WORKING APPARATUS USING A LASER RADIATION

Abstract: 1. Machining apparatus, in particular for welding by laser beam of the type in which a beam of coherent light with an axis XX' is concentrated, by means of an optical focussing system (2) on a partically pinpoint area of an article P to be machined, for example a metal article, so as to cause, in the neighbourhood of the said area, the formation of a molten bath, a flux of inert gas being blown onto the said article in the proximity of the said molten bath, characterized in that it is provided with a protection unit (10) which comprises an occultation device (20) disposed between the optical system (2) and the article P to be machined and comprising at least one shutt-off device (211a) or similar which is solid with a hub or boss (214) which is mounted to rotate around an axis YY' which is parallel to the XX' axis and offset laterally with respect to this latter, so as partially and periodically to intercept the beam of light and deflect from their path the small drops of molten matter projected from the said bath in the direction of the said optical system (2).

Description: La présente invention concerne essentiellement un appareil d'usinage, en particulier de soudage, par rayonnement laser, du type dans lequel un faisceau de lumière cohérente est concentré, au moyen d'un système optique de focalisation, sur une aire pratiquement ponctuelle d'une pièce à usiner, par exemple une pièce métallique, de façon à provoquer, au voisinage de ladite aire, la formation d'un bain de fusion, un flux de gaz inerte étant projeté sur ladite pièce à proximité dudit bain de fusion. Les opérations d'usinage, en particulier de soudage, soumettent le système optique de focalisation, qui est un des éléments les plus fragiles et les plus directement exposés des appareils à faisceau laser, à des conditions de fonctionnement particulièrement sévères: émanations de fumées, projections de gouttelettes de métal liquide provenant du bain de fusion, etc... Le flux de gaz inerte qui est habituellement utilisé dans les appareils de ce type est généralement divisé en deux jets, l'un axial, l'autre annulaire, et a une double fonction : d'une part protéger le système optique contre les fumées et les projection6 et d'autre part protéger le bain de fusion contre l'oxydation. L'expérience a montré cependant que cette première fonction de protection est très insuffisante, du fait en particulier que le flux de gaz ne s'oppose que très imparfaitement aux remontées des particules de matière en fusion. Il en résulte que1 dans les appareils à faisceau laser connus, le système optique est rapidement détérioré, sa durée moyenne d'utilisation ne dépassant pas 300 heures environ. Par ailleurs, dans les appareils actuellement connus, l'interruption du faisceau laser se fait, même pendant de courtes périodes, par obturation du faisceau en amont de la lentille. Or, le système optique absorbe une partie non négligeable de l'énergie de ce faisceau, il en résulte une augmentation de sa température et une déformation mécanique qui fait varier ses caractéristiques optiques. Des interruptions et rétablissements fréquents du faisceau entrainent donc un dé6équilibre thermique du système optique, ce qui oblige à attendre un certain temps après chaque rétablissement du courant pour que ledit système optique ait retrouvé son équilibre thermique. L'invention a pour but d'assurer une protection plus efficace de l'optique de focalisation que les appareils actuelle ment connus, en particulier contre les projections de matière en fusion, de façon à augmenter sa durée d'utilisation. L'invention a également pour but de permettre l'interruption du faisceau laser tout en assurant l'équilibre thermique du système optique de focalisation. Un autre but de l'invention est d'assurer une protection efficace de la pièce à usiner contre l'oxydation. L'invention propose un appareil muni d'un ensemble de protection comportant des moyens formant écran disposés entre le système optique et la pièce à usiner et prévus pour dévier de leur trajectoire les gouttelettes de matière en fusion proJetées en direction dudit système optique. Ces moyens constituent une véritable barrière qui empêche les gouttelettes d'atteindre le système optique. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens formant écran précités comportent un dispositif d'occultation rotatif disposé dans le faisceau issu du système optique et prévu pour intercepter partiellement et périodiquement ledit faisceau. Un tel dispositif rotatif dévie mécaniquement les gout telettes tout en permettant le passage du rayonnement. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif d'occultation précité comporte au moins une pale ou analogue solidaire d'un moyeu monté rotativement autour d'un ase parallèle à l'axe du faisceau lumineux et décalé latéralement par rapport à ce dernier, de sorte que ladite pale occulte le faisceau pendant la rotation du moyeu. En choisissant expérimentalement les dimensions géométriques de la pale ainsi que sa vitesse de rotation1 compte tenu du temps mis par les projections pour traverser l'espace qu'elles balayent, on peut dévier toutes ces projections et par conséquent obtenir une protection efficace du système optique. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'en- semble de protection comporte en outre un dispositif d'obturation prévu pour intercepter totalement le faisceau lumineux en dehors des périodes d'utilisation de l'appareil. Un tel dispositif d'obturation permet dtinterrompre le faisceau lumineux sans interrompre l'alimentation de la source de rayonnement, donc sans provoquer un déséquilibre thermique du système optique. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les dispositifs d'occultation et d'obturation précités sont montés sur un support coulissant disposé au-dessous du système optique précité et actionné par un vérin, ledit support entant prévu pour occuper deux positions pour lesquelles l'un ou l'autre des dispositifs se trouve sur la trajectoire du faisceau laser issu dudit système optique. Ce mode de montage permet la mise en place facile de l'un ou l'autre dispositif selon l'utilisation de l'appareil. Toujours selon l'invention, le dispositif d'occültation rotatif précité est logé dans une chambre prévue dans le support coulissant précité et parcourue par un gaz inerte. Ce mode de réalisation permet de protéger le système optique contre les fumées au cours des opérations d'usinage tout en assurant également la protection de la pièce à usiner contre l'oxydation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre. Dans les dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple - la figure 1 est une coupe axiale et partielle d'un appareil selon l'invention destiné au soudage de pièces métalliques - la figure 2 est une coupe selon la ligne II/II de la figure 1; - la figure 3 est une coupe selon la ligne 111/111 de la figure 1. Selon le mode de réalisation représenté, l'appareil de soudage conforme à l'invention comporte essentiellement un carter de forme générale cylindrique 1, à l'intérieur duquel sont logés une source (non représentée) connue en soi, émettant un rayonnement électromagnétique cohérent situé ou non dans le spectre visible, et un système optique de focalisation 2 d'axe XX' et constitué par exemple par une lentille de germanium monocristallin. Le système optique 2 reçoit le rayonnement émis par la source et le transforme en un faisceau conique de sommet S. Ce faisceau conique traverse un orifice 3 de la paroi 4 qui ferme l'extrémité inférieure du carter 1 et rencontre la pièce à usiner P, par exemple une pièce métallique, laquelle est située approximativement dans dans un plan passant par ledit sommet S. L'impact du rayonnement ainsi concentré par le système optique 2 sur une aire pratiquement ponctuelle de la pièce P provoque une élévation locale considéra- ble de sa température et par conséquent la formation d'un bain de fusion au voisinage immédiat de la zone d'impact. L'appareil de soudage selon l'invention est muni en outre, à sa partie inférieure, donc entre le carter 1 et la pièce P, d'un ensemble de protection désigné d'une façon générale par la référence 10 et destiné à protéger le système optique contre les projections de matière en fusion et contre les fumées. L'ensemble de protection 10 comporte essentiellement le dispositif d'occultation rotatif 20 et le dispositif d'obturation 30, ces deux dispositifs étant montés sur un support commun 40. Le dispositif d'occultation 20 comporte un organe rotatif 21 en forme de roue et constitué par un moyeu central 210, quatre pales identiques 21 la, 211b, 2lac1 211d et par une jante périphérique 212. Le moyeu 210 est monté, par l'intermédiaire de roulements 21), sur un arbre 214 d'axe géométrique YY' parallèle à l'axe XX' du système optique 2 et décalé relativement à ce dernier. Les quatre pales 211a, 211b, 211c, 211d, de forme sensiblement rectangulaire sont disposées dans des plans passant par l'axe de rotation YY' et espacées angulairement de 90C les unes par rapport aux autres. La roue 21 est entraînée en rotation autour de l'axe YY' par un galet de friction 22 en prise avec la jante 212 