Brevet FR2910621A1 — publié le 20080627

"Procédé et dispositif de contrôle de la qualité d'un cordon de soudure" L'invention concerne un procédé de contrôle de la qualité d'un cordon de soudure et un dispositif permettant la mise en 5 oeuvre dudit procédé. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de contrôle de la qualité d'un cordon de soudure réalisé au moyen d'un outil de soudage, du type qui comporte au moins les étapes successives suivantes io - collecte, au moyen d'un pyromètre optique comportant un senseur à haute fréquence d'acquisition, d'au moins un signal qui est représentatif de la température d'une portion en fusion du cordon de soudure, et - traitement et analyse dudit signal en vue d'identifier is d'éventuels défauts du cordon de soudure. Lorsqu'elle est correctement réalisée, une soudure, ou un cordon de soudure, est un moyen qui est largement utilisé dans l'industrie pour réaliser un assemblage, résistant et fiable, de deux pièces entre elles, notamment deux pièces métalliques. 20 Un contrôle strict et rigoureux de la qualité du cordon de soudure est essentiel pour assurer un niveau élevé de performance et de fiabilité de l'assemblage réalisé au moyen d'un cordon de soudure. De façon connue, le cordon de soudure est contrôlé par 25 inspection visuelle par un opérateur, ou par inspection optique de façon automatique par un contrôle dit de profilométrie. La profilométrie est une méthode de mesure, qui consiste à déterminer le profil d'une surface. Le contrôle de profilométrie est efficace, mais il est 30 insuffisant pour permettre d'évaluer de façon fiable la qualité d'un cordon de soudure, car il ne fournit des informations que sur l'aspect extérieur du cordon de soudure. 2910621 2 L'analyse de la température du cordon de soudure, plus précisément l'analyse du signal représentatif de la température du métal en fusion d'une portion du cordon de soudure, permet un contrôle de la qualité du cordon. Le signal représentatif de la température, appelé par la suite signal de température, est analysé dans le but de détecter un éventuel défaut dans le cordon de soudure, voire d'identifier le type de défaut généré en cause. On connaît différents moyens permettant de mesurer la io température du métal en fusion du cordon de soudure. Un premier moyen connu comporte une caméra thermique infrarouge, qui fournit une image représentative de la température de la zone observée, l'image étant analysée et traitée dans le but de déceler un éventuel défaut dans le cordon de soudure. 15 Un inconvénient de la caméra thermique infrarouge est son mauvais rapport temps de traitement/précision. En effet, soit l'image collectée par la caméra comporte un grand nombre de pixels, auquel cas la précision est bonne mais le temps de traitement de l'image est long, soit l'image collectée 20 comporte un faible nombre de pixels, auquel cas le temps de traitement est court mais la précision de l'image est trop faible. Un second moyen connu permettant de collecter la température du métal en fusion du cordon de soudure est le pyromètre optique. 25 Le pyromètre optique est un dispositif qui est apte à capter le rayonnement thermique émis par un élément au moyen d'un senseur et à fournir un signal représentatif de la température dudit élément. Les pyromètres optiques ne sont pas tous adaptés à la 30 mesure de la température d'un cordon de soudure, car certains pyromètres fournissent un signal dont la fréquence d'acquisition est inférieure aux phénomènes physiques qui sont rencontrés au cours de la formation du cordon de soudure. 2910621 3 De plus, certains pyromètres optiques ne sont pas adaptés à l'émissivité de certains matériaux, ce qui fausse la précision du signal de température mesuré. Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un 5 procédé de contrôle permettant de détecter un défaut dans un cordon de soudure dans un temps court et de façon fiable, en extrayant des informations pertinentes d'un signal de température, le signal de température étant collecté au moyen d'un pyromètre optique adapté à un tel procédé. io Dans ce but, l'invention propose un procédé de contrôle du type décrit précédemment, caractérisé en ce que l'étape de traitement et d'analyse du signal comporte une phase fréquence qui consiste à relever les fréquences récurrentes du signal au moyen d'outils mathématiques, et à vérifier que lesdites is fréquences récurrentes sont comprises dans une plage d'acceptation de fréquences de référence, afin de déterminer si le cordon de soudure comporte un défaut. Selon d'autres caractéristiques du procédé selon l'invention : 20 - l'étape de traitement et d'analyse du signal comporte une phase amplitude qui consiste à calculer l'amplitude moyenne