Procédé de soudage continu de bandes mobiles à l'aie d'un laser.
La présente invention est un perfectionnement au brevet
belge N[deg.] 847.586 appelé ci-après brevet principal.
Elle se rapporte à un procédé'de soudage continu de
bandes d'une matière en feuille, à grande vitesse, à l'aide
d'un faisceau laser constituant la source d'énergie de soudage,
ainsi qu'aux soudures réalisées à l'aide d'un tel procédé.
Deux conditions doivent être satisfaites lors du
soudage d'une matière en feuille à grande vitesse linéaire.
L'énergie de soudage doit être transmise aux pièces à souder avec une densité élevée afin que le chauffage soit localisé, et la soudure doit être formée rapidement avant que la chaleur diffuse dans la masse de métal. Jusqu'à présent, la composition de la matière avait une importance particulière pour le réglage de la vitesse de soudage, notamment lorsque la matière était
un métal conducteur tel que de l'aluminium. Dans les procédés classiques de soudage électrique et sous la protection d'un gaz, la vitesse de soudage est limitée à moins de 12 mètres par minute environ, même pour une matière métallique peu épaisse,
car le chauffage n'est pas suffisamment localisé, une quantité importante de chaleur étant perdue dans la masse du métal et au voisinage de celle-ci. Le soudage par résistance à haute fréquence permet une grande vitesse atteignant dans certains cas
90 à 120 m/minute, mais uniquement dans un nombre limité de configurations présentant une zone de contact étroite dans laquelle se concentre l'énergie de soudage. Un faisceau électronique est une source à densité élevée d'énergie, mais il faut
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élevée d'énergie sur une distance raisonnable. Jusqu'à présent, tous les procédés de soudage connus,ou bien ne permettent pas de souder des pièces à une vitesse raisonnablement élevée
d'au moins 30 m/minute, notamment des pièces en tôle d'aluminium, ou bien sont limités par des restrictions portant sur des configurations spécifiques et par des exigences portant sur des dispositifs de montage qui sont irréalisables en pratique..
On a découvert, suivant l'invention, qu'on peut former un joint continu entre des pièces mobiles en matière en feuille en utilisant un faisceau laser comme source d'énergie, pourvu que certains critères primordiaux soient satisfaits. Les faisceaux laser ont déjà été utilisés successivement comme sources à puissance et densité d'énergie élevées, pour former des soudures par pénétration profonde et des soudures par points. Dans toutes les applications connues des lasers dans le domaine du soudage, on a cherché à augmenter la puissance donnant une pénétration plus profonde. Le procédé selon l'invention n'est pas limité à une densité minimale particulière d'énergie. En fait, la pénétration dans toute l'épaisseur des pièces n'est
pas souhaitable dans le procédé de l'invention et elle est même nuisible dans certaines applications. En d'autres termes, le procédé conforme à l'invention permet de former, entre des bandes de matière en feuille, une soudure qui n'est pas visible, sauf à ses extrémités. On peut utiliser une source laser quelconque, bien qu'il existe des restrictions à la vitesse de soudage pour des lasers de puissance réduite. Lors de l'utilisa-
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de soudage pouvant atteindre 150 rn/minute avec une excellente qualité de soudure.
On constate que la soudure produite par le procédé conforme à l'invention est une soudure "par fusion", définie .-après comme étant la coalescence entre les matières de base qui sont amenées à l'état fondu dans la zone de fusion; la soudure
est en outre caractérisée par l'absence d'une "zone perturbée
par la chaleur" dans la matière environnante de base. Une telle zone perturbée par la chaleur est la partie du métal de base qui est adjacente à la zone de fusion et qui n'a pas été fondue, mais dont les propriétés mécaniques ou la microstructure ont été perturbées par la chaleur utilisée pour la formation de la soudure. L'absence d'une telle zone perturbée autour de la zone de fusion est définie aux fins de l'invention comme étant l'impossibilité de détecter des perturbations de microstructure à l'aide d'un microscope optique classique avec un grossissement pouvant aller. jusqu' à 100. Dans ces circonstances, l'importance des perturbations de la microstructure est inférieure à 10 microns.
Tous les procédés de soudage actuellement connus donnent une soudure présentant une zone perturbée par la chaleur qui est nettement discernable et visible le plus souvent à l'oeil nu seul. Les soudures classiques connues au laser et au faisceau électronique donnent des jonctions soudées présentant une zone perturbée importante apparaissant sur les microphotographies avec un grossissement de 50 au microscope optique.
