EP2101950A1 - Procede et dispositif de controle de la qualite d'un cordon de soudure - Google Patents

Procede et dispositif de controle de la qualite d'un cordon de soudure

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Publication number
EP2101950A1
EP2101950A1 EP07857640A EP07857640A EP2101950A1 EP 2101950 A1 EP2101950 A1 EP 2101950A1 EP 07857640 A EP07857640 A EP 07857640A EP 07857640 A EP07857640 A EP 07857640A EP 2101950 A1 EP2101950 A1 EP 2101950A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
signal
weld bead
sensor
defect
Prior art date
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Ceased
Application number
EP07857640A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Henri Pinon
Sébastien VALLET
Igor Smurov
Philippe Bertrand
Mikhail Ignatieu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renault SAS
Original Assignee
Renault SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renault SAS filed Critical Renault SAS
Publication of EP2101950A1 publication Critical patent/EP2101950A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0014—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiation from gases, flames
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0014—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiation from gases, flames
    • G01J5/0018—Flames, plasma or welding
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/48—Thermography; Techniques using wholly visual means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J2005/0077—Imaging

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the quality of a weld seam and a device for carrying out said method.
  • the invention relates more particularly to a method for controlling the quality of a weld bead made by means of a welding tool, of the type which comprises at least the following successive stages:
  • an optical pyrometer comprising a high frequency acquisition sensor, at least one signal which is representative of the temperature of a fused portion of the weld seam, and analyzing said signal in order to identify any defects in the weld seam.
  • a weld, or a weld seam is a means that is widely used in the industry to achieve a strong and reliable assembly of two parts together, including two metal parts. .
  • the weld seam is controlled by visual inspection by an operator, or by optical inspection automatically by a so-called profilometry control.
  • Profilometry is a measurement method, which consists in determining the profile of a suface.
  • Profilometry control is effective, but it is insufficient to reliably assess the quality of a weld seam, as it only provides information on the external appearance of the weld seam. .
  • the analysis of the temperature of the weld bead more precisely the analysis of the signal representative of the temperature of the molten metal of a portion of the weld bead, allows a control of the quality of the bead.
  • the signal representative of the temperature hereinafter referred to as the temperature signal, is analyzed for the purpose of detecting a possible defect in the weld bead, to identify the type of fault generated in question.
  • a first known means comprises an infrared thermal camera, which provides a representative image of the temperature of the observed area, the image being analyzed and processed for the purpose of detecting a possible defect in the weld seam.
  • a disadvantage of the infrared thermal imager is its poor processing time / precision ratio.
  • the image collected by the camera has a large number of pixels, in which case the accuracy is good but the processing time of the image is long, ie the image collected has a small number of pixels. in which case the processing time is short but the image accuracy is too low.
  • a second known means for collecting the temperature of the molten metal of the weld bead is the optical pyrometer.
  • the optical pyrometer is a device which is able to capture the thermal radiation emitted by an element by means of a sensor and to provide a signal representative of the temperature of said element.
  • Optical pyrometers are not all suited to the measurement of the temperature of a weld seam, because some pyrometers provide a signal whose acquisition frequency is inferior to the physical phenomena that are encountered in the course of time. the formation of the weld seam. In addition, some optical pyrometers are not suitable for the emissivity of certain materials, which distorts the accuracy of the temperature measurement signal.
  • the invention provides a control method for detecting a defect in a weld bead in a reliable and time-bound manner, by extracting relevant information from a signal of temperature, the temperature signal being collected by means of an optical pyrometer adapted to such a method.
  • the invention proposes a control method of the type described above, characterized in that the step of processing and analyzing the signal comprises a frequency phase which consists in recording the recurrent frequencies of the signal by means of mathematical tools, and to verify that said recurring frequencies are within a reference frequency acceptance range, to determine whether the weld bead has a defect.
  • the step of processing and analyzing the signal comprises an amplitude phase which consists of calculating the average amplitude of all or part of the signal and verifying that said amplitude average is within a range of reference mean amplitudes, in order to determine if the weld bead has a defect,
  • the step of processing and analyzing the signal comprises a mean temperature phase which consists of calculating the average temperature of all or part of the signal and verifying that said average temperature is within a reference range of average temperatures, in order to determine if the weld seam has a defect,
  • the step of processing and analyzing the signal comprises an extreme phase which consists in verifying that all or part of the signal is within a reference range of reference extreme temperatures, the range being delimited by a maximum temperature and a minimum reference temperature, in order to determine if the weld bead has a defect, - the method includes a step of locating a defect which consists of locating a fault area by calculation, by means of the temperature signal.
  • the invention also proposes a device for implementing the method, of the type which comprises: a welding tool, and
