Brevet FR3134735A1 — publié le 20231027

L’invention porte sur une machine de fabrication (1) caractérisée en ce qu’elle comprend : - au moins une tête laser (2) agencée pour émettre un faisceau laser en direction d’une pièce ou un ensemble de pièces à fabriquer, l’interaction du faisceau laser avec la pièce ou l’ensemble de pièces à fabriquer étant appelé cordon de fabrication, - un dispositif d’approvisionnement en gaz inerte (5), le flux de gaz inerte étant dirigé vers le cordon de fabrication, - un dispositif de soufflage à plasma (8), le flux de soufflage étant dirigé au-dessus du cordon de fabrication. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1 Machine laser comprenant deux buses et procédé de fabrication associé DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION La présente invention concerne le domaine de la fabrication à l’aide d’un faisceau laser. Elle concerne en particulier le soudage, le découpage, le décapage, le marquage, la fabrication additive, la fabrication par rechargement, le rechargement avec métal d’apport et l’ajout de fonctionnalité avec métal d’apport. ETAT DE LA TECHNIQUE On connaît de l’état de la technique diverses machines de soudage par faisceau laser. Certaines machines comprennent un capteur de plasma afin de contrôler la qualité du cordon du soudure. En cas d’anomalie, un seul message d’alerte peut être envoyé à un opérateur. Alternativement, il est connu de la demande US5651903 de réguler la puissance du faisceau laser. Cependant, il est désireux de proposer une machine de fabrication offrant une qualité de soudure accrue et de manière efficiente. OBJET DE L’INVENTION A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention propose une machine de fabrication comprenant : - au moins une tête laser agencée pour émettre un faisceau laser en direction d’une pièce ou un ensemble de pièces à fabriquer, l’interaction du faisceau laser avec la pièce ou l’ensemble de pièces à fabriquer étant appelé cordon de fabrication, - un dispositif d’approvisionnement en gaz inerte, le flux de gaz inerte étant dirigé vers le cordon de fabrication, - un dispositif de soufflage à plasma, le flux de soufflage étant dirigé au-dessus du cordon de fabrication. La tête laser peut émettre un faisceau laser du type continu ou impulsionnel. Dans le cas d’un faisceau laser du type continu, il est possible d’utiliser les faisceaux laser suivants : - un faisceau laser CO2 (un faisceau infrarouge) dont la longueur d’onde est de 10,6 micromètres, et dont la puissance est comprise entre 500W et 3000W, - un faisceau laser fibre dont la longueur d’onde est de 1064 nanomètres dont la puissance peut s’élever jusqu’à 4000W. Dans le cas d’un faisceau laser du type impulsionnel, il est possible d’utiliser les faisceaux laser suivants : - un faisceau laser grenat d'yttrium-aluminium dopé au néodyme (abréviation usuelle : Nd-YAG) dont la longueur d'onde est de 1064 nanomètres, dont la puissance moyenne est de 500W, et dont la fréquence est comprise entre 20 et 3333 Hz, - un faisceau laser Ytterbium à fibre dont la longueur d'onde est de 1070 nanomètres, dont la fréquence est comprise entre 20 et 5000 Hz, et dont la puissance moyenne est 150W. Le dispositif de soufflage de plasma permet de contrôler l’émission ou la propagation de plasma, par exemple la hauteur de flamme du plasma. Dit autrement, il permet d’écrêter l’émission de plasma ou la flamme de plasma. Selon un mode de réalisation le flux de soufflage n’est pas dirigé vers le cordon de fabrication. De préférence, la machine comprend des moyens de guidage du flux de soufflage qui sont disposés de manière que le flux de soufflage se situe à une distance prédéterminée au-dessus du cordon de fabrication. Par exemple, le flux de gaz se situe à une distance non-nulle au-dessus du cordon de fabrication. Selon un mode de réalisation, le dispositif de soufflage à plasma est un dispositif de soufflage d’air ambiant ou de gaz inerte. Selon un mode de réalisation, le dispositif de soufflage à plasma comprend un dispositif d’approvisionnement en gaz inerte. Par exemple, il comprend une alimentation en gaz, par exemple au débit et/ou pression préréglés, un tuyau ou conduit d’approvisionnement et une buse de distribution. De préférence, dispositif de soufflage à plasma est disposé latéralement par rapport au cordon de fabrication. Par exemple, le dispositif de soufflage à plasma est disposé latéralement