et entraîné lui-même par un moteur électrique 23. Les dimensions des pales ainsi que la vitesse angulaire de rotation de la roue 21 sont déterminées expérimentalement en fonction de la vitesse linéaire des projections qui remontertt en direction du système optique. A titre indicatif, on a donné à chacune des quatre pales de la roue 21 les dimensions géométriques suivantes - longueur : 20 mm - largeur : 15 mm - épaisseur: 4/10 mm et on l'a entraînée à une vitesse de rotation constante de 24.000 tours par minute. L'expérience a montré que, dans ces conditions, les projections ayant une vitesse linaire maximale de 25 mètres à la seconde sont déviées par choc avec les pales et empêchées d'atteindre le système optique de focalisation. Comme on le voit sur le dessin, la roue 21 et le galet 22 sont logés dans une chambre 41 du support 40, cette chambre étant munie de deux orifices coaxiaux 42a et 42b pour le passage du faisceau conique issu du système optique de focalisation, les pace entre ces deux orifices étant balayé par les pales de la roue 21. Le disposition d'obturation 30 est constitué par une couche 31 striée faite d'une substance capable d'absorber le rayonnement émis par la source, par exemple un composé à base de noir de carbone. Cette substance est disposée sur une platine circulaire 32 munie d'une tige filetée 33 et fixée au moyen d'un écrou 34 au support 40. Le dispositif 30 est entouré d'une chambre annulaire 35 communiquant avec des canalisations 36a et 36b reliées à des tubulures 37a, 37b, pour l'amenée et l'évacuation d'un fluide de refroidissement, par exemple de lteau et dont la fonction est d'absorber les calories résultant du rayonnement laser. Le support 40 est monté sur la paroi de fond 4 du carter 7 par l'intermédiaire de deux glissières à rouleaux croisés 43a et 43b, et est entraîné en translation par un vérin 44 dont le corps 44a est monté sur un socle la fixé au carter 7 et dont la tige 44b est solidaire d'un bras 40b du support 40. Le vérin 44 est prévu pour déplacer le support d'une position extrême et pour laquelle la médiane verticale de chaque pale cofncide, au cours de son passage entre les deux orifices 42a et 42b, avec l'axe XX', l'autre pour laquelle l'axe ZZ' coïncide avec l'axe XX'. Un joint d'étanchéité 45 sur le support 40 entoure l'orifice 42a ainsi que la platine 32 portant la substance absorbante 31. Le support 40 est muni d'un orifice 46 qui communique avec la chambre 41 et auquel est raccordée une tubulure 49 qui délIvre un gaz inerte venant d'une source (non représentée), par exemple d'argon. Ce gaz est introduit dans la chambre 41 sous un débit qui peut être de cinq litres par minute par exemple, et il ne peut s'évacuer de ladite chambre que par l'orifice inférieur 42b, en créant un courant de haut en bas. Le support 40 est muni sur sa face inférieure d'un lamage ou embrèvement 47 dans lequel débouche l'orifice 42b. Cet embrèvement ou analogue 47 est ferme par une toile métallique 48 fixée sur la paroi inférieure du support 40 et munie d'un orifice 481 concentrique aux orifices 42a et 42b et prévu par le passage du faisceau laser. Ceci permet d'obtenir, au-dessous du support une uneréserve de gaz inerte ayant traversé la chambre 41 et qui se diffuse au travers de la toile métallique en créant une atmosphère qui protège la pièce à usiner P contre les oxydations. Lorsque l'appareil est en fonctionnement, le support 40 occupe la position représentée à la figure 1, la roue 21 est en tralnée en rotation et le conduit 49 est alimenté en gaz inerte. Les gouttelettes de métal en fusion qui sont projetées vers le haut et ont traversé la toile métallique 48 sont déviées par les pales de la roue 21, tandis que les fumées sont empêchées de pénétrer, en raison de l'écoulement du gaz inerte, dans la chambre 41. Par ailleurs, le gaz inerte maintenu dans ltembrèvement 47 crée et diffuse à travers-la toile métallique, au-dessus de la pièce à usiner, une "traSnée"de protection. En cas d'arrêt momentané de l'appareil de soudage, le support 40 occupe l'autre position, c'est-à-dire celle pour laquelle l'axe ZZ' coïncide avec l'axe XX'. Le rayonnement émis par la source, qui continue à être alimentée, est absorbé par la substance 31. Dans ces conditions, le système optique 2 est en équilibre de température et l'appareil est prêt pour une nouvelle opération de soudage, sans modification du réglage. L'alimentation de la source est bien entendu coupée pour un arrêt définitif de l'appareil. On pourrait apporter de nombreuses variantes à l'exemple de réalisation décrit sans pour autant sortir du cadre de ltinven- tion.