Selon le procédé de soudage continu de bandes mobiles
de matière en feuille conforme à l'invention :
- on dirige au moins une des bandes mobiles vers l'autre afin que les bandes forment entre elles un V convergent,
- on exerce une force non nulle à un endroit contigu au point de convergence des bandes mobiles, de manière que celles-ci se recouvrent et soient en contact étroit au point de convergence, et
- on dirige un faisceau d'énergie laser dans le V convergent afin qu'une soudure continue se forme entre les bandes mobiles qui se recouvrent.
De plus, la soudure continue comprend un noyau de soudage par fusion formé entre deux matières de base et caractérisé par l'absence d'une zone environnante perturbée par la chaleur.
On a également découvert, suivant l'invention, que lorsque la source de faisceau laser doit être utilisée de façon optimale, le faisceau laser doit être focalisé pratiquement dans le plan de symétrie et dans une plage très étroite pour le
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gence jusqu'à un point qui se trouve encore plus en aval. Dans le présent mémoire, l'expression "utilisation optimale de la source de faisceau laser" désigne l'aptitude à la formation d'une soudure continue à une vitesse la plus grande possible avec la plus faible quantité d'énergie laser. Cette possibilité de rendre minimale l'énergie du laser et de souder cependant à grande vitesse ne doit pas être sous-estimée car elle correspond à un avantage économique important par rapport à un système quidoit sinon dépendre de lasers de plus grande puissance pour former une soudure continue à grande vitesse.
Cela étant, l'invention a pour but principal de procurer un procédé pour souder des feuilles mobiles d'une matière en bande, à grande vitesse, à l'aide d'un faisceau laser, afin de former un joint soudé entre les bandes en mouvement.
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l'absence d'une zone perturbée par la chaleur.
D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description détaillée donnée ci-après à titre d'exemple avec référence aux dessins annexés dans lesquels :
la Fig, 1 est une vue en plan d'un appareil préféré servant à mettre en oeuvre le procédé conforme à l'invention;
la Fig. 2 est un graphique illustrant la qualité de la soudure en fonction de l'emplacement du foyer, lors de l'utilisation d'objectifs ayant deux longueurs focales différentes, pour des jeux de paramètres par ailleurs identiques;
les Fig� 3a à 3e représentent, à plus grande échelle, le V de convergence formé entre les rouleaux presseurs et elles illustrent les effets des paramètres suivants sur le soudage:
position du foyer, distance focale et diamètres des rouleaux presseurs,et
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sées avec un grossissement égal à 100 de la soudure formée entre deux bandes de feuille d'aluminium à des vitesses de 120 et
150 m/minute respectivement.
La Fig. 1 représente un appareil destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Deux bandes d'une matière <EMI ID=6.1>
l'autre et forment un V, c'est-à-dire une configuration convergente, lés deux bandes 10 et 12 se recouvrant au point de convergence 18. Les bandes 10 et 12 sont mises en contact par des rouleaux presseurs A et B respectivement. Pour plus de simplicité, on suppose, dans la description suivante, que les rouleaux presseurs A et B sont essentiellement non compressibles et que, par conséquent, ils ne se déforment pas ou ne s'aplatissent pas si bien que le point de convergence 18 est égal, dans le cas présent, au point de tangence entre les rouleaux presseurs ou coihcide avec ce point. Par l'expression "point de convergence" on entend le point où les bandes convergentes sont amenées initialement au contact étroit l'une avec l'autre. Par l'expression "point de tangence", on entend le point unique où deux rouleaux presseurs ronds incompressibles arrivent juste à se toucher.
Dans le cas de rouleaux presseurs compressibles, le point de tangence peut être défini comme étant le point milieu de la ligne de contact formée par les rouleaux.
Des rouleaux fous 20 et 22 peuvent faciliter la manipulation des bandes 10 et 12 et maintenir leur tension lors de
leur tirage. Bien que les deux feuilles 10 et 12 aient été représentées dans l'appareil de la Fig. 1, sous la forme d'une bande enroulée de grande longueur, il est à noter que les bandes 10 et
12 ne sont pas forcément de grande longueur. Lorsque les bandes de matière ont une longueur limitée déterminée, un autre dispositif de distribution est nécessaire pour amener les bandes au traitement, de
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seurs A et B. On connaît des dispositifs de distribution qui conviennent avec un appareillage classique et qui transmettent de façon continue ou discontinue et à des intervalles de temps déterminés, des bandes de matière de longueur limitée, d'une manière convenant au procédé selon l'invention.
Lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les bandes 10 et 12 peuvent être faites de n'importe quelle composition de matière plastique ou de métal, bien que les compositions des deux feuilles doivent être sensiblement compatibles. En outre, les propriétés de la matière en feuille', c'est-à-dire
sa conductivité et son pouvoir de diffusion thermique, ne constituent pas des restrictions. En conséquence, le procédé convient particulièrement bien au soudage de métaux conducteurs comme l'aluminium et le cuivre. De plus, l'épaisseur de la matière n'est limitée que par des considérations pratiques de manipulation et de vitesse. Ainsi, des matières en feuille allant de très faibles épaisseurs de 25 microns seulement à des
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soudées au moyen du procédé conforme à l'invention.
Les bandes 10 et 12 sont tirées entre les rouleaux
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tirent les bandes en aval du point de convergence 18 et selon
un trajet prédéterminé et de préférence invariable, dans le sens indiqué par les flèches sur la Fig. 1. Bien qu'il soit préférable que les bandes 10 et 12 soient tirées entre les rouleaux A et B depuis un point qui se trouve en aval des rouleaux, les bandes peuvent aussi être guidées en amont des rouleaux presseurs ou, en variante, par entraînement des rouleaux presseurs eux-mêmes. La vitesse d'entraînement des bandes entre les rouleaux A et B est un paramètre qui est influence, de la manière décrite en détail dans la suite du présent mémoire.
Une source classique 30 d'énergie laser crée un faisceau laser 32 qui est focalisé optiquement par un objectif ou len-
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partie convergente en V délimitée entre les bandes mobiles 10 et
12. La puissance du laser 32 n'est pas un paramètre primordial pour la formation d'un joint soudé entre les bandes en mouvement;
c'est en réalité un des paramètres qui permet de déterminer la
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donnée quelconque, il existe une relation optimale entre la distance focale, la-position du foyer par rapport au point de convergence, le diamètre du faisceau, l'orientation du faisceau, le diamètre des rouleaux presseurs et la vitesse de soudage, donnant une soudure de qualité acceptable. En réalité, la focalisation adéquate du faisceau laser 32 dans le V est essentielle à l'obtention d'une soudure, indépendamment de la puissance du laser. En outre, la focalisation adéquate selon l'invention assure une utilisation optimale de l'énergie du laser.. La focalisation du faisceau est décrite plus en détail par la suite avec référence aux Fig. 2 et 3.
Les rouleaux presseurs A et B ont un rôle primordial, en coopération avec la focalisation adéquate du faisceau, dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. On détermine que les bandes 10 et 12 doivent non seulement être en butée l'une
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gence 18, mais doivent en outre supporter une force de compression ayant au moins une valeur nominale, à l'emplacement correspondant. L'absence totale d'une pression provoque l'absence totale de formation de soudure continue entre les bandes en mouvement, même à des vitesses nettement réduites, pour des valeurs par ailleurs optimales des paramètres; la valeur de la force
de compression ne paraît pas primordiale pourvu qu'une certaine pression soit réellement appliquée. Une pression trop forte
est en réalité un inconvénient et peut provoquer une déformation physique.
Il faut noter que la soudure à former entre les bandes en mouvement doit présenter une continuité lors de l'avancement des bandes. Un défaut de continuité dans le joint soudé équivaut à une absence totale de soudure, dans le cadre du présent mémoire. La continuité de la soudure peut être établie simple-
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demment, la qualité de la soudure dépend de la satisfaction de certains critères de pression minimale au moins, dépendant de l'application à laquelle les bandes soudées sont destinées.
Les rouleaux presseurs A et B sont de préférence
des rouleaux presseurs classiques ayant une périphérie circulaire et une élasticité prédéterminée. Un autre dispositif convient, pourvu qu'il ait un contour curviligne à l'approche du point de convergence. Les diamètres des rouleaux presseurs A et B sont égaux pour des raisons de symétrie de la soudure.
Les Fig. 2 et 3 indiquent l'importance de la focalisation et du diamètre des rouleaux presseurs A et B sur la qualité de la soudure.