  • an optical pyrometer comprising a sensor with a high acquisition frequency which is capable of measuring the temperature of the weld bead being melted, characterized in that the sensor is a photodiode of the "InGaAs" type, which is capable of measuring the temperature of the molten material at a frequency greater than 1000 Hertz.
  • the senor is capable of measuring the temperature of the melt at a frequency greater than 3000 Hertz
  • the senor comprises a wavelength adjustment range as a function of the emissivity of the material whose temperature is measured, in order to measure the temperature of the melt with precision, the sensor is arranged so that it measures the temperature of the irradiated or heated zone of the weld seam.
  • FIG. 1 is a schematic view illustrating a device for implementing the method for controlling the quality of a weld seam according to the invention
  • FIG. 2 is a graph whose curve shows a signal representative of the temperature of the molten metal of a weld bead, and is represented as a function of the ordinate temperature and the displacement of the welding tool on the abscissa,
  • FIG. 3 is a graph whose curve illustrates the recurrent frequencies of the temperature signal of FIG. 2, and is plotted as a function of the ordinate amplitude and of the abscissa frequency
  • FIG. first curve illustrates a reference signal
  • a second curve illustrates a temperature signal, as a function of the ordinate temperature and the displacement of the welding tool on the abscissa
  • FIG. 5 is a graph whose curve illustrates a signal the recurrent frequencies of the signal representative of the temperature of the molten metal of a weld bead, and is represented as a function of the ordinate temperature and the displacement of the tool. welding on the abscissa.
  • FIG. 1 shows a device 10 for implementing a method for controlling the quality of a weld seam according to the invention.
  • the device 10 comprises a welding tool 12 which is capable of emitting a beam of laser beams 14 horizontally and longitudinally.
  • the laser beams 14 are emitted towards a mirror 16, which is inclined so as to vertically reflect said laser beams 14, towards a first upper horizontal sheet 18.
  • the first upper horizontal sheet 18 is arranged above a second horizontal lower sheet 24, so that the two sheets 18, 24 are able to be welded together by transparency.
  • the device 10 comprises a lens 22 which is arranged on the path of the laser beams 14, between the first upper plate 18 and the mirror 16, in order to converge the laser beams 14 on the upper face 20 of the first plate 18.
  • the laser beams 14 irradiate the upper face 20 of the upper plate 18 which melt, creating a bath of molten material.
  • irradiation zone Z will be referred to as the region of the upper plate 18 which is irradiated by the laser beams 14.
  • the laser beam 14 is moved regularly, here in a horizontal and longitudinal direction.
  • the device 10 is here carried and moved relative to the two sheets 18, 24 by a robot (not shown).
  • the two sheets 18, 24 are each made of steel and covered with a layer of zinc, such as a sheet metal of the bodywork of a motor vehicle.
  • the two sheets 1 8, 24 are, in known manner, spaced from a vertical clearance (not shown) which is of the order of one tenth of a millimeter and which, in a known manner, allows the evacuation of vaporized zinc at the moment of welding between the two sheets 1 8, 24.
  • the zinc which vaporizes before the steel is melted under the effect of the laser beams 14, can generate a gas overpressure between the two sheets 18, 24, if the vertical clearance between the two sheets is non-existent.
  • This gas overpressure can expel material when the liquid bath is formed, thereby creating defects in the weld, such as holes.
  • the thermal radiation emitted by the irradiation zone Z is picked up by a sensor 28 of an optical pyrometer 26.
  • the optical pyrometer 26 is able to provide a signal S of temperature representative of the temperature measured by the sensor 28.
  • the pyrometer 26 is arranged overall behind the mirror 1 6, on the vertical axis of the laser beams 14 which are reflected by the mirror 1 6 to the plates 1 8, 24 to be welded. Ai nsi, the sensor 28 is arranged away from the irradiation zone Z, which protects especially projections of material.
  • the mirror 166 is permeable to a range of radiations of different wavelengths, especially at the wavelength of the thermal radiation emitted by the irradiation zone Z, so that the thermal radiation emitted by the irradiation zone
  • the sensor 28 of the pyrometer 26 is here a photodiode 28 of the type "I nGaAs", for gallium arsenide and indium, which meets the criteria required for the implementation of the welding control method described later in the description.
  • the "I nGaAs" photodiode is here able to deliver measurements at a frequency greater than 1000 Hz, advantageously greater than or equal to 4000 Hz, that is to say at a frequency greater than the frequency at which physical phenomena occur in the weld during the welding operation.
  • the pyrometer 26 is adjustable, that is to say that the photodiode 28 is here able to be calibrated according to the emissivity of the material at the welding temperatures of the measured surface.
  • the pyrometer 26 is capable of delivering a temperature signal S whose values are exact and representative of the temperature of the measured surface.
  • the photodiode 28 delivers a "light" measurement, which can be analyzed in a short time, advantageously in a time of less than one second.
  • the temperature signal S emitted by the pyrometer 26 is conveyed to a processing unit 30 which is able to perform calculations and analyzes on the temperature signal S.
  • processing unit 30 is connected to the welding tool 12, so that the welding tool is able to transmit information to the processing unit 30, for example information on the power of the radii. lasers 14 emitted.
  • the invention also relates to a method for controlling the quality of the weld seam.
  • the control method comprises a preliminary step EO for determining a plurality of reference measurements, or reference ranges, which serve as reference marks, or acceptance terminals, as will be seen in the following description.
  • the reference measurements obtained during said preliminary step EO are for example calculated, and / or they are for example obtained by observation and analysis of at least one Reference temperature signal Sr which is collected during the realization of a reference weld seam.