Claims: REVENDICATIONS 1. Appareil d'usinage, en particulier de soudage,par rayonnements laser, du type dans lequel un faisceau de lumière cohérente est concentré, au moyen d'un système optique de focalisation, sur une aire pratiquement ponctuelle d'une pièce à usiner, par exemple une pièce métallique, de façon à provoquer, au voisinage de ladite aire, la formation d'un bain de fusion, un flux de gaz inerte étant projeté sur ladite pièce à proximité dudit bain de fusion, caractérisé en ce qu'il est muni d'un ensemble de protection 10 comportant des moyens formant écran disposés entre le système optique 2 et la pièce à usiner P et prévu6 pour dévier de leur trajectoire les gouttelettes de matière en fusion projetées à partir dudit bain en direction dudit système optique 2. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ces moyens comportent un dispositif d'occultation rotatif 20 disposé dans le faisceau issu du système optique 2 et prévu pour intercepter partiellement et périodiquement ledit faisceau. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif d'occultation 20 précité comporte au moins une pale ou analogue 211a solidaire d'un moyeu 214 monté rotativement autour d'un axe YY' parallèle à l'axe XX' du faisceau lumineux et décalé latéralement par rapport à ce dernier. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pale précitée 211a est constituée par une plaque de forme. sensiblement rectangulaire disposée dans un plan passant par l'axe de rotation YY' dudit moyeu. 5. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif d'occultation 20 précité comporte plusieurs pales radiales identiques 21ira, 21 lob, 211c, 211d angulairement équidistantes. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les pales précitées sont réunies par une jante périphérique circulaire 212 concentrique au moyeu 214. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif d'occultation 20 précité est entraîné en rotation autour de son axe YY' au moyen d'un galet d'entratnement 22 en contact de friction avec la jante 212 précitée et entrain luimeme par un moteur 23, par exemple électrique. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif d'occultation 20 précité comporte quatre pales 211a, 211b, 211c, 211d espacées angulairement à 900. 9. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de protection 10 précité comporte en outre un dispositif d'obturation 30 prévu pour intercepter totalement le faisceau lumineux précité en dehors des périodes d'utilisation dudit appareil d'usinage. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif d'obturation 30 précité comporte un élément 31 absorbant les rayons lumineux et est muni d'un circuit d'eau de refroidissement 35, 36a, 36b. 11. Appareil selon la revendication 2 et la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif d'occultation 20 et le dispositif d'obturation 30 précités sont montés sur un support coulissant 40 actionné par un vérin 44 et prévu pour occuper deux positions pour lesquelles l'un ou l'autre desdits dispositifs 20 ou 30 se trouve sur la trajectoire du faisceau laser issu du système optique 2. 12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que le support coulissant 40 précité est muni intérieurement d'une chambre 41 dans laquelle est logé le dispositif d'occultation 20, ladite chambre étant fermée à l'exception de deux orifices coaxiaux 42a, 42b prévus sur deux de ses parois opposées pour le passage du faisceau laser. 13. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que la chambre 47 précitée est munie de moyens 49 d'adduction d'un gaz, par exemple d'argon. 14. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que le support 40 précité est muni à sa partie inférieure d'un embrèvement ou analogue 47 dans lequel débouche l'un des orifices précités 42b du support, ledit embrèvement étant fermé par une toile métallique 48 munie d'un orifice 48a concentrique à l'orifice précité.

Inventors: DIANE, HERVE, Diane, Hervé
Applicants: LA SOUDURE AUTOGENE FRANCAISE
Application year: 1979
Main classification: B23K26
IPC codes: B23K26