Brevet FR2917313A1 — publié le 20081219

L'invention concerne un procédé et un système de perçage d'une pièce par laser. Les lasers peuvent être utilisés dans le perçage de pièces, par exemple de pièces métalliques. On parle généralement de "lasers de puissance", c'est-à-dire, de lasers produisant une puissance suffisante pour permettre le perçage d'une pièce. De tels lasers permettent une bonne qualité du perçage, notamment grâce à leur puissance crête et moyenne et à une bonne géométrie du faisceau. Les lasers de perçage utilisés sont généralement des lasers pulsés, c'est-à-dire, des lasers qui émettent de la lumière sous forme d'impulsions consécutives. Ces impulsions sont réparties dans le temps, chaque impulsion étant constituée d'une pluralité d'ondes, les impulsions étant séparées par des périodes de temps où le laser n'émet pas de lumière. Lors d'une impulsion, le métal û dans le cas d'une pièce métallique û est irradié localement par les pulsations du laser, qui est focalisé sur le métal par une lentille de focalisation. Sous l'influence de cette irradiation, le métal fond et est partiellement vaporisé. Concomitamment, un flux de gaz est projeté sur la zone de la pièce destinée à être percée. Ce flux de gaz remplit une double fonction: - une fonction de protection de la lentille contre les résidus de métal fondu, par exemple les scories, le flux de gaz s'opposant à la remontée desdits résidus en direction de la lentille; - une fonction d'éjection des résidus métalliques hors du trou en fin de 25 perçage, lors du débouchage du trou, pour l'obtention d'un trou propre avec une paroi bien lisse. Si le flux de gaz est trop important, la matière est difficilement évacuée en début de perçage, puisqu'elle subit la pression d'arrêt au fond de la cavité en 30 train d'être percée. Il existe dès lors un risque de conicité de l'entrée de cette cavité, qui peut s'avérer géométriquement inacceptable. Le flux de gaz est donc difficile à optimiser. C'est à cet effet que la Demanderesse a proposé de faire varier le flux de 35 gaz entre le début du perçage et la fin du perçage, en fonction de l'étape où en est le perçage. C'est ainsi que l'invention concerne un procédé de perçage, dans une pièce, par un faisceau laser focalisé par une lentille sur une zone à percer de la pièce, d'un trou débouchant de deux côtés de la pièce, le procédé comportant: - une première phase de perçage, pendant laquelle la zone à percer est irradiée par le laser pour creuser un trou borgne dans la pièce, - une deuxième phase de débouchage, pendant laquelle la zone à percer est irradiée par le laser pour faire déboucher le trou des deux côtés de la pièce, procédé caractérisé par le fait que: - pendant la première phase de perçage, un flux de gaz est projeté à une 10 première pression sur la zone à percer, pour protéger la lentille contre une remontée de résidus de matériau formant la pièce, et - pendant la deuxième phase de perçage, un flux de gaz est projeté à une deuxième pression, supérieure à la première pression P1, sur la zone à percer, pour assurer l'évacuation des résidus de matériau et un donc bon débouchage du 15 trou. Grâce à l'invention, lors de la première phase, la pression de gaz est adaptée à la protection de la lentille contre les résidus de matériau, qui pourraient être projetés sur elle; cette pression peut être choisie suffisamment faible pour ne 20 pas gêner l'évacuation de la matière hors du trou borgne, tout en étant suffisamment élevée pour l'empêcher de remonter vers la lentille, garantissant ainsi une bonne qualité de la géométrie du trou. Lors de la deuxième phase, la pression est plus importante, ce qui permet un bon débouchage du trou par évacuation de la matière par la deuxième ouverture du trou; de nouveau, cela 25 garantit la bonne qualité du perçage et une paroi lisse pour le trou qui a été percé. Selon une forme de réalisation, le laser est un laser pulsé et: - pendant la première phase de perçage (cpl), la zone à percer (4) est irradiée par au moins une impulsion (16) du laser (3) et 30 - pendant la deuxième phase de débouchage (92), la zone à percer (4) est irradiée par au moins une impulsion (16') du laser (3). L'invention concerne également un système de perçage pour la mise en oeuvre du procédé présenté ci-dessus, comportant une source laser, une buse de 35 guidage d'un flux de gaz, connectée à une première enceinte et à une deuxième enceinte, la première enceinte comportant un gaz à la première pression et la deuxième enceinte comportant un gaz à la deuxième pression. L'invention concerne également un système de perçage pour la mise en