"Procédé et dispositif de contrôle de la qualité d'un cordon de soudure"

L'invention concerne un procédé de contrôle de la qualité d'u n cordon de soudu re et un dispositif permettant la mise en œuvre dudit procédé.

L'invention concerne plus particulièrement un procédé de contrôle de la qualité d'un cordon de soudu re réalisé au moyen d'u n outil de soudage, du type qui comporte au moins les étapes successives suivantes :

- collecte, au moyen d'u n pyromètre optique comportant un senseur à haute fréquence d'acquisition , d'au moi ns u n signal qui est représentatif de la températu re d'une portion en fusion du cordon de soudure, et - traitement et analyse dudit signal en vue d'identifier d'éventuels défauts du cordon de soudure.

Lorsqu'elle est correctement réalisée, u ne soudure, ou un cordon de soudu re, est u n moyen qui est largement utilisé dans l'i ndustrie pou r réaliser un assemblage, résistant et fiable, de deux pièces entre elles, notamment deux pièces métalliques.

U n contrôle strict et rigou reux de la qualité du cordon de soudure est essentiel pour assu rer 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 soudu re est contrôlé par inspection visuelle par un opérateur, ou par inspection optique de façon automatique par u n contrôle dit de profilométrie.

La profilométrie est une méthode de mesure, qui consiste à déterminer le profil d'u ne su rface. Le contrôle de profilométrie est efficace, mais il est insuffisant pou r permettre d'évaluer de façon fiable la qualité d'u n cordon de soudure, car il ne fou rnit des i nformations que su r l'aspect extérieur du cordon de soudu re.

L'analyse de la températu re du cordon de soudu re, plus précisément l'analyse du signal représentatif de la températu re du métal en fusion d'u ne portion du cordon de soudure, permet u n contrôle de la qualité du cordon . Le signal représentatif de la températu re, appelé par la suite signal de températu re, est analysé dans le but de détecter un éventuel défaut dans le cordon de soudure, voi re d'identifier le type de défaut généré en cause.

On connaît différents moyens permettant de mesu rer la température du métal en fusion du cordon de soudu re.

U n premier moyen con nu comporte une caméra thermique infrarouge, qui fou rnit une i mage représentative de la température de la zone observée, l'i mage étant analysée et traitée dans le but de déceler u n éventuel défaut dans le cordon de soudu re. U n i nconvénient de la caméra thermique i nfrarouge est son mauvais rapport temps de traitement/précision.

En effet, soit l'i mage collectée par la caméra comporte un grand nombre de pixels, auquel cas la précision est bonne mais le temps de traitement de l'i mage est long, soit l'i mage collectée comporte un faible nombre de pixels, auquel cas le temps de traitement est court mais la précision de l'i mage est trop faible.

U n second moyen connu permettant de collecter la température du métal en fusion du cordon de soudu re est le pyromètre optique. Le pyromètre optique est u n dispositif qui est apte à capter le rayonnement thermique émis par un élément au moyen d'u n senseur et à fou rni r u n signal représentatif de la température dudit élément.

Les pyromètres optiques ne sont pas tous adaptés à la mesu re de la températu re d'un cordon de soudu re, car certai ns pyromètres fournissent un signal dont la fréquence d'acquisition est i nférieu re aux phénomènes physiques qui sont rencontrés au cours de la formation du cordon de soudure.

De plus, certai ns pyromètres optiques ne sont pas adaptés à l'émissivité de certai ns matériaux, ce qui fausse la précision du signal de températu re mesu ré.

Pou r pallier ces i nconvénients, l'i nvention propose un procédé de contrôle permettant de détecter u n défaut dans u n cordon de soudu re dans un temps cou rt et de façon fiable, en extrayant des i nformations perti nentes d'u n signal de température, le signal de températu re étant collecté au moyen d'u n pyromètre optique adapté à un tel procédé. Dans ce but, l'i nvention propose u n procédé de contrôle du type décrit précédemment, caractérisé en ce que l'étape de traitement et d'analyse du signal comporte u ne phase fréquence qui consiste à relever les fréquences récurrentes du signal au moyen d'outils mathématiques, et à vérifier que lesdites fréquences récu rrentes sont comprises dans u ne 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 : - l'étape de traitement et d'analyse du signal comporte u ne phase amplitude qui consiste à calculer l'amplitude moyen ne de tout ou partie du signal et à vérifier que ladite amplitude moyenne est comprise dans une plage d'amplitudes moyennes de référence, afi n de détermi ner si le cordon de soudure comporte u n défaut,

- l'étape de traitement et d'analyse du signal comporte u ne phase températu re moyen ne qui consiste à calculer la température moyenne de tout ou partie du signal et à vérifier que ladite températu re moyenne est comprise dans u ne plage de référence de températures moyen nes, afin de détermi ner si le cordon de soudure comporte un défaut,

- l'étape de traitement et d'analyse du signal comporte u ne phase extremu m qui consiste à vérifier que tout ou partie du

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, - 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 œuvre le procédé, du type qui comporte : - 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 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 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, - le senseur est agencé de sorte qu'il mesure la température 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 dans lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique qui illustre un dispositif pour la mise en œuvre du procédé de contrôle de la qualité d'un cordon de soudure selon l'invention,

- 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 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, - 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 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 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 en œuvre 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. 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.