  • a reference weld bead means a weld bead that has no defect.
  • the control method comprises a collection step Ec of the temperature signal S, by means of the pyrometer 26, as described above.
  • S here generally denotes a temperature signal of the zone of irradiation Z of the welder to be tested.
  • Figures 2, 4 and 5 illustrate such signals to control, referenced S1, S2, S3 respectively.
  • FIG. 2 shows an example of a temperature signal S1, which is represented as a function of the temperature T on the ordinate and the distance traveled D of the welding tool 12 on the abscissa.
  • the speed of movement of the tool 1 2 is constant and known.
  • the "And" processing and analysis step of the temperature signal which is collected during the collection step Ec is then carried out in order to identify any defects in the weld bead.
  • the processing and analysis step And the temperature signal begins for example at the end of the collection step Ec, or before the end of the collection step Ec, in masked time, so as to optimize the process time.
  • the processing and analysis step And the temperature signal comprises a frequency phase Pf which consists in recording the recurrent frequencies of the temperature signal by means of mathematical tools, here the transform of Fou rier.
  • FIG. 3 shows a graph whose graph C1 illustrates the recurrent frequencies of the temperature signal S1 of FIG. 2, the graph of FIG. 3 including on the abscissa the frequencies F recorded and on the ordinate the amplitude A frequencies F.
  • the recurrent frequencies are representative of the respiration of the capillary of the weld and correspond to the waves of solidification of the weld re.
  • Recurring frequencies are related to the formation of the weld.
  • the frequency phase Pf of the processing and analyzing step Et consists in observing whether the recurrent frequencies belong to a reference frequency acceptance range determined during the preliminary determination step EO reference measures. If the recurring frequencies are outside the reference frequency acceptance range, then the solder is considered defective.
  • the processing and analysis step And the signal comprises an amplitude phase Pa which consists of calculating the mean amplitude of the signal and comparing said average amplitude with respect to a range of average reference amplitudes which is determined at the neck. rs of the preliminary EO step for determining baseline measurements.
  • FIG. 4 shows a graph comprising a first reference signal Sri and a second temperature signal S2, which are represented as a function of the ordered temperature T and the distance traveled D of the tool 1 2 of FIG. welding on the abscissa.
  • the signal S 2 which is here the temperature signal of a weld to be controlled, has a smaller amplitude than the reference signal Sri.
  • the processing and analysis step And the signal comprises an average temperature phase Ptm which consists in calculating the average temperature of the signal and in verifying that said mean temperature does not belong to a reference range of average temperatures determined during the preliminary EO step of determining the reference measurements.
  • the average temperature of the signal S2 is globally 2050 ° Celsius, as shown by the line L1 and the reference range of average temperatures is for example between 2200 ° Celsius and 2400 ° Celsius.
  • the weld is considered to be defective.
  • the processing and analysis stage And the signal includes an extreme phase Pe which consists in verifying that all or part of the signal recorded is within a reference range of extreme temperatures, the range being delimited by a maximum temperature and a temperature. minimum.
  • FIG. 5 shows a graph comprising a portion of a temperature signal S3 which is represented as a function of the temperature T on the ordinate and the distance traveled D of the welding tool 12. abscissa.
  • the signal S3 reaches a maximum temperature close to 2600 ° Celsius and a minimum temperature of about 1400 ° Celsius.
  • the weld is estimated defective.
  • the reference range of extreme temperatures is for example between 2400 ° Celsius and 2000 ° Celsius.
  • a more detailed analysis consists in taking into account the time during which the temperature signal to be controlled is outside the reference range of extreme temperatures, which allows for example to determine the nature of the defect of the weld.
  • the method comprises a location step El, which consists of locating the fault. Indeed, knowing the frequency of acquisition of the sensor
  • control method according to the invention can be completed by at least one additional control, such as a profilometry control.

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Abstract

L'invention concerne un 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 de collecte, 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, et de traitement et d'analyse dudit signal en vue d'identifier d'éventuels défauts du cordon de soudure, caractérisé en ce que l'étape de traitement et d'analyse du signal comporte une phase fréquence qui consiste à vérifier que les fréquences récurrentes sont comprises dans une plage d'acceptation de fréquences de référence, afin de déterminer si le cordon de soudure comporte un défaut.

Description

"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.

Claims

REVEN DICATIONS
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 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 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 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.
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 moyenne est comprise dans une plage de référence de températures moyennes, afin de déterminer si le cordon de soudure comporte un défaut.
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 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 (1 0) pour mettre en œuvre 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 "I nGaAs", qui est apte à mesurer la température de la matière en fusion à une fréquence supérieure à 1 000 Hertz.
7. Dispositif (1 0) 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.
8. 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.
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.
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