oeuvre du procédé présenté ci-dessus, comportant une source laser, une buse de guidage d'un flux de gaz et une enceinte de gaz reliée à la buse par des moyens agencés pour faire varier le débit du flux de gaz dans la buse. L'invention s'applique en particulier au micro-perçage des aubes de turbines de turboréacteur ou des parois des chambres de combustion de turboréacteur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de la forme de réalisation préférée de l'invention, en référence aux planches annexées, sur lesquelles: - la figure 1 représente une vue schématique d'un système de perçage dans la première phase d'un procédé de perçage conforme à l'invention; - la figure 2 représente une vue schématique du système de perçage de la figure 1, dans la deuxième phase du procédé de perçage, et - la figure 3 représente, sur le graphe du haut, l'évolution de l'intensité (I) du faisceau laser en fonction du temps (t), sur le graphe du bas, l'évolution de la pression de gaz (P) dans la buse en fonction de ce même temps (t), au cours d'un procédé de perçage conforme à l'invention. En référence aux figures 1 et 2, le système de perçage de l'invention comporte une source laser, non représentée, agencée pour émettre un faisceau laser 3, qui est focalisé par une lentille 2 sur une zone à percer 4 d'une pièce 5, sur le côté endroit 13a de la pièce 5. La pièce 5 est, dans l'exemple décrit, une pièce métallique 5; l'invention s'applique bien entendu à toute pièce formée d'un matériau pouvant être percé par laser. L'objectif du système et du procédé de l'invention est de percer un trou entre le côté endroit 13a et le côté envers 13b de la pièce 5. Le faisceau laser 3 est focalisé sur la zone à percer 4, c'est-à-dire que l'énergie du faisceau est concentrée dans cette zone 4, ce qui permet d'obtenir une forte énergie par unité de surface. Par exemple, la laser utilisé peut être caractérisé par une densité d'énergie de l'ordre de l0Mwatt par cm2, une puissance crête d'environ 10 à 20 KWatt, une puissance moyenne d'environ 300Watt, une durée d'impulsion de l'ordre de la milli seconde ou de quelques milli secondes et, par conséquent, une énergie délivrée à chaque pulsation de l'ordre de quelques Joules. Le métal constituant la pièce à percer 5 est fondu et même partiellement vaporisé. Le système comporte également une buse 6, reliée à une première enceinte 7, comportant un gaz à une première pression P1, et reliée à une seconde enceinte 8, comportant un gaz à une seconde pression P2, supérieure à la première pression P 1. Les gaz des première et deuxième enceintes 7, 8 sont ici des gaz identiques, en l'espèce des gaz d'assistance au perçage classiques, par exemple de l'air, de l'argon ou de l'oxygène purifié. La buse 6 peut être alimentée en gaz par l'une et/ou l'autre des enceintes 7, 8, à proximité d'une première extrémité 6a de la buse 6; le gaz est guidé dans la buse 6 et en ressort par une deuxième extrémité 6b située en regard de la zone à percer 4 de la pièce 5. Par ailleurs, la buse 6 est agencée pour que le faisceau laser 3 puisse pénétrer au niveau de la première extrémité 6a, se propager dans la buse 6 et en ressortir par sa deuxième extrémité 6b. Dans la configuration de la figure 1, lors de la première phase du procédé de perçage pendant laquelle le faisceau laser 3 forme, au niveau de la zone à percer 4, un trou borgne 12 qui n'a pas encore débouché du côté envers 13b de la pièce 5, seule la première enceinte 7 alimente la buse 6 en gaz, comme indiqué par la flèche 9. Le gaz s'écoule dans la buse 6 à la première pression Pl et est projeté sur la zone à percer 4 de la pièce 5, comme indiqué par les flèches 10, générant, au niveau cette zone 4, une pression P3. Des résidus de métal, en particulier, des résidus de métal fondu tels que des scories sont, du fait du faisceau laser 3, formés. La pression P1 est choisie de telle sorte que le flux de gaz issu de la buse 6 facilite l'évacuation de ces résidus hors du trou 12, tout en leur interdisant de remonter en direction de la lentille 2, qui est ainsi protégée. La pression P1 est donc suffisamment puissante pour détourner les résidus métalliques hors d'une trajectoire menant à la lentille, comme indiqué par les flèches 11: les résidus métalliques sont obligés de contourner le flux de gaz à la première pression P1, qui arrive en sens inverse. Autrement dit, le flux de gaz s'écoule à contresens de la trajectoire des résidus métalliques. La pression Pl est par ailleurs suffisamment faible car, comme expliqué plus haut, si le débit du flux de gaz était trop important, le métal serait plaqué par la pression d'arrêt