de tout ou partie du signal et à vérifier que ladite amplitude moyenne est comprise dans une plage d'amplitudes moyennes de référence, afin de déterminer si le cordon de soudure comporte un 25 défaut, - l'étape de traitement et d'analyse du signal comporte une phase température moyenne qui consiste à calculer la température moyenne de tout ou partie du signal et à vérifier que ladite température moyenne est comprise dans une plage de 30 référence de températures moyennes, afin de déterminer si le cordon de soudure comporte un défaut, - l'étape de traitement et d'analyse du signal comporte une phase extremum qui consiste à vérifier que tout ou partie du 2910621 4 signal est compris dans une plage de référence de températures extremums de référence, la plage étant délimitée par une température maximum et une température minimum de référence, afin de déterminer si le cordon de soudure comporte un défaut, 5 - le procédé comporte une étape de localisation d'un défaut qui consiste à localiser une zone de défaut par calcul, au moyen du signal de température. L'invention propose aussi un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé, du type qui comporte : io - un outil de soudage, et - un pyromètre optique comportant un senseur à haute fréquence d'acquisition qui est apte à mesurer la température du cordon de soudure en cours de fusion, caractérisé en ce que le senseur est une photodiode du type "InGaAs", qui est apte à is mesurer la température de la matière en fusion à une fréquence supérieure à 1000 Hertz. Selon d'autres caractéristiques du dispositif selon l'invention : - le senseur est apte à mesurer la température de la 20 matière en fusion à une fréquence supérieure à 3000 Hertz, - le senseur comporte une plage de réglage en longueur d'ondes en fonction de l'émissivité du matériau dont la température est mesurée, afin de mesurer la température du matériau en fusion avec précision, 25 - le senseur est agencé de sorte qu'il mesure la tempé- rature de la zone irradiée, ou chauffée, du cordon de soudure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés 30 dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique qui illustre un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de contrôle de la qualité d'un cordon de soudure selon l'invention, 2910621 5 - la figure 2 est un graphique dont la courbe illustre un signal représentatif de la température du métal en fusion d'un cordon de soudure, et est représentée en fonction de la température en ordonnée et du déplacement de l'outil de soudage s en abscisse, - la figure 3 est un graphique dont la courbe illustre les fréquences récurrentes du signal de température de la figure 2, et est représentée en fonction de l'amplitude en ordonnée et de la fréquence en abscisse, io - la figure 4 est un graphique dont une première courbe illustre un signal de référence et une seconde courbe illustre un signal de température, en fonction de la température en ordonnée et du déplacement de l'outil de soudage en abscisse, - la figure 5 est un graphique dont la courbe illustre un 15 signal les fréquences récurrentes du signal représentatif de la température du métal en fusion d'un cordon de soudure, et est représentée en fonction de la température en ordonnée et du déplacement de l'outil de soudage en abscisse. Par la suite, des éléments identiques, analogues ou 20 similaires seront désignés par des mêmes références. Dans la suite de la description, on adoptera à titre non limitatif une orientation longitudinale, verticale et transversale indiquée par le trièdre L,V,T de la figure 1. On a représenté à la figure 1 un dispositif 10 pour mettre 25 en oeuvre un procédé de contrôle de la qualité d'un cordon de soudure selon l'invention. Le dispositif 10 comporte un outil 12 de soudage qui est apte à émettre un faisceau de rayons lasers 14, de façon horizontale et longitudinale. 30 Les rayons lasers 14 sont émis vers un miroir 16, qui est incliné de façon à réfléchir verticalement lesdits rayons lasers 14, vers une première tôle 18 horizontale supérieure. 2910621 6 La première tôle 18 horizontale supérieure est agencée au dessus d'une seconde tôle 24 horizontale inférieure, de sorte que les deux tôles 18, 24 sont aptes à être soudées entre elles par transparence. 