par rapport au cordon de fabrication de manière que le flux de soufflage forme un angle compris entre 0 et 180 degrés, de préférence entre 35 et 145 degrés, par rapport au cordon de soudure. Selon un exemple particulier, le flux de soufflage à plasma s’étend perpendiculairement à la direction du cordon de fabrication. Selon un exemple particulier, le flux de soufflage à plasma s’étend selon un angle de 90 degrés par rapport au cordon de soudure, plus ou moins 50 degrés. De préférence, le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte est un dispositif d’approvisionnement en argon et/ou en hélium. Le gaz inerte peut être soit de l’argon, soit de l’hélium, soit un mélange d’argon et d’hélium. Le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte permet de protéger le cordon de l'oxydation. Le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte comprend une alimentation en gaz inerte, un tuyau ou conduit d’approvisionnement et une buse de distribution. De préférence, l’alimentation en gaz inerte peut être réalisée avec un débit et/ou une pression préréglés. Par exemple, la machine comprend des moyens de réglages du débit et/ou de la pression du gaz inerte. De préférence, le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte est disposé de manière que le flux de gaz inerte se situe dans le plan vertical passant par le cordon de fabrication. Par exemple, la buse dudit dispositif se situe selon un angle compris entre 30 et 50 degrés par rapport au cordon de fabrication. Selon un mode de réalisation, la machine de fabrication comprend un capteur de concentration en gaz inerte. De préférence, le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte et/ou le dispositif de soufflage à plasma sont commandés ou asservies pour contrôler les débits et/ou les pressions de gaz ou d’air de chaque buse desdits dispositifs afin d’éviter les écoulements turbulents. Selon un mode de réalisation, la machine de fabrication comprend au moins une électrovanne, de préférence une électrovanne par dispositif d’approvisionnement et/ou par dispositif de soufflage à plasma. Chaque électrovanne permet de distribuer le gaz ou l’air considéré. De préférence, la machine de fabrication comprend un dispositif d’approvisionnement en métal d’apport. Le dispositif d’approvisionnement en métal d’apport peut être un dispositif d’approvisionnement en fil métallique ou un dispositif d’approvisionnement en poudre. Par exemple, le métal d’apport est constitué du matériau suivant : - acier non allié, ou faiblement allié (éléments d’alliage inférieur à 5%), - acier chrome-nickel (comprenant une quantité de chrome inférieure ou égale à 20% et une quantité de nickel inférieure ou égale à 30%), - nickel, ou alliages de nickel (comprenant une quantité une quantité de nickel supérieure ou égale à 30%), - acier chrome-nickel fil fourré (comprenant une quantité de chrome inférieure ou égale à 20% et une quantité de nickel inférieure ou égale à 30%), - aluminium pur, ou alliages d’aluminium, ou alliages aluminium-silicium. Le dispositif d’approvisionnement en métal d’apport peut être un dévidoir de fil. Le dispositif d’approvisionnement en métal d’apport peut être un dévidoir de fil du type poussé ou tiré, par impulsion ou par train d’impulsion. De préférence, la machine de fabrication comprend au moins un capteur de plasma agencé pour mesurer le plasma généré par l’interaction du faisceau laser sur la pièce à fabriquer ou l’ensemble de pièces à fabriquer. Par exemple, l’au moins un capteur de plasma peut comprendre une photorésistance qui mesure la quantité de lumière plasma. La lumière à détecter est une onde lumineuse émise dans le visible et présente des valeurs de longueur d'onde dans le visible comprise entre 400 à 800 nanomètres. La photorésistance présente une valeur minimale de résistance et une valeur maximale de résistance, ces valeurs pouvant varier selon la référence de la photorésistance. En cas de détection d’un flux lumineux élevé, ou très élevé, la valeur de la résistance sera proche de la valeur minimale de la photorésistance ou égale à celle-ci. En cas de détection d’un flux lumineux faible, ou très faible, la valeur de la résistance sera proche de la valeur maximale de la photorésistance, ou égale à celle-ci. De préférence, la machine comprend au moins un moyen de réglages en position de l’au moins un capteur de plasma, en particulier par rapport à l’au moins une