Brevet FR2947470A1 — publié le 20110107

L'invention porte sur un système à 3-axes de positionnement d'accessoires et sur une tête de focalisation laser équipée d'un tel système, ainsi que sur son utilisation en soudage, marquage ou coupage par faisceau laser. Les procédés de travail par faisceau laser, tel le soudage, marquage ou coupage par faisceau laser, et plus particulièrement le soudage laser, nécessite souvent le positionnement d'accessoires ou composants additionnels dans l'environnement proche de la tête de focalisation. Ces accessoires, dispositifs ou composants additionnels peuvent être des moyens de protection gazeuses, tel qu'une buse délivrant un gaz ou mélange gazeux de protection de la zone soudée; une torche à arc électrique, tel qu'une torche TIG, MIG/MAG ou plasma utilisée en combinaison avec le laser pour mettre en oeuvre un procédé de soudage hybride laser-arc par exemple; des moyens d'amenée de fil froid ou chaud pour le brasage ou le soudage laser avec fil d'apport ; ou tout autre accessoire, dispositif ou composant nécessaire, indispensable ou utile au bon déroulement de l'opération de travail par faisceau laser. Aujourd'hui, le positionnement de ce type d'accessoires, dispositifs ou composants additionnels sur une tête de focalisation laser se fait de manière rudimentaire. En effet, la fixation d'un tel accessoire sur une tête de focalisation et son ajustement en position se font classiquement par superposition de glissières de translation standards disponible dans le commerce ou par utilisation de systèmes de positionnement analogues qui sont tous plus ou moins précis, encombrants, compliqués de mise en oeuvre ou de réglage... Dans tous les cas, les systèmes existants augmentent notablement l'encombrement autour de la tête de focalisation et aucun de ces systèmes existants n'est équipé de verrouillage permettant d'assurer un maintien en position correcte des différents éléments composant le système de positionnement. Le problème est donc de proposer un système de positionnement d'accessoires pour tête de focalisation laser amélioré par rapport aux systèmes existants, en particulier qui soit de conception simple et compacte, qui permette un positionnement précis et tridimensionnel selon les axes X, Y et Z d'un accessoire par rapport à la tête laser et ce, avec un encombrement minimal et un maintien efficace en position souhaitée, ainsi qu'une tête de focalisation laser équipée d'un tel système. Le système de positionnement d'accessoires selon l'invention doit également pouvoir s'adapter à toutes les têtes de focalisation laser acceptant une longueur d'onde laser 35 de 300 à 15000 nm, en continu ou impulsionnel. La solution de l'invention est un système de positionnement selon plusieurs axes perpendiculaires (X, Y, Z) comprenant une structure monobloc à trois élément comprenant un premier élément, un deuxième élément et un troisième élément, le deuxième élément étant agencé entre les premier élément et troisième élément, le premier élément étant mobile en translation selon un deuxième axe (axe Y) relativement au deuxième élément, et le deuxième élément étant mobile en translation selon un troisième axe (axe Z) relativement au troisième élément, ledit troisième axe (axe Z) étant perpendiculaire au deuxième axe (axe Y). Selon le cas, le système de positionnement de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le premier élément, le deuxième élément et/ou le troisième élément comprennent des moyens de guidage permettant d'assurer le déplacement en translation, notamment par coulissement, des éléments les uns par rapport aux autres, de préférence les moyens de guidage comprennent une ou des glissières. - le premier élément, le deuxième élément et le troisième élément comprennent des moyens de fixation permettant de solidariser lesdits éléments les uns par rapport aux autres. - les moyens de fixation comprennent des vis coopérant avec des ouvertures présentant chacune une forme oblongue orientée selon l'un desdits deuxième et troisième axes (Y, Z) de manière à solidariser les éléments les uns aux autres et à limiter la course desdits éléments lors de leurs déplacements en translation. - le premier élément et/ou le deuxième élément comprennent des moyens de réglage permettant de contrôler le déplacement en translation selon le deuxième axe (axe Y), dudit premier élément relativement au deuxième élément, ou le troisième élément et/ou le deuxième élément comprennent des moyens de réglage permettant de contrôler le déplacement en translation selon le troisième axe (axe Z), dudit troisième élément relativement au deuxième élément. - les moyens de réglage comprennent une vis de réglage coopérant avec un 25 logement. - les premier, le deuxième et/ou le troisième éléments comprennent des moyens de blocage permettant de bloquer l'un par rapport à l'autre, au moins deux desdits éléments, dans une position désirée. - les moyens de réglages comprennent une vis de blocage. 