5 Le dispositif 10 comporte une lentille 22 qui est agencée sur le chemin des rayons lasers 14, entre la première tôle 18 supérieure et le miroir 16, afin de faire converger les rayons lasers 14 sur la face supérieure 20 de la première tôle 18. Ainsi, au cours de l'opération de soudage, les rayons io lasers 14 irradient la face supérieure 20 de la tôle supérieure 18 qui rentre en fusion, créant un bain de matière en fusion. On appellera par la suite zone d'irradiation Z, la zone de la tôle supérieure 18 qui est irradiée par les rayons lasers 14. Lorsque l'énergie des rayons lasers 14 est suffisamment is grande, un capillaire étroit et profond est formé dans le bain de matière en fusion. Le capillaire augmente la pénétration de la soudure et transmet l'énergie des rayons lasers 14 aux deux tôles 18, 24. Pour réaliser un cordon de soudure pour l'assemblage des 20 deux tôles 18, 24, le faisceau de rayons lasers 14 est déplacé de façon régulière, ici selon une direction horizontale et longitudinale. Ainsi, le capillaire qui est entretenu par les rayons lasers 14 se déplace longitudinalement dans les deux tôles 18, 24, et la 25 matière en fusion qui l'entoure est solidifié au fur et à mesure que le capillaire s'éloigne de la zone d'irradiation Z, créant de cette manière le cordon de soudure. A cet effet, le dispositif 10 est ici porté et déplacé par rapport aux deux tôles 18, 24 par un robot (non représenté). 30 Les deux tôles 18, 24 sont chacune réalisées en acier et recouvertes d'une couche de zinc, telle qu'une tôle de la carrosserie d'un véhicule automobile. 2910621 7 Les deux tôles 18, 24 sont, de manière connue, espacées d'un jeu vertical (non représenté) qui est de l'ordre d'un dixième de millimètre et qui, de façon connue, permet l'évacuation du zinc vaporisé au moment du soudage entre les deux tôles 18, 24. 5 En effet, le zinc, qui se vaporise avant que l'acier ne soit fondu sous l'effet des rayons lasers 14, peut engendrer une surpression de gaz entre les deux tôles 18, 24, si le jeu vertical entre les deux tôles est inexistant. Cette surpression de gaz peut expulser de la matière io lorsque le bain liquide se forme en, en créant ainsi des défauts dans la soudure, comme des trous. Le rayonnement thermique émit par la zone d'irradiation Z est capté par un senseur 28 d'un pyromètre optique 26. Le pyromètre optique 26 est apte à fournir un signal S de is température représentatif de la température mesurée par le senseur 28. Le pyromètre 26 est agencé globalement derrière le miroir 16, sur l'axe vertical des rayons lasers 14 qui sont réfléchis par le miroir 16 vers les tôles 18, 24 à souder. 20 Ainsi, le senseur 28 est agencé à l'écart de la zone d'irradiation Z, ce qui la protège notamment des projections de matière. Le miroir 16 est perméable à une plage de rayonnements de différentes longueurs d'onde, notamment à la longueur d'onde 25 du rayonnement thermique émit par la zone d'irradiation Z, de sorte que le rayonnement thermique émit par la zone d'irradiation Z est apte à traverser le miroir 16. Le senseur 28 du pyromètre 26 est ici une photodiode 28 du type "InGaAs", pour arséniure de gallium et indium, qui répond 30 aux critères exigés pour la mise en oeuvre du procédé de contrôle de soudure décrit ultérieurement dans la description. En effet, la photodiode "InGaAs" est ici apte à délivrer des mesures à une fréquence supérieure à 1000Hz, avantageusement 2910621 8 supérieure ou égale à 4000Hz, c'est-à-dire à une fréquence supérieure à la fréquence à laquelle se produisent les phénomènes physiques dans la soudure au cours de l'opération de soudage. 5 De plus, le pyromètre 26 est réglable, c'est-à-dire que la photodiode 28 est ici apte à être étalonnée en fonction de l'émissivité du matériau aux températures de soudage de la surface mesurée. Ainsi, le pyromètre 26 est apte à délivrer un signal S de io température dont les valeurs sont exactes et représentatives de la température de la surface mesurée. Enfin, la photodiode 28 délivre une mesure "légère", qui est analysable dans un temps court, avantageusement dans un temps inférieur à une seconde. 15 Le signal S de température émis par le pyromètre 26 est acheminé jusqu'à une unité de traitement 30 qui est apte à effectuer des calculs et des analyses sur le signal S de température. De plus, l'unité de traitement 30 est raccordée à l'outil de 20 soudage 12, de sorte que l'outil de soudage est apte à transmettre à l'unité de traitement 30 des informations, par exemple une information sur la puissance des rayons lasers 14 émis. L'invention concerne aussi un procédé de contrôle de la 25 qualité du cordon de soudure. Le procédé de contrôle comporte une étape préliminaire EO de détermination d'une pluralité de mesures de référence, ou de plages de référence, qui servent de repères, ou de bornes d'acceptation, comme on pourra le voir dans la suite de la 30 description. Les mesures de référence obtenues au cours de ladite étape préliminaire EO sont par exemple calculées, et/ou elles sont par exemple obtenues par l'observation et l'analyse d'au moins un 2910621 9 signal de température de référence Sr qui est collecté au cours de la réalisation d'un cordon de soudure de référence. On entend par cordon de soudure de référence, un cordon de soudure qui ne présente aucun défaut. 