Pour réaliser une soudure, le faisceau laser doit être focalisé dans le V, pratiquement au point de convergence. Comme
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gence coïncide avec le point de tangence pourvu que les rouleaux presseurs A et B soient essentiellement non compressibles. Toutefois, dans la pratique, il est préférable d'utiliser des rouleaux presseurs élastiques qui se déforment ou s'aplatissent au point où les rouleaux viennent en contact avec les bandes 10 et
12 ou au voisinage de ce point. Cette déformation ou cet aplatissement des rouleaux a pour effet de décaler le point de convergence des bandes 10 et 12 ou de l'écarter du point de tangence, de sorte que le point de convergence entre les bandes 10 et 12 est maintenant situé vers l'amont.
La latitude de variation de la focalisation du faisceau laser dépend essentiellement de la distance focale, du diamètre du faisceau, du diamètre des rouleaux presseurs et de la vitesse à obtenir. Les Fig. 2 et 3a-e ont été tracées à la suite d'un certain nombre d'essais réalisés avec un laser à C02 de 1 kW, fonctionnant de façon continue à 10,6 microns, ayant un faisceau de sortie de 12,7 mm de diamètre en mode TEM 00 focalisé par
un objectif ayant une distance focale de 63,5 ou 95,3 mm, selon le cas, en un point focal ou foyer dont le diamètre est d'environ 0,1 mm, en des points fl, f2 et f3. Un certain nombre de positions supplémentaires du foyer par rapport au point de tangence
a été utilisé pour l'établissement du graphique de la Fig. 2. L'extrapolation des Fig. 2 et 3 montre l'importance des critères qui suivent pour la formation d'un joint soudé continu à grande vitesse, c'est-à-dire à une vitesse supérieure à 30 m/minute
au point :
(a) Le faisceau laser doit être introduit pratiquement le long du "plan de symétrie" qui, comme indiqué ci-après, est le plan qui passe par le point de tangence 18 entre les rouleaux presseurs A et B qui est perpendiculaire à la ligne la plus courte pouvant être tracée entre les milieux des axes des rouleaux pres--
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le faisceau laser est décalé du plan de symétrie et se trouve dans un plan parallèle au plan de symétrie, il se forme une soudure non symétrique entre les bandes. L'importance de l'asymétrie est directement proportionnelle au décalage. Cependant, la position du joint soudé dans le plan de symétrie est réglable sur une large plage pouvant atteindre au moins - 30[deg.] pourvu que
le foyer soit maintenu en position relativement précise, comme indiqué par la suite.
(b) Lorsque l'utilisation optimale de la source du faisceau laser n'est pas nécessaire et lorsque le faisceau a une puissance suffisante, le foyer peut être disposé pratiquement au point de convergence 18. Lorsque, cependant, l'utilisation doit être optimale, le foyer du laser doit être maintenu dans une plage étroite de positions du foyer, allant pratiquement du point de convergence à un emplacement qui se trouve en aval. Comme
indiqué précédemment, l'expression "utilisation optimale" désigne
aux fins de l'invention la possibilité de la formation d'une
soudure continue à la plus grande vitesse possible et avec la
plus faible quantité d'énergie laser. La Fig. 2 représente la variation de la pression avec la position du foyer par rapport
au point de tangence, pour des objectifs ayant des distances focales de 63,5 et de 95,3 mm (avec un diamètre de faisceau de
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représente le cas où les rouleaux presseurs A et B sont non compressibles et où par conséquent le point de tangence et le point de convergence sont équivalents. Lorsque cela n'est pas
le cas, la position du foyer ne peut être rapportée au point de tangence comme sur la Fig. 2, mais doit être rapportée au con-
traire directement au point de convergence. La plage de variation des positions du foyer, donnant un joint soudé acceptable
et non interrompu entre les bandes en mouvement, varie avec les
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précédemment et focalisé dans le plan de symétrie sur deux bandes d'aluminium se déplaçant à une vitesse d'au moins 120 m/minute, les rouleaux A et B ayant un diamètre de 28,6 mm, la plage acceptable de variation des positions du foyer n'a qu'une longueur d'environ 1,8 mm dans le cas de l'objectif à distance focale de
63,5 mm et d'environ 3,3 mm dans le cas de l'objectif de 9513 mm. Il est intéressant et tout-à-fait surprenant de noter que la plage de positions du foyer s'étend depuis un point voisin du point de convergence vers l'aval seulement.
