 tel qu'une lentille de focalisation. Cette lentille de focalisation peut être en ZnSe. Le premier miroir plan 11 est monté sur un élément de support creux 14. Il comprend également un bloc optique articulé 15 comprenant deux parties superposées 16, 17 et mobiles en rotation l'une par rapport à l'autre autour d'un premier axe de rotation 18. Pour cela, la première partie 16 peut être reliée à la deuxième partie 17 par un élément de guidage en rotation 30. Cet élément de guidage 30 est par exemple un roulement à billes. La première partie 16 comprend un deuxième miroir plan 19 et un élément de support creux 20 sur lequel est monté ce deuxième miroir plan 19. La deuxième partie 17 comprend un troisième miroir plan 21 monté sur un élément de support creux 22. La première partie 16 et le bloc optique de focalisation 10 sont reliés l'un à l'autre par un bras creux 23 de longueur constante d tandis que la deuxième partie 17 est reliée à un bloc optique d'entrée 24 par un bras creux 25 de longueur égale aussi à d. Le bloc optique d'entrée 24 comprend un quatrième miroir plan 26 monté également sur un support creux 27. Ce bloc optique d'entrée 24 est de préférence mobile en rotation autour d'un deuxième axe de rotation 28 de sorte que ledit bloc optique de focalisation 10 soit mobile en translation dans ce plan. Chaque élément de support creux 14, 20, 22, 27 est relié de manière amovible ou non au bras creux 23, 25 correspondant. Ces bras creux 23, 25 peuvent être des tubes rigides à l'intérieur desquels le faisceau laser 12 est destiné à se propager. Chaque miroir plan 11, 19, 21, 26 peut être refroidi pour une haute tenue au flux. Chaque miroir plan comporte alors un logement dans laquelle est inséré un élément de refroidissement tel qu'un tube, lequel est relié à un circuit de refroidissement dans lequel circule un fluide de refroidissement. Ce fluide peut être à titre purement illustratif de l'eau. Le chemin optique suivi par un faisceau laser 12 émis par une source laser, non représentée, dans ce dispositif optique va maintenant être décrit plus en détails. Le faisceau laser 12 émis par cette source est reçu et dévié perpendiculairement à son axe de propagation par un cinquième miroir plan 29 qui envoie le faisceau ainsi dévié le long de l'axe 28 sur le quatrième miroir plan 26 du bloc optique d'entrée 24. Le cinquième miroir plan 29 est fixe par rapport au bloc optique d'entrée 24 puisque la source laser est fixe. Toutefois, si le dispositif optique est équipé de plusieurs sources laser, le cinquième miroir plan 29 peut être mobile en rotation de manière à être placé en vis-à-vis de la sortie de la source laser retenue en fonction de l'application envisagée. Ce quatrième miroir plan 26 dévie le faisceau laser à l'intérieur du tube creux 25 de manière coaxiale. Le faisceau laser 12 est ensuite dévié perpendiculairement à son axe propre par l'intermédiaire du troisième miroir plan 21 et est envoyé le long de l'axe 18. L'ensemble constitué du quatrième miroir plan 26 et de son élément de support creux 27, du bras creux 25, du troisième miroir plan 21 et de son élément de support creux 22 est fixe. Le faisceau laser 12 est ensuite dévié perpendiculairement à son propre axe de propagation par l'intermédiaire du deuxième miroir plan 19 à l'intérieur du bras creux 23 de manière coaxiale. La première partie 16 comprenant le deuxième miroir plan 19 et son élément de support creux 20 est mobile en rotation autour du premier axe de rotation 18 par rapport à la deuxième partie 17. Le faisceau laser 12 arrive sur le premier miroir plan 11 du bloc optique de focalisation 10 et est dévié par ce miroir plan de manière coaxiale à l'axe 31. Le faisceau 32 sort perpendiculaire à l'axe de propagation du faisceau laser 12 dans le bras creux 23. L'ensemble constitué du deuxième miroir plan 19 et de son élément de support creux 20, du bras creux 23, du premier miroir plan 11 et de son élément de support creux 14 est fixe. Les longueurs des bras 23, 25 creux sont constamment fixes. La Figure 3 montre un système de découpe laser selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Les éléments de la Figure 3 portant les mêmes références que les éléments de la Figure 2 représentent les mêmes objets et ne seront pas décrits de nouveau. La source laser émettant le faisceau laser n'est pas représentée par souci de clarté. Le bloc optique de focalisation 10 est monté sur un système de guidage au moyen duquel ce bloc optique de focalisation est déplaçable le long de deux axes X, Y. Le bloc optique de focalisation 10 est animé d'un mouvement relatif par rapport à l'ensemble à découper 33 de telle sorte que le point de focalisation du faisceau laser décrive une trajectoire correspondant au profil de découpe à réaliser. Le système de guidage comporte ici deux rails de guidage 34, 35 chaque rail étant orienté suivant un des axes X, Y. Le rail de guidage 34 est monté en translation sur l'autre rail de guidage 35. Le bloc optique de focalisation 10 est monté sur un chariot 36 mobile en translation le long du rail de guidage 34. Ce système de guidage 34, 35 et le déplacement du chariot 36 sont commandés par un automate programmable non représenté. Cet ensemble à découper 33 peut comprendre une seule couche telle qu'une tôle plane ou un ensemble de couches, par exemple un empilement de tôles planes. Cet ensemble 33 peut être fixe ou également animé d'un mouvement. Lorsqu `il est fixe, des moyens d'attache non représentés peuvent être mis en oeuvre pour éviter que l'ensemble ne bouge durant l'opération de découpe. Le bloc optique d'entrée 24 est monté sur un élément de support tel qu'un pilier métallique 36 solidaire de la structure du système de découpe laser. Le dispositif comprend un bras de renfort 37 monté en rotation à une de ses extrémités sur cet élément de support 36 pour supporter le bloc optique articulé 15 de sorte à maintenir le bras creux 25 de longueur d' dans un plan lors du déplacement de ce bloc optique articulé 15 entraîné par le déplacement du bloc optique de focalisation 10. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le bloc optique d'entrée 24 et la première partie du bloc optique articulé 16 sont chacun motorisés de manière à entraîner en déplacement le bloc optique de focalisation 10 dans un plan X, Y. L'alimentation de la motorisation de chacun de ces éléments peut être commandée de manière indépendante et des moyens de mesure tels que des capteurs permettent de déterminer l'angle de rotation réalisé par chacun d'entre eux. La combinaison des déplacements du bloc optique d'entrée 24 et de la première partie du bloc optique articulé 16 permet de déplacer le bloc optique de focalisation 10, et donc le point de focalisation, en tout point du plan X, Y. L'avantage de ce système est que le bloc optique de focalisation 10 n'est alors plus monté sur un système de guidage tel que décrit précédemment, lequel est encombrant et coûteux. Eventuellement afin d'assurer le déplacement du bras creux 23 dans un plan horizontal un autre bras de renfort monté en rotation à une de ses extrémités sur un élément de support pour supporter le bloc optique de focalisation 10. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique de focalisation d'un faisceau laser comportant un bloc optique de focalisation (10) comprenant un premier miroir plan (11) destiné à recevoir ledit faisceau laser et à renvoyer ledit faisceau sur un élément optique de focalisation (13), ledit bloc étant mobile dans un plan, caractérisé en ce qu'il comprend - un bloc optique articulé (15) comprenant deux parties superposées et mobiles en rotation l'une par rapport à l'autre autour d'un premier axe de rotation (18), ladite première partie (16) comprenant un deuxième miroir plan (19) et ladite deuxième partie (17) comprenant un troisième miroir plan (21), - ladite première partie (16) et ledit bloc optique de focalisation (10) étant reliés l'un à l'autre par un bras creux de longueur d (23) à l'intérieur duquel est destiné à se propager ledit faisceau, et ladite deuxième partie (17) étant reliée à un bloc optique d'entrée par un bras creux de longueur d' (25), égale ou non à d, à l'intérieur duquel est destiné à se propager ledit faisceau, les longueurs d et d' étant constantes, - ledit bloc optique d'entrée (24) comprenant un quatrième miroir plan (26), chacun desdits quatrième (26), troisième (21) et deuxième (19) miroirs plans étant destiné à recevoir le faisceau laser et à renvoyer celui-ci vers le miroir plan suivant dans la direction de propagation du faisceau. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit bloc optique d'entrée (24) est mobile en rotation autour d'un deuxième axe de rotation (28) de sorte que ledit bloc optique de focalisation (10) est mobile en translation dans un plan (X, Y). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un cinquième miroir plan (29) destiné à recevoir ledit faisceau laser et à renvoyer celui-ci sur ledit quatrième miroir plan (26), ledit cinquième miroir plan (29) étant fixe par rapport audit bloc optique d'entrée (24). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une source laser émettant un faisceau laser de longueur d'onde X, 8pm. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième parties (16, 17) comprennent chacune un élément de support creux (20, 22) sur lequel est monté ledit miroir plan (19, 21), ledit élément de support (20, 22) étant relié de manière amovible ou non audit bras creux (23, 25) correspondant. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième parties (16, 17) sont reliées entre elles par un élément de guidage en rotation (30). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ledit bloc optique de focalisation (10) est monté sur un système de guidage (34-36) au moyen duquel ledit bloc optique de focalisation (10) est déplaçable le long de deux axes. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ledit bloc optique d'entrée (24) et ladite première partie (16) du bloc optique articulé (15) sont motorisés de manière à entraîner en déplacement ledit bloc optique de focalisation (10). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit bloc optique d'entrée (24) étant monté sur un élément de support (36), le dispositif comprend un bras de renfort (37) monté en rotation à une de ses extrémités sur ledit élément de support (36) pour supporter ledit bloc optique articulé (15) de sorte à maintenir ledit bras creux de longueur d' dans un plan. 10. Système de découpe laser, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 11. Système de soudure laser, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.