5 Le procédé de contrôle comporte une étape de collecte Ec du signal S de température, au moyen du pyromètre 26, tel que décrit précédemment. La lettre "S" désigne ici de façon générale un signal de température de la zone d'irradiation Z de la soudure à contrôler. io Les figures 2, 4, et 5 illustrent de tels signaux à contrôler, référencés S1, S2, S3 respectivement. On a représenté à la figure 2 un exemple de signal de température S1, qui est représenté en fonction de la température T en ordonnée et de la distance parcourue D de l'outil 12 de is soudage en abscisse. La vitesse de déplacement de l'outil 12 étant constante et connue. On réalise ensuite l'étape de traitement et d'analyse "Et" du signal de température qui est collecté au cours de l'étape de collecte Ec, en vue d'identifier d'éventuels défauts du cordon de 20 soudure. L'étape de traitement et d'analyse Et du signal de température commence par exemple à la fin de l'étape de collecte Ec, ou avant la fin de l'étape de collecte Ec, en temps masqué, de façon à optimiser le temps du procédé. 25 L'étape de traitement et d'analyse Et du signal de température comporte une phase fréquence Pf qui consiste à relever les fréquences récurrentes du signal de température au moyen d'outils mathématiques, ici la transformée de Fourier. On a représenté en exemple à la figure 3, un graphique 30 dont la courbe Cl illustre les fréquences récurrentes du signal de température S1 de la figure 2, le graphique de la figure 3 comportant en abscisse les fréquences F relevées et en ordonnée l'amplitude A des fréquences F. 2910621 i0 Les fréquences récurrentes sont représentatives de la respiration du capillaire de la soudure et correspondent aux vagues de solidification de la soudure. Les fréquences récurrentes sont ainsi liées à la formation de la soudure. 5 La phase fréquence Pf de l'étape de traitement et d'analyse Et consiste à observer si les fréquences récurrentes appartiennent à une plage d'acceptation de fréquences de référence déterminées au cours de l'étape préliminaire EO de détermination des mesures de référence. io Si les fréquences récurrentes sont en dehors de la plage d'acceptation de fréquences de référence, alors la soudure est estimée défectueuse. L'étape de traitement et d'analyse Et du signal comporte une phase amplitude Pa qui consiste à calculer l'amplitude is moyenne du signal et à comparer ladite amplitude moyenne par rapport à une plage d'amplitudes moyennes de référence qui est déterminée au cours de l'étape préliminaire EO de détermination des mesures de référence. On a représenté à la figure 4, un graphique comportant un 20 premier signal de référence Srl et un second signal de température S2, qui sont représentés en fonction de la température T en ordonnée et de la distance parcourue D de l'outil 12 de soudage en abscisse. Comme on peut le voir à la figure 4, le signal S2, qui est ici 25 le signal de température d'une soudure à contrôler, comporte une amplitude plus faible que le signal Srl de référence. Si l'amplitude moyenne du signal de température S2 relevé est en dehors de la plage d'amplitudes moyennes de référence, alors la soudure est estimée défectueuse. 30 L'étape de traitement et d'analyse Et du signal comporte une phase température moyenne Ptm qui consiste à calculer la température moyenne du signal et à vérifier que ladite température moyenne appartient à une plage de référence de 2910621 Il températures moyennes qui est déterminée au cours de l'étape préliminaire EO de détermination des mesures de référence. Comme on peut le voir sur l'exemple représenté à la figure 4, la température moyenne du signal S2 est globalement de 5 2050 Celsius, comme le montre la ligne L1 et la plage de référence de températures moyennes est par exemple comprise entre 2200 Celsius et 2400 Celsius. Si l'amplitude moyenne du signal de température relevé est en dehors de la plage de référence de températures moyennes, io comme dans l'exemple représenté à la figure 4, alors la soudure est estimée défectueuse. L'étape de traitement et d'analyse Et du signal comporte une phase extremum Pe qui consiste à vérifier que tout ou partie du signal relevé est compris dans une plage de référence de is températures extremums, la plage étant délimitée par une température maximum et une température minimum. On a représenté à titre d'exemple à la figure 5, un graphique comportant une portion d'un signal S3 de température qui est représenté en fonction de la température T en ordonnée et 20 de la distance parcourue D de l'outil 12 de soudage en abscisse. Comme on peut le voir à la figure 5, le signal S3 