tête laser. Par exemple, l’au moins un moyen de réglages en position de l’au moins un capteur de plasma par rapport à l’au moins une tête laser est agencé pour régler : - l’écartement entre la pièce ou l’ensemble de pièces à fabriquer et l’au moins un capteur, et - l’inclinaison de l’au moins un capteur par rapport à un plan horizontal positionner l’au moins un capteur. Selon un mode de réalisation particulier, la machine de fabrication comprend deux moyens de réglages en position de capteur. Selon un mode de réalisation, la machine comprend un module électronique de commande comparant la ou les valeurs détectées par l’au moins un capteur de plasma à des valeurs prédéterminées d’émission de plasma, et commandant l’au moins une tête de laser, le dispositif d’approvisionnement en métal d’apport et le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte. Selon un exemple de capteur de plasma, la photorésistance présente une résistance minimale de 100 Ω (ohms) (en pleine lumière) et une résistance maximale de 20 MΩ (obscurité totale). A 200 Ω l’opération de fabrication, par exemple une soudure, ne peut pas présenter une qualité suffisante ou n’est pas correcte. De préférence et selon un mode de réalisation, on définit un seuil de 1000 Ω en-dessous duquel la machine de fabrication est arrêtée. Selon une variante, on définit une gamme de valeurs prédéterminées comprise entre 800 et 1200 kΩ selon le matériau utilisé et/ou le matériel utilisé. A 1500 Ω l’opération de fabrication, par exemple une soudure, présente une qualité suffisante. Ces valeurs sont indiquées pour une zone de fabrication dont l’intensité d’éclairage est constante. Ces valeurs sont à minorer selon une augmentation de l’intensité lumineuse ou à majorer selon une diminution de l’intensité lumineuse. Dans le cas d’un déficit en gaz inerte, la luminosité accrue du plasma est telle que la résistance du capteur diminue, et par exemple présente une valeur comprise entre 400 et 200 Ω. Dans le cas d’un déficit en métal d’apport, la luminosité accrue du plasma est telle que la résistance du capteur diminue, et par exemple présente une valeur comprise entre 400 et 200 Ω. En outre, pour une même opération de fabrication, les valeurs prédéterminées peuvent évoluer selon le matériau utilisé. Par exemple, l’aluminium reflète davantage la lumière de sorte qu’un déficit en gaz inerte correspond à une valeur de résistance comprise entre 300 et 200 Ω, et un déficit en métal d’apport correspond à une valeur de résistance comprise entre 300 et 200 Ω. Enfin les valeurs de résistance évoluent en fonction du type de faisceau laser. Par exemple le faisceau laser CO2 est plus lumineux que le faisceau laser YAG. Par exemple, en cas d’un faisceau laser CO2 appliqué sur de l’aluminium les valeurs de résistance sont les suivantes : 200 Ω en cas de déficit en gaz inerte, et en cas de déficit en métal d’apport. Selon un mode de réalisation, la machine de fabrication comprend deux capteurs de plasma. Selon des variantes de réalisation, la machine de fabrication peut comprendre en outre : - une caméra infrarouge filmant l’opération de fabrication, de manière à par exemple détecter un déficit en métal d’apport, et/ou - un débitmètre disposé dans le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte, de manière à surveiller le débit du flux du gaz inerte. Selon une variante de réalisation, la machine de fabrication peut comprendre un moyen de réglage en position du dispositif d’approvisionnement en métal d’apport et/ou du dispositif d’approvisionnement en gaz inerte. De préférence, le module électronique de commande est un nano-ordinateur. De préférence, la machine de fabrication comprend un bâti, sur lequel tout ou partie des éléments cités au-dessus sont fixés. Le bâti peut comprendre un mât ou une potence. Selon un autre mode de réalisation, la machine de fabrication comprend un système de déplacement de l’au moins une tête laser. Le système de déplacement permet de déplacer l’au moins une tête laser par rapport à la pièce ou l’ensemble de pièces à fabriquer. Selon une variante de réalisation, le système de déplacement peut porter également un ou plusieurs des éléments suivants : l’au moins un capteur de plasma, tout ou partie du dispositif d’approvisionnement en métal d’apport, par exemple son extrémité distale, tout ou partie du dispositif d’approvisionnement en gaz inerte, par exemple la buse portée par ledit