au fond du trou borgne 12 et serait difficilement évacué, ce qui induirait un risque de conicité d'entrée du trou, qui s'avérerait géométriquement inacceptable. Dans la configuration de la figure 2, lors de la deuxième phase du procédé de perçage pendant laquelle le faisceau laser 3 fait déboucher le trou 12 des deux côtés 13a, 13b de la pièce, la deuxième enceinte 8 alimente la buse 6 en gaz, comme indiqué par la flèche 14. Le gaz s'écoule dans la buse 6 à une pression P2 et est projeté sur la zone à percer 4 de la pièce 5, comme indiqué par les flèches 10, générant, au niveau cette zone 4, une pression P4. Cette pression P4 est supérieure à P3, puisqu'elle est générée par la pression P2 elle-même supérieure à la pression Pl. Il est possible, dans cette configuration, de couper l'alimentation en gaz de la première enceinte 7. Dans la forme de réalisation ici décrite, la première enceinte 7 reste en communication fluidique avec la buse 6 pendant l'alimentation en gaz par la deuxième enceinte 8. Le flux de gaz en provenance de la deuxième enceinte 8 se substitue (quasiment) totalement au flux de gaz en provenance de la première enceinte 7, puisque la deuxième pression P2 est supérieure à la première pression P1, s'opposant donc au passage du gaz de la première enceinte 7 dans la buse 6; éventuellement, un faible flux en provenance de la première enceinte 7 peut néanmoins passer dans la buse 6, comme indiqué par la flèche 15. La surpression P2 se propage dans la buse 6 et arrive jusqu'à la pièce 5 pour générer, au niveau de la zone à percer 4, la pression P4. Grâce à cette deuxième pression P2 plus importante, le trou 12 étant débouché du côté envers 13b, les résidus métalliques tels que les scories sont violemment évacués hors du trou 12, ce qui permet une bonne finition de ce dernier. En particulier, cela permet au trou 12 d'avoir des parois bien lisses. La commande du système de perçage 1 et en particulier du débit du flux de gaz (c'est-à-dire de sa pression et donc de la pression (P3, P4) sur la zone à percer 4) peut être obtenue de diverses manières. Dans la forme de réalisation décrite, la buse 6 est reliée à la première enceinte 7 et à la deuxième enceinte 8, chacune à une pression P1, P2 différente, et est mise en communication fluidique, soit avec la première enceinte 7 pour obtenir la première pression P1, soit avec la première et la deuxième enceintes 7, 8 pour obtenir (environ) la deuxième pression P2, comme expliqué ci-dessus. La mise en communication ou la rupture de cette communication entre les enceintes 7, 8 et la buse 6 peut être mise en oeuvre avec tout moyen approprié. Selon une forme de réalisation, une électrovanne est prévue entre chaque enceinte 7, 8 et la buse 6, pour réguler le flux de gaz en provenance de chaque enceinte. Selon une autre forme de réalisation, une pièce mécanique rotative est montée entre les deux enceintes 7, 8, sur la première extrémité 6a de la buse 6, cette pièce mécanique présentant une forme telle que, dans une première position, elle empêche la communication entre la deuxième enceinte 8 et la buse 6 et permet la communication entre la première enceinte 7 et la buse 6, dans une deuxième position, elle permet la communication entre les première et deuxième enceintes 7, 8 et la buse 6. Selon une autre forme de réalisation, pour obtenir la deuxième pression P2, la buse 6 est mise en communication avec la deuxième enceinte 8 mais pas avec la première enceinte 7. Selon une autre forme de réalisation, la buse 6 est reliée à une unique source de gaz, dont le débit est régulé par un moyen de régulation de débit approprié. Le débit a une influence directe sur la pression d'arrêt du gaz: plus le débit est important, plus la vitesse des gaz est importante et donc plus la pression d'arrêt est importante. Le déroulement du procédé de l'invention va maintenant être décrit plus en détails, en référence à la figure 3. Le laser est agencé pour générer des impulsions de lumière 16, 16'. Chaque impulsion 16, 16' est constituée d'une pluralité d'ondes, formant des pics d'intensité I. Chaque impulsion 16 a une durée T, par exemple égale à 0,2 secondes, la durée de chaque pulsation étant de l'ordre de la milliseconde. Les impulsions 16, 16' sont séparées par des périodes de temps pendant lesquelles le laser n'émet pas de lumière. A chaque impulsion 16, le faisceau laser 3 creuse la cavité 12 dans la pièce 5, jusqu'à la dernière impulsion 16', où le faisceau laser 3 débouche le trou 12 du côté envers 13b, le trou débouchant alors des deux côtés 13a, 13b de la pièce 5. Ainsi, le procédé comporte: - une première phase