La plage de variations du foyer peut être élargie
par réduction du-.diamètre des rouleaux A et B et/ou de la vitesse utilisée et/ou par augmentation de la puissance du faisceau laser et/ou de la distance focale. Cependant, on suppose que, lors d'une opération à grande vitesse, on ne peut pas obte-nir une soudure acceptable entre les bandes sans focalisation
du faisceau en un point qui se trouve pratiquement au point de convergence ou au-delà de celui-ci, c'est-à-dire en aval, même lors de l'utilisation d'un faisceau laser de puissance sensiblement plus élevée.
(c) Le passage d'un faisceau laser qui a une configuration géométrique conique, dans la partie convergente en V formée par les bandes mobiles 10 et 12, peut provoquer une certaine obstruction du faisceau suivant la dimension du cône de convergence de la lumière, c'est-à-dire suivant la distance focale, la position du foyer et le diamètre des rouleaux presseurs. Pour les positions indiquées précédemment pour le foyer, l'obstruction du faisceau laser par les rouleaux est inévitable. Dans certains cas, cette obstruction peut en réalité être souhaitable. Lorsque le faisceau frappe le rouleau presseur, une partie de l'énergie est réfléchie dans la partie en V donc dans la zone active de soudage, une partie est absorbée par les bandes mobiles et se transforme en chaleur, et une partie est diffusée
et est perdue. Plus l'endroit où l'obstruction se produit est éloigné du point de convergence, plus la fraction d'énergie
perdue est élevée.
La relation entre l'obstruction éventuelle, la position du foyer, le diamètre des rouleaux presseurs et la distance focale est indiquée sur les Fig. 3a à 3e sur lesquelles le diamètre
des rouleaux A et B varie entre 28,6 mm et 50,8 mm, et l'objectif
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au diamètre des rouleaux A et B tient compte de l'épaisseur des bandes 10 et 12. Le diamètre du faisceau laser est dans tous les cas de 12,7 mm. Pour une position fl du foyer, placé en aval du point 18 de tangence, comme indiqué sur les Fig. 3a et 3b, l'obstruction a lieu au point C pour les rouleaux A et B <EMI ID=21.1>
comme indiqué sur la Fig. 3a, et au point D dans le cas des rouleaux de 50,8 mm de diamètre, avec la même lentille, comme représenté sur la Fig. 3b. Dans le cas d'une position f2 du foyer qui se trouve au point de tangence 18, comme indiqué sur
la Fig. 3c, lors de l'utilisation de l'objectif de même distance focale de 63,5 mm et des rouleaux A et B de 50,8 mm de diamètre, l'obstruction a lieu au point E. Dans le cas d'un faisceau de
12,7 mm de diamètre et d'un objectif de 95,3 mm de distance focale, focalisé au point fl comme indiqué sur la Fig. 3d, avec
des rouleaux A et B de 28,6 mm de diamètre, l'obstruction a lieu au point F qui est plus près du point de tangence que les points C, D et E. Ce phénomène confirme le fait que l'obstruction du faisceau peut être réduite par augmentation de la distance focale. L'évaluation empirique des soudures obtenues avec les montages des Fig. 3a à 3d indique que l'objectif ayant une distance focale de 63,5 mm donne une soudure de meilleure qualité avec les rouleaux de plus petit diamètre et que l'objectif de 95,3 mm de distance focale donne une soudure supérieure sur une plage plus large avec les rouleaux de plus petit diamètre. En conséquence, les autres conditions étant inchangées par ailleurs, les rouleaux de petit diamètre donnent un rendement supérieur en énergie.
Lorsque l'obstruction est maintenue suffisamment près du point de convergence, la configuration en V assure une canalisation efficace de l'énergie du laser dans la zone de soudage. La troisième position f3 du foyer, représentée sur la Fig. 3e,
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de 63,5 mm de distance focale et les rouleaux A et B de 28,6 mm de diamètre, correspond à un emplacement qui précède directement le point de tangence 18, c'est-à-dire qui se trouve légèrement en amont
de celui-ci. Dans ce cas, malgré l'absence d'obstruction du faisceau et la proximité du foyer et du point de tangence 18, on ne peut pas obtenir une soudure continue. Ainsi, la puissance du faisceau laser est loin d'avoir l'importance des autres paramètres à savoir l'emplacement du foyer, la dimension du cône lumineux convergent, déterminée par la distance focalé et le diamètre du faisceau, et le diamètre des rouleaux, comme indiqué précédemment dans les paragraphes (a), (b) et (c), sur la formation d'une soudure continue, lorsque la source laser doit être utilisée de façon optimale. En outre, les propriétés de la configuration en V permettent une absorption plus efficace de l'énergie du laser permettant l'augmentation des vitesses de soudage et empêchent le bourrage de la matière soudée.