dispositif, tout ou partie du dispositif de soufflage à plasma, par exemple la buse portée par ledit dispositif. La machine de fabrication, comprenant l’une ou plusieurs des caractéristiques précédentes, peut être utilisée pour le soudage, découpage, décapage, marquage au laser, fabrication additive, fabrication de rechargement. Selon un deuxième aspect, l’invention propose un procédé de fabrication utilisant un faisceau laser, mis en œuvre par une machine de fabrication selon le premier aspect de l’invention, le procédé comprenant les étapes suivantes : - émettre un faisceau laser vers une pièce ou un ensemble de pièces à fabriquer, - actionner l’approvisionnement en gaz inerte, dont le flux de gaz inerte est dirigé vers le cordon de fabrication, - actionner le soufflage à plasma dont le flux de soufflage est dirigé au-dessus du cordon de fabrication. Dans ce mode de réalisation, les débits et/ou pression peuvent être préréglés. Selon un troisième aspect, l’invention propose un procédé de fabrication utilisant un faisceau laser, mis en œuvre par une machine de fabrication selon le premier aspect de l’invention, le procédé comprenant les étapes suivantes : - émettre un faisceau laser vers une pièce ou un ensemble de pièces à fabriquer, - mesurer, par l’intermédiaire du capteur de plasma, l’émission de plasma généré, - comparer, par l’intermédiaire du module électronique de commande, la valeur d’émission de plasma détecté en fonction d’une ou plusieurs valeur(s) ou d’une ou plusieurs gammes de valeurs prédéterminée(s), chaque valeur ou gamme de valeurs prédéterminée étant associée à une action de fabrication du type : - actionner l’approvisionnement en gaz inerte, dont le flux de gaz inerte est dirigé vers le cordon de fabrication - actionner le soufflage à plasma dont le flux de soufflage est dirigé au-dessus du cordon de fabrication, - arrêter la machine de fabrication si la valeur d’émission de plasma détectée est inférieure à une valeur minimale prédéterminée, - réaliser l’action de fabrication associée à ladite valeur ou la gamme de valeurs prédéterminée lorsqu’une valeur d’émission de plasma détectée est égale à l’une des valeurs prédéterminées ou est englobée dans une gamme de valeurs prédéterminée. De préférence, l’approvisionnement en métal d’apport et l’approvisionnement en gaz inerte et/ou le soufflage à plasma sont réalisés simultanément lors de l’émission d’un faisceau laser. Par exemple, la machine peut comprendre une ou plusieurs électrovannes, chaque électrovanne étant associée à un dispositif d’approvisionnement distinct. Chaque électrovanne permet de distribuer un gaz ou le métal d’apport. Selon un mode de réalisation, la machine de fabrication peut comprendre une enceinte de manière à fabriquer la pièce ou l’ensemble de pièces dans un volume fermé ; les éléments de la machine étant placés dans ladite enceinte. La machine et le procédé de fabrication selon l’invention permettent de contrôler plusieurs paramètres de fabrication. Ils permettent en outre de maintenir des paramètres de soudage constant tout en limitant la croissance du plasma. Ils ont pour avantages à la fois d’augmenter la qualité de fabrication, en particulier la qualité des cordons de fabrication, en particulier des cordons de soudure dans le cas du soudage, tout en limitant le métal d’apport et/ou l’approvisionnement en gaz inerte au strict nécessaire, d’être plus simple, plus compacte et plus économique que les machines de l’état de la technique. Ils permettent en particulier d’augmenter la qualité de fabrication du cordon d’un point de vue macrographique et micrographique. Ils permettent en outre de réaliser diverses opérations comme le soudage, le découpage, le décapage, le marquage, fabrication additive, fabrication par rechargement. En particulier, la machine et le procédé permettent de diminuer la formation des projections, la perte de pénétration, les fumées pouvant contaminée la microstructure, les brûlures du cordon, et de protéger le bain de fusion des phénomènes de fissuration et d’éjections. Ils permettent en outre d’améliorer la visibilité du plan de joint. BREVE DESCRIPTION DE LA FIGURE D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence à la figure annexée : la est un schéma d’une machine de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention ; la est une représentation schématique, vue de dessus, de la disposition des dispositifs d’approvisionnement en gaz et de soufflage à plasma au regard d’un cordon de fabrication selon un mode de réalisation ; la est une représentation schématique, vue de côté, de la disposition des dispositifs d’approvisionnement en gaz et de soufflage à plasma au regard d’un cordon de fabrication, conforme à la figure précédente. Machine de fabrication (1) caractérisée en ce qu’elle comprend : - au moins une tête laser (2) agencée pour émettre un faisceau laser en direction d’une pièce ou un ensemble de pièces à fabriquer, l’interaction du faisceau laser avec la pièce ou l’ensemble de pièces à fabriquer étant appelé cordon de fabrication, - un dispositif d’approvisionnement en gaz inerte (5), le flux de gaz inerte étant dirigé vers le cordon de fabrication, - un dispositif de soufflage à plasma (8), le flux de soufflage étant dirigé au-dessus du cordon de fabrication. Machine de fabrication (1) selon la revendication 1, comprenant des moyens de guidage du flux de soufflage qui sont disposés de manière que le flux de soufflage se situe à une distance prédéterminée au-dessus du cordon de fabrication. Machine de fabrication (1) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le dispositif de soufflage à plasma est un dispositif de soufflage d’air ambiant ou de gaz inerte. Machine de fabrication (1) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de soufflage à plasma est disposé latéralement par rapport au cordon de fabrication de manière que le flux de soufflage forme un angle compris entre 0 et 180 degrés, de préférence entre 35 et 145 degrés. Machine de fabrication (1) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte est disposé de manière que le flux de gaz inerte se situe dans le plan vertical passant par le cordon de fabrication. Machine de fabrication (1) selon l’une des revendications précédentes, comprenant au moins un capteur de plasma (3) agencé pour mesurer le plasma généré par l’interaction du faisceau laser sur la pièce à fabriquer ou l’ensemble de pièces à fabriquer. Machine de fabrication (1) selon la revendication précédente, comprenant un module électronique de commande (7) comparant la ou les valeurs détectées par l’au moins un capteur de plasma à des valeurs prédéterminées d’émission de plasma, et commandant l’au moins une tête laser, un dispositif d’approvisionnement en métal d’apport et le dispositif d’approvisionnement en gaz inerte. Procédé de fabrication utilisant un faisceau laser, mis en œuvre par une machine de fabrication (1) selon l’une des revendications précédentes, le procédé comprenant les étapes suivantes : - émettre un faisceau laser vers une pièce ou un ensemble de pièces à fabriquer, - actionner l’approvisionnement en gaz inerte, dont le flux de gaz inerte est dirigé vers le cordon de fabrication, - actionner le soufflage à plasma dont le flux de soufflage est dirigé au-dessus du cordon de fabrication. Procédé de fabrication utilisant un faisceau laser, mis en œuvre par une machine de fabrication (1) selon la revendication 6 ou 7, le procédé comprenant les étapes suivantes : - émettre un faisceau laser vers une pièce ou un ensemble de pièces à fabriquer, - mesurer, par l’intermédiaire du capteur de plasma (3), l’émission de plasma généré, - comparer, par l’intermédiaire du module électronique de commande (7), la valeur d’émission de plasma détecté en fonction d’une ou plusieurs valeur(s) ou d’une ou plusieurs gammes de valeurs prédéterminée(s), chaque valeur ou gamme de valeurs prédéterminée étant associée à une action de fabrication du type : - actionner l’approvisionnement du métal d’apport, - actionner l’approvisionnement en gaz inerte, dont le flux de gaz inerte est dirigé vers le cordon de fabrication - actionner le soufflage à plasma dont le flux de soufflage est dirigé au-dessus du cordon de fabrication, - arrêter la machine de fabrication si la valeur d’émission de plasma détecté est inférieure à une valeur minimale prédéterminée, - réaliser l’action de fabrication associée à ladite valeur ou la gamme de valeurs prédéterminée lorsqu’une valeur d’émission de plasma détectée est égale à l’une des valeurs prédéterminées ou est englobée dans une gamme de valeurs prédéterminée. Procédé de fabrication selon la revendication précédente dans lequel l’approvisionnement en métal d’apport et/ou l’approvisionnement en gaz inerte et/ou le soufflage à plasma sont réalisés simultanément lors de l’émission d’un faisceau laser.