yl de perçage, pendant laquelle la zone à percer 4 est irradiée par au moins une impulsion 16 du faisceau laser 3 û en l'espèce deux impulsions 16 û pour creuser un trou borgne 12 dans la pièce 5, et - une deuxième phase (p2 de débouchage, pendant laquelle la zone à 5 percer 4 est irradiée par au moins une impulsion 16' du laser û en l'espèce une unique impulsion 16' û pour faire déboucher le trou des deux côtés de la pièce 5. Le gaz est projeté par la buse 6 sur la zone à percer 4 de la pièce 5: -pendant la première phase (pi de perçage, à la première pression P1 et 10 - pendant la deuxième phase (p2 de perçage, à la deuxième pression P2, supérieure à la première pression P 1. Ainsi, et comme expliqué ci-dessus, pendant la première phase (pi de perçage, le gaz permet l'évacuation des résidus métalliques hors du trou borgne 15 12, tout en protégeant la lentille 2. Pendant la deuxième phase (P2, de débouchage, le gaz permet l'évacuation, hors du trou 12, des résidus métalliques. Dans la forme de réalisation décrite du procédé, la deuxième phase (P2 peut se décomposer en quatre intervalles de temps. Pendant un premier intervalle de temps il, l'impulsion 16' du faisceau laser 3 commence mais le flux de gaz est gardé à la première pression P1, le trou 12 n'étant pas encore débouché. 25 Pendant un deuxième intervalle de temps T2, la pression est augmentée de la première pression Pl à la deuxième pression P2. Dans la forme de réalisation décrite, la pression est augmentée concomitamment au moment où le trou 12 est effectivement débouché. La pression pourrait être augmentée légèrement après ou légèrement avant. 30 Selon une autre forme de réalisation, la pression est augmentée avant le début de la dernière impulsion 16' du faisceau laser 3, la deuxième phase (P2 du procédé commençant alors avec cette augmentation de pression. 35 Selon une autre forme de réalisation, la pression est augmentée après la dernière impulsion 16' du faisceau laser 3, la deuxième phase (P2 du procédé commençant alors avec l'impulsion du faisceau laser. 20 Pendant un troisième intervalle de temps T3, la pression de gaz est maintenue à sa valeur P2. Dans la forme de réalisation décrite, l'impulsion 16' du faisceau laser 3 prend fin pendant cette troisième période de temps i3, après que le trou 12 a été débouché, et le flux de gaz est gardé à la deuxième pression P2 après la fin de l'impulsion 16', pour bien nettoyer le trou débouché 12. Pendant une quatrième période de temps i4, la pression du flux de gaz est abaissée depuis la deuxième pression P2 jusqu'à la première pression P1. Selon la suite à donner au procédé de l'invention, le flux de gaz peut alors, soit être maintenu à la première pression P 1 pour un nouveau perçage, soit être coupé. 15 Notons que la précision de la définition des quatre intervalles de temps il, i2, i3, i4 de la deuxième phase (p2 n'est pas nécessairement aussi précise qu'elle vient d'être décrite, en particulier parce qu'il n'est pas toujours possible d'obtenir des variations de pression pendant des durées aussi courtes. Il conviendra plus généralement d'augmenter la pression lors de la dernière 20 impulsion 16', de débouchage du trou. Cette augmentation de la pression pourra se faire de manière tout à fait concomitante, légèrement avant ou légèrement après. Le procédé a été présenté en relation avec un procédé de perçage dit "par 25 percussion", c'est-à-dire un procédé de perçage dans lequel un faisceau laser 3 est irradié sur la pièce à percer 5, toujours au même endroit, pour la formation d'un trou dont le diamètre est sensiblement égal au diamètre du faisceau laser 3. Selon une autre forme de réalisation, le procédé mis en oeuvre est un 30 procédé de perçage dit "par trépanation", c'est-à-dire, un procédé dans lequel une série de trous, chacun de diamètre égal à celui du faisceau laser 3, sont percés, pour la formation d'un trou de forme différente. Les différents trous peuvent être adjacents les uns aux autres ou se superposer partiellement. Durant un tel procédé, pendant la deuxième phase cp2 du procédé, la zone à percer 4 est irradiée 35 par une pluralité d'impulsions du faisceau laser 3, chaque impulsion débouchant un trou, l'ensemble des trous formant le perçage (ou trou) final. Dans ce cas-là, la deuxième phase 92 du procédé commence au plus tard avec le premier trou10 débouchant, c'est-à-dire la première impulsion de débouchage. La pression peut être augmentée dès la première pulsation de débouchage, un peu avant ou lors d'une impulsion subséquente. Les procédés de perçage par trépanation sont généralement appliqués au perçage de trous de