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. 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 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 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 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 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). 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.

Les deux tôles 1 8, 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 1 8, 24. 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 lorsque le bain liquide se forme, 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 température représentatif de la température mesurée par le senseur 28.

Le pyromètre 26 est agencé globalement derrière le miroir 1 6, sur l'axe vertical des rayons lasers 14 qui sont réfléchis par le miroir 1 6 vers les tôles 1 8, 24 à souder. Ai nsi , le senseu r 28 est agencé à l'écart de la zone d'irradiation Z, ce qui la protège notamment des projections de matière.

Le miroir 1 6 est perméable à une plage de rayonnements de différentes longueurs d'onde, notamment à la longueur d'onde 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 1 6.

Le senseur 28 du pyromètre 26 est ici une photodiode 28 du type "I nGaAs", pour arséniure de gallium et indium, qui répond aux critères exigés pour la mise en œuvre du procédé de contrôle de soudure décrit ultérieurement dans la description.

En effet, la photodiode "I nGaAs" est ici apte à délivrer des mesures à une fréquence supérieure à 1 000Hz, avantageusement

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. 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 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. 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 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 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 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

signal de températu re de référence Sr qui est collecté au cou rs de la réalisation d'u n cordon de soudu re de référence.

On entend par cordon de soudure de référence, un cordon de soudure qui ne présente aucu n défaut. Le procédé de contrôle comporte u ne 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'i rradiation Z de la soudu re à contrôler. Les figures 2, 4, et 5 illustrent de tels signaux à contrôler, référencés S1 , S2, S3 respectivement.

On a représenté à la figure 2 u n 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 1 2 de soudage en abscisse. La vitesse de déplacement de l'outil 1 2 est constante et connue.

On réalise ensuite l'étape de traitement et d'analyse " Et" du signal de températu re qui est collecté au cours de l'étape de collecte Ec, en vue d'identifier d'éventuels défauts du cordon de soudure.

L'étape de traitement et d'analyse Et du signal de température com mence par exemple à la fi n de l'étape de collecte Ec, ou avant la fi n de l'étape de collecte Ec, en temps masqué, de façon à opti miser le temps du procédé. L'étape de traitement et d'analyse Et du signal de température comporte u ne phase fréquence Pf qui consiste à relever les fréquences récu rrentes du signal de température au moyen d'outils mathématiques, ici la transformée de Fou rier.

On a représenté en exemple à la figure 3, u n graphique dont la cou rbe C1 illustre les fréquences récurrentes du signal de température S1 de la figure 2, le graphique de la figu re 3 comportant en abscisse les fréquences F relevées et en ordonnée l'amplitude A des fréquences F.

Les fréquences récurrentes sont représentatives de la respi ration du capillaire de la soudu re et correspondent aux vagues de solidification de la soudu re. Les fréquences récu rrentes sont ai nsi liées à la formation de la soudu re. 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 détermi nées au cours de l'étape préli mi nai re EO de détermi nation des mesures de référence. Si les fréquences récu rrentes sont en dehors de la plage d'acceptation de fréquences de référence, alors la soudu re est esti mée défectueuse.

L'étape de traitement et d'analyse Et du signal comporte une phase amplitude Pa qui consiste à calculer l'amplitude moyenne du signal et à comparer ladite amplitude moyenne par rapport à une plage d'amplitudes moyen nes de référence qui est déterminée au cou rs de l'étape préli mi nai re EO de détermi nation des mesures de référence.

On a représenté à la figure 4, un graphique comportant u n premier signal de référence Sri et un second signal de température S2, qui sont représentés en fonction de la température T en ordon née et de la distance parcourue D de l'outil 1 2 de soudage en abscisse.

Com me on peut le voi r à la figure 4, le signal S2, qui est ici le signal de température d'u ne soudure à contrôler, comporte u ne amplitude plus faible que le signal Sri de référence.

Si l'amplitude moyen ne du signal de températu re S2 relevé est en dehors de la plage d'amplitudes moyennes de référence, alors la soudure est esti mée défectueuse. 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 moyen ne appartient à u ne plage de référence de

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 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, 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 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 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 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 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 contrôler est en dehors de 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. En effet, connaissant la fréquence d'acquisition du senseur

28 et la vitesse de déplacement de l'outil 1 2 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. 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.