30 L'invention porte aussi sur un ensemble comprenant une tête de focalisation laser et un système de positionnement selon plusieurs axes perpendiculaires (X, Y, Z), caractérisé en ce que ladite tête de focalisation laser est fixée à un système de positionnement selon l'invention par l'intermédiaire du premier élément, ledit premier élément étant mobile en translation selon un premier axe (axe X) relativement à ladite tête de focalisation laser. 35 Selon le cas, l'ensemble de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le premier élément et la tête de focalisation laser comprennent des moyens de guidage permettant d'assurer le déplacement en translation, notamment par coulissement, du premier élément par rapport à la tête de focalisation, de préférence les moyens de guidage comprennent une ou des glissières. - le premier élément et la tête de focalisation laser comprennent des premiers moyens de réglage permettant de contrôler le déplacement en translation selon le premier axe (axe X), dudit premier élément relativement à la tête de focalisation, de préférence moyens de réglage comprennent une vis de réglage coopérant avec un logement fileté. - le premier et/ou la tête de focalisation laser comprennent des moyens de blocage permettant de bloquer ledit premier élément, dans une position désirée, par rapport à ladite tête de focalisation laser. - il comporte, en outre, un dispositif additionnel fixé au troisième élément du système. Par ailleurs, l'invention concerne également une installation de travail au laser comprenant une source laser reliée et un ensemble avec tête de focalisation laser et système de positionnement selon l'invention, de préférence la source laser est un générateur laser de type YAG, disques ou fibre, ainsi qu'un procédé de soudage par faisceau laser ou de soudage hybride laser-arc mettant en oeuvre une telle installation ou un procédé de soudage, de coupage ou de marquage par faisceau laser mettant en oeuvre une telle installation. La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante qui est faite en références aux figures annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 est un schéma de principe d'une tête de focalisation laser, - la Figure 2 est une vue isolée du système de positionnement à plusieurs axes selon la présente invention, - la Figure 3 est un schéma du mécanisme de raccordement et déplacement relatif du premier élément par rapport au deuxième élément du système de positionnement de la Figure 2, - et la Figure 4 est une vue grossie d'une partie de la Figure 3. La Figure 1 est un schéma de principe d'une tête de focalisation laser. Une telle tête comprend un corps 30 principal muni d'une entrée 31 pour le faisceau laser incident issu de la source laser, par exemple un générateur laser de type YAG ou à fibre, notamment à fibres d'ytterbium, de niobium ou d'erbium, de puissance typiquement entre 1 et 15 kW, et une sortie 32 pour le faisceau laser focalisé. La focalisation du faisceau laser se fait de manière connue en soi, à l'intérieur du corps 30 au moyen d'optiques de focalisation, notamment une ou des lentilles ou miroirs. Le corps 30 comprend une zone 33 adaptée et conçue pour permettre la fixation audit corps 30 d'un système de positionnement à plusieurs axes perpendiculaires (X, Y, Z) selon la présente invention. Plus précisément, la Figure 2 schématise un mode de réalisation d'un tel système de positionnement à plusieurs axes perpendiculaires (X, Y, Z) selon la présente invention. Ce système comprend une structure monobloc et compacte formée de trois élément 1 à 3 principaux, à savoir un premier élément 1 destiné à venir se fixer de manière mobile à la région 33 de la tête de focalisation de la Figure 1, un deuxième élément pris en sandwich entre le premier élément 1 et un troisième élément 3 sur lequel vient se fixer un dispositif additionnel de la tête de focalisation, par exemple des moyens de protection gazeuses, tel qu'une buse destinée à délivrer un gaz ou mélange gazeux de protection de la zone soudée; une torche à arc électrique, telle une torche TIG, MIG/MAG ou plasma utilisée en combinaison avec le laser pour mettre en oeuvre un procédé de soudage hybride laser-arc par exemple; des moyens d'amenée de fil pour le brasage ou le soudage laser avec fil d'apport ; ou tout autre accessoire, dispositif ou composant nécessaire, indispensable ou utile au bon déroulement de l'opération de travail par faisceau laser. Le premier élément 1 est mobile en translation, d'une part, selon un premier axe, par exemple l'axe X, relativement au corps principal 30 de la tête de focalisation et, d'autre part, selon un deuxième axe, par exemple l'axe Y, relativement au deuxième élément 2, le premier axe X étant perpendiculaire au deuxième axe Y. De manière analogue, le deuxième élément 2 est mobile en translation selon un troisième axe, par exemple l'axe Z, relativement au troisième élément 3, le troisième axe Z étant perpendiculaire au premier X et au deuxième axe Y de manière à constituer un système à 3 axes (X, Y, Z) de déplacement. Afin d'assurer le déplacement des différents éléments les uns par rapport aux autres et, en outre par rapport à la tête de focalisation, le premier élément 1, le deuxième élément 2, le troisième élément 3 et/ou le corps 33 de la tête de focalisation sont dotés de moyens de guidage permettant d'assurer le déplacement en translation, notamment par coulissement, des éléments 1, 2, 3 les uns par rapport aux autres ou par rapport à la tête 30. De préférence, les moyens de guidage comprennent une ou des glissières. Dans le cadre de la présente invention, n'importe quel mécanisme de type glissière peut convenir du moment qu'il assure un coulissement ou une translation d'un élément par rapport à un autre élément ou, selon le cas, par rapport à la tête de focalisation. A titre d'exemple, la glissière peut être formée par une simple rainure rectiligne, tel un logement ou un évidement, formée dans l'un des éléments 1, 2, 3 ou dans le corps 33 coopérant avec une portion en saillie aménagée dans un autre élément ou, le cas échéant dans le corps 33, de manière à obtenir un déplacement en translation rectiligne de ladite partie au sein de ladite rainure. Les différentes manières de réaliser une glissière sont bien connues de l'homme du métier. Bien qu'il soit possible de réaliser des glissières assurant également une fonction de fixation, telle des glissières du type queue d'aronde ou du type trombone à coulisse, dans le cadre de la présente invention, dans un souci de simplification, on assure préférentiellement la liaison partielle, car mobile en translation relative, des premier, deuxième et troisième éléments 1, 2, 3 les uns aux autres, et celle du premier élément 1 à la tête 30 de focalisation à l'aide de moyens de fixation dédiés. Sur la Figure 3, on a schématisé un mécanisme à glissière utilisable dans le cadre de la présente invention pour raccorder entre eux les différents éléments 1, 2, 3 et à la tête de focalisation tout en assurant un déplacement relatif de ces composants en translation ou coulissement les uns par rapport aux autres de sorte de forme le système à 3 axes X, Y, Z désiré. Comme on peut le voir sur cette Figure 3, on a détaillé les moyens assurant le déplacement du premier élément 1 par rapport au deuxième élément 2. Plus précisément, le mouvement de translation, c'est-à-dire le déplacement en rapprochement ou en éloignement du deuxième élément 2 par rapport au premier élément 1 est obtenu grâce à une glissière formée d'une rainure 5 pratiquée au sein du deuxième élément 2 et coulisse sur une expansion 6 en saille portée par le premier élément 1 en formant un angle droit avec le corps du premier élément 1 qui vient se raccorder à la tête de focalisation. Par ailleurs, on prévoit également des moyens de fixation, par exemple une ou des vis 9, des boulons ou analogue venant coopérer avec des ouvertures 10 présentant des formes oblongues orientées ici selon l'axe de la glissière 5, 6, servant à maintenir les éléments 1, 2 en position désirée, c'est-à-dire au contact l'un de l'autres, sans toutefois empêcher le déplacement en translation de l'élément 1 dans la glissière 5, 6. La dimension des ouvertures oblongues 10 est préférentiellement choisie de manière à correspondre à la course de l'élément 1 lors de ses déplacements en translation. En effet, comme on peut le comprendre aisément au vu de la Figure 3, la course en translation de chaque vis 9 relativement à chaque ouverture 10 est limitée par la dimension de l'ouverture 10 elle- même puisque chaque vis 9 vient en butée à l'une ou l'autre des extrémités de l'ouverture 10 au sein de laquelle elle est insérée, après un déplacement sur une distance maximum donnée de l'élément 1 au sein de la glissière 5, 6. Les vis 9 et ouvertures 10 permettent donc d'assurer une fixation des éléments 1, 2 de manière suffisante pour assurer un maintien solidaire de ces deux éléments 1, 2 l'un à l'autre pour constituer un bloc compact mais tout en permettant par ailleurs un déplacement relatif de ces éléments 1, 2 l'un par rapport à l'autre. En outre, afin de permettre d'ajuster ou régler précisément les déplacements en translation de ces deux éléments 1, 2 l'un par rapport à l'autre, on prévoit des moyens de réglage 11, 12 comprennent une vis de réglage 11 traversant la paroi du premier élément 1 et coopérant avec un logement 12 avec filetage interne, formé dans la paroi du deuxième élément 2. Ainsi, un serrage de la vis 11 entraîne un rapprochement du premier élément 1 du deuxième élément 2, alors qu'à l'inverse, un dévissage de la vis 11 entraîne un éloignement du premier élément 1 du deuxième élément 2, c'est-à-dire des coulissements en rapprochement ou en éloignement selon l'axe Y au sein de la glissière 5, 6. Par ailleurs, on prévoit également des moyens de blocage 7, 8 permettant de bloquer les deux desdits éléments 1, 2 dans une position désirée lors que le réglage de la position selon l'axe Y a été opéré, par actionnement de la vis 11, comme expliqué ci-dessus. Dans le cas présent, les moyens de blocage comprennent une vis de blocage 7 traversant elle aussi la paroi du premier élément 1 et venant coopérant avec un autre logement 8 formé dans la paroi du deuxième élément 2. En d'autres termes, les glissières 5, 6 sont maintenues par des vis 9 permettant le déplacement en translation limité par une ouverture oblongue 10. La vis de réglage 11 permet quant à elle d'ajuster la position en translation des éléments 1, 2 l'un par rapport à l'autre ; cette vis 11 peut être maintenue prisonnière grâce a une contre-vis 15. Il est à souligner que les raccordements du premier élément 1 au corps 33 de la tête laser, ainsi que celui du deuxième élément 2 au troisième élément 3 se font exactement selon le même principe. D'une manière générale, le système de l'invention permet un positionnement tridimensionnel selon 3 axes perpendiculaires X, Y et Z avec un encombrement minimal et peut donc être intégré facilement à une tête de focalisation laser. Ce système de positionnement se compose donc de 3 glissières croisées emboitées entre elles, portées par les éléments 1, 2, et 3 et montées directement sur la tête de focalisation, c'est-à-dire le bloc optique de l'installation laser. Ce système permet d'ajuster et de bloquer en position avec précision tout équipement annexe du laser. Comme illustré en Figure 4, une fois la glissière 5, 6 en position désirée, c'est-à-dire les éléments 1 et 2 en position translatée souhaitée, une came 14 de verrouillage pouvant équiper le système permet le blocage de tout mouvement de translation dans les glissières. A chaque axe de déplacement correspond donc une came de verrouillage 14. Pour améliorer l'effet de la came 14 de verrouillage, il est préférable que celle-ci appuie sur une plaque 15 de revêtement type caoutchouc agencée dans chaque logement 8. Les platines intégrées sont équipées de vis de réglage et de cames à empreinte spécifique. La forme de l'empreinte spécifique sert à limiter l'accès aux réglages qu'aux personnes habilitées possédant la clé. La forme de l'empreinte peut être triangulaire, carré, 6 pans, cruciforme, à fente ou toute autre empreinte.35 Revendications1. Système de positionnement selon plusieurs axes perpendiculaires (X, Y, Z) comprenant une structure monobloc à trois élément (1, 2, 3) comprenant un premier élément (1), un deuxième élément (2) et un troisième élément (3), le deuxième élément (2) étant agencé entre les premier élément (1) et troisième élément (3), le premier élément (1) étant mobile en translation selon un deuxième axe (axe Y) relativement au deuxième élément (2), et le deuxième élément (2) étant mobile en translation selon un troisième axe (axe Z) relativement au troisième élément (3), ledit troisième axe (axe Z) étant perpendiculaire au deuxième axe (axe Y). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément (1), le deuxième élément (2) et/ou le troisième élément (3) comprennent des moyens de guidage 5, 6) permettant d'assurer le déplacement en translation, notamment par coulissement, des éléments (1, 2, 3) les uns par rapport aux autres, de préférence les moyens de guidage (5, 6) comprennent une ou des glissières. 3. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier élément (1), le deuxième élément (2) et le troisième élément (3) comprennent des moyens de fixation (9, 10) permettant de solidariser lesdits éléments (1, 2, 3) les uns par rapport aux autres. 4. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de fixation (9, 10) comprennent des vis (9) coopérant avec des ouvertures (10) présentant chacune une forme oblongue orientée selon l'un desdits deuxième et troisième axes (Y, Z) de manière à solidariser les éléments (1, 2, 3) les uns aux autres et à limiter la course desdits éléments (1, 2, 3) lors de leurs déplacements en translation. 5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que : - le premier élément (1) et/ou le deuxième élément (2) comprennent des moyens de réglage (11, 12) permettant de contrôler le déplacement en translation selon le deuxième axe (axe Y), dudit premier élément (1) relativement au deuxième élément (2), ou - le troisième élément (3) et/ou le deuxième élément (2) comprennent des moyens de réglage (11, 12) permettant de contrôler le déplacement en translation selon le troisième axe (axe Z), dudit troisième élément (3) relativement au deuxième élément (2). 6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de réglage (11, 12) comprennent une vis de réglage (11) coopérant avec un logement (12). 7. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier (1), le deuxième (2) et/ou le troisième (3) éléments comprennent des moyens de blocage (7, 8) permettant de bloquer l'un par rapport à l'autre, au moins deux desdits éléments (1, 2, 3), dans une position désirée. 8. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de réglages (11, 12) comprennent une vis de blocage (13). 9. Ensemble comprenant une tête de focalisation laser et un système de positionnement selon plusieurs axes perpendiculaires (X, Y, Z), caractérisé en ce que ladite tête de focalisation laser est fixée à un système de positionnement selon l'une des revendications précédentes par l'intermédiaire du premier élément (1), ledit premier élément (1) étant mobile en translation selon un premier axe (axe X) relativement à ladite tête de focalisation laser (30, 31, 32, 33). 10. Ensemble selon la revendication 9, caractérisé en ce que : - le premier élément (1) et la tête de focalisation laser comprennent des moyens de guidage permettant d'assurer le déplacement en translation, notamment par coulissement, du premier élément (1) par rapport à la tête de focalisation, de préférence les moyens de guidage comprennent une ou des glissières, - le premier élément (1) et la tête de focalisation laser comprennent des premiers moyens de réglage permettant de contrôler le déplacement en translation selon le premier axe (axe X), dudit premier élément (1) relativement à la tête de focalisation, de préférence moyens de réglage comprennent une vis de réglage coopérant avec un logement fileté, et/ou - le premier (1) et/ou la tête de focalisation laser comprennent des moyens de blocage permettant de bloquer ledit premier élément (1), dans une position désirée, par rapport à ladite tête de focalisation laser. 11. Ensemble selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un dispositif additionnel fixé au troisième élément (3) du système. 12. Installation de travail au laser comprenant une source laser reliée et un ensemble avec tête de focalisation laser et système de positionnement selon l'une des35revendications 9 à 11, de préférence la source laser est un générateur laser de type YAG, disques ou fibre. 13. Procédé de soudage par faisceau laser ou de soudage hybride laser-arc mettant en oeuvre une installation selon la revendication 12. 14. Procédé de soudage, de coupage ou de marquage par faisceau laser mettant en oeuvre une installation selon la revendication 12.