atteint une température maximum proche de 2600 Celsius et une température minimum d'environ 1400 Celsius. Si la température maximum et/ou la température minimum 25 du signal S3 de température relevé est en dehors de la plage de référence de températures extremums qui est déterminée au cours de l'étape préliminaire EO de détermination des mesures de référence, alors la soudure est estimée défectueuse. La plage de référence de températures extremums est par 30 exemple comprise entre 2400 Celsius et 2000 Celsius. Une analyse plus fine consiste à tenir compte du temps durant lequel le signal de température à contrôlé est en dehors de 2910621 12 la plage de référence de températures extremums, ce qui permet par exemple de déterminer la nature du défaut de la soudure. De plus, le procédé comporte une étape de localisation El, qui consiste à localiser le défaut. 5 En effet, connaissant la fréquence d'acquisition du senseur 28 et la vitesse de déplacement de l'outil 12 de soudage, il est possible de déterminer la position du défaut sur le cordon de soudure en identifiant la portion du signal de température révélatrice d'un défaut. lo A titre non limitatif, le procédé de contrôle selon l'invention peut être complété par au moins un contrôle supplémentaire, comme un contrôle de profilométrie. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle de la qualité d'un cordon de soudure réalisé au moyen d'un outil de soudage (12), du type qui comporte au moins les étapes successives suivantes : - collecte (Ec), au moyen d'un pyromètre optique (26) comportant un senseur (28) à haute fréquence d'acquisition, d'au moins un signal qui est représentatif de la température d'une portion en fusion du cordon de soudure, - traitement et analyse (Et) dudit signal en vue d'identifier 10 d'éventuels défauts du cordon de soudure, caractérisé en ce que l'étape de traitement et d'analyse (Et) du signal comporte une phase fréquence (Pf) qui consiste à relever les fréquences récurrentes du signal au moyen d'outils mathématiques, et à vérifier que lesdites fréquences récurrentes 1s sont comprises dans une plage d'acceptation de fréquences de référence, afin de déterminer si le cordon de soudure comporte un défaut. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de traitement et d'analyse (Et) du signal comporte une 20 phase amplitude (Pa) qui consiste à calculer l'amplitude moyenne de tout ou partie du signal et à vérifier que ladite amplitude moyenne est comprise dans une plage d'amplitudes moyennes de référence, afin de déterminer si le cordon de soudure comporte un défaut. 25 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de traitement et d'analyse (Et) du signal comporte une phase température moyenne (Ptm) qui consiste à calculer la température moyenne de tout ou partie du signal et à vérifier que ladite température 30 moyenne est comprise dans une plage de référence de températures moyennes, afin de déterminer si le cordon de soudure comporte un défaut. 2910621 14 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de traitement et d'analyse (Et) du signal comporte une phase extremum (Pe) qui consiste à vérifier que tout ou partie du signal est compris dans 5 une plage de référence de températures extremums de référence, la plage étant délimitée par une température maximum et une température minimum de référence, afin de déterminer si le cordon de soudure comporte un défaut. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de localisation (El) d'un défaut qui consiste à localiser une zone de défaut par calcul, au moyen du signal de température. 6. Dispositif (10) pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, du type qui comporte : - un outil de soudage (12), et - un pyromètre optique (26) comportant un senseur (28) à haute fréquence d'acquisition qui est apte à mesurer la température du cordon de soudure en cours de fusion, caractérisé en ce que le senseur (28) est une photodiode du type "InGaAs", qui est apte à mesurer la température de la matière en fusion à une fréquence supérieure à 1000 Hertz. 9. Dispositif (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le senseur (28) est apte à mesurer la température de la matière en fusion à une fréquence supérieure à 3000 Hertz. 10. Dispositif (10) selon les revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le senseur (28) comporte une plage de réglage en longueur d'ondes en fonction de l'émissivité du matériau dont la température est mesurée, afin de mesurer la température du matériau en fusion avec précision. 2910621 15 9. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le senseur (28) est agencé de sorte qu'il mesure la température de la zone irradiée (Z), ou chauffée, du cordon de soudure. 5