grand diamètre ou de grande profondeur. Selon une forme de réalisation, après la ou les impulsions de débouchage du trou, le procédé comporte une ou des impulsions élémentaires, permettant de calibrer le trou après son débouchage. Selon une autre forme de réalisation, le système de l'invention ne comporte pas deux enceintes de gaz à des pressions différentes, pouvant alternativement alimenter la buse 6, mais une unique enceinte de gaz, reliée à la buse par un dispositif agencé pour faire varier le débit de gaz, ce qui en modifie la pression en conséquence. Tout dispositif remplissant cette fonction d'alimentation d'un flux de gaz à débit variable peut être prévu. Selon une forme de réalisation particulière, le système de l'invention comporte un dispositif de couplage électrique entre le laser et un détendeur, ce dernier étant agencé pour mettre le gaz sous pression. Au bout d'un certain nombre d'impulsions du laser, correspondant à la première phase (pi de perçage, le détenteur est automatiquement commandé pour augmenter la pression du gaz, pendant la deuxième phase cp2 de débouchage. Quel qu'il soit, le système de perçage de l'invention doit être agencé pour permettre une alimentation d'un flux de gaz, avec un débit variable entre au moins deux pressions distinctes, à des intervalles de temps réguliers. La fréquence de l'apparition de la pression supérieure (surpression) P2 doit être accordée avec la fréquence des impulsions laser et, en particulier, la fréquence des (premières) impulsions de débouchage, de façon à n'avoir une surpression de gaz sur la pièce qu'au moment du débouchage d'un trou. Comme on l'a vu plus haut avec les périodes de temps i2 et i4 nécessaires au passage d'une pression à une autre, il peut être nécessaire de prévoir un léger déphasage entre la fréquence des premières impulsions de débouchage et la fréquence d'augmentation de la pression, pour que la pression soit à son état haut au moment où le débouchage se fait. Selon le système utilisé, 5 le temps de passage d'une pression à une autre pourrait d'ailleurs être supérieur à la durée d'une impulsion du laser. Par ailleurs, une fois la deuxième pression atteinte en entrée de buse, il y a un léger retard sur la pièce, du fait des effets dynamiques des gaz, qui doivent arriver jusqu'à la pièce. Quoi qu'il en soit, l'homme du métier adaptera les fréquences du laser. et de l'alimentation en gaz aux paramètres du procédé de perçage qu'il souhaite mettre en oeuvre. Les divers paramètres pourront être déterminés expérimentalement. 10 Revendications 1- Procédé de perçage, dans une pièce, par un faisceau laser (3) focalisé par une lentille (2) sur une zone à percer (4) de la pièce (5), d'un trou (12) débouchant de deux côtés (13a, 13b) de la pièce (5), le procédé comportant: - une première phase de perçage (cpi), pendant laquelle la zone à percer (4) est irradiée par le laser (3) pour creuser un trou borgne (12) dans la pièce (5), - une deuxième phase de débouchage (q)2), pendant laquelle la zone à percer (4) est irradiée par le laser (3) pour faire déboucher le trou (12) des deux côtés (13a, 13b) de la pièce (5), procédé caractérisé par le fait que: - pendant la première phase de perçage ((pl), un flux de gaz est projeté à une première pression (P1) sur la zone à percer (4), pour protéger la lentille (2) contre une remontée de résidus de matériau formant la pièce, et - pendant la deuxième phase de perçage ((p2), un flux de gaz est projeté à une deuxième pression (P2), supérieure à la première pression (P1), sur la zone à percer (4), pour assurer l'évacuation des résidus de matériau. 2- Procédé de perçage selon la revendication 1, dans lequel le laser est un laser pulsé et: - pendant la première phase de perçage ((pi), la zone à percer (4) est irradiée par au moins une impulsion (16) du laser (3) et -pendant la deuxième phase de débouchage ((p2), la zone à percer (4) est irradiée par au moins une impulsion (16') du laser (3). 3- Système de perçage pour la mise en oeuvre du procédé de l'une des revendications 1 et 2, comportant une source laser, une buse (6) de guidage d'un flux de gaz, connectée à une première enceinte (7) et à une deuxième enceinte (8), la première enceinte (7) comportant un gaz à la première pression (Pl) et la deuxième enceinte (8) comportant un gaz à la deuxième pression (P2). 4- Système de perçage pour la mise en oeuvre du procédé de l'une des revendications 1 et 2, comportant une source laser, une buse (6) de guidage d'un flux de gaz et une enceinte de gaz reliée à la buse (6) par des moyens agencés pour faire varier le débit du flux de gaz dans la buse (6).