Le dernier phénomène est une difficulté couramment associée au soudage des bords des tronçons minces.
. La description .qui précède suppose évidemment que les rouleaux presseurs A et B ne sont pas élastiques. Si les rouleaux sont élastiques, le point focal peut être déplacé vers l'amont du point de tangence, ce qui diminue l'obstruction, mais le point focal peut encore être maintenu au point de convergence ou en aval de celui-ci. Ceci contribue bien entendu à maintenir l'obstruction suffisamment proche du point de convergence en substance de la même manière qu'une augmentation de la distance focale ou qu'une réduction du diamètre des rouleaux. Une obstruction trop importante n'est pas souhaitable parce qu'elle entraîne un préchauffage inutile d'une grande quantité de matière qui ne sera jamais fondue.
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de soudures obtenues par mise en oeuvre du procédé de l'invention,
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et dans des conditions qui correspondent aux critères décrits précédemment, dans le cas de bandes d'aluminium ayant une épais-
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nue avec une vitesse de soudage de 120 m/min et les Fig. 5a et 5b celle qui est obtenue à une vitesse de 150 m/min. Les photomicrographies sont réalisées avec un microscope optique classique
à un grossissement de 100. -Dans tous les cas, la soudure a la microstructure caractéristique à toutes les soudures obtenues par fusion mais ne présente pas de zone perturbée par la chaleur avec un tel grossissement. Normalement, comme indiqué précédemment, une zone perturbée par la chaleur est visible à l'oeil nu.
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versales indiquant ainsi la continuité de la soudure le long du cordon. La soudure obtenue à 120 m/min a une section plus circulaire que celle qui est obtenue à 150 m/min comme indiqué par comparaison des Fig. 4b et 5b. Les soudures sont symétriques et ont une épaisseur qui ne vaut qu'une fraction de l'épaisseur de la bande. En fait, l'épaisseur de la soudure est pratiquement indépendante de l'épaisseur de la bande.
Les exemples précédents concernent des bandes d'aluminium. On essaie d'autres matières qui indiquent que l'invention s'applique à l'acier au carbone, à l'acier inoxydable, au cuivre, au laiton et à des matières différentes, représentées par des combinaisons des métaux précités, toutes ces matières donnant des soudures continues tout aussi satisfaisantes. Ainsi, l'invention n'est pas limitée à une composition particulière des bandes de matière. En outre, la soudure formée dans tous les cas, sauf dans le cas des aciers inoxydables et au carbone, se caractérise par l'absence d'une zone perturbée par la chaleur.
Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite
et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on peut apporter toute équivalence technique dans les éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. Par exemple, bien que la Fig. 1 représente un système avantageux dans lequel le faisceau laser est dirigé pratiquement dans le plan de symétrie, sa composante vectorielle principale se trouvant dans le sens du parcours, un. autre mode de réalisation comprend la disposition des bandes afin qu'elles forment une configuration en V et le déplacement des bandes par rapport aux faisceau laser afin que la composante vectorielle principale du faisceau soit perpendiculaire à la direction de parcours.
REVENDICATIONS
1.- Procédé de soudage continu de bandes d'une matière
en feuille métallique flexible, tandis que ces bandes se déplacent, caractérisé en ce que :
(a) on dirige les bandes en mouvement l'une vers l'autre afin que les deux bandes forment une configuration
convergente en V entre elles;
(b) on exerce une force non nulle à un endroit contigu au point de convergence des bandes en mouvement afin que celles-ci
se recouvrent en étant en contact intime au point de convergence;
(c) on maintient la vitesse des bandes en mouvement au moins à environ 30 m/m�nute;
(d) on produit un faisceau d'énergie laser;
(e) on prévoit un milieu optique pour focaliser le faisceau laser;
(f) on focalise le faisceau laser à l'aide du milieu optique pour produire un faisceau d'énergie laser convergent, et
(g) on dirige le faisceau d'énergie laser convergent
dans la configuration en V, le point focal étant disposé en
substance environ au point de convergence, de telle sorte qu'un
joint soudé continu se forme entre les bandes qui se recouvrent.
Continuous welding process of moving bands using a laser.
The present invention is an improvement to the patent
Belgian N [deg.] 847,586 hereinafter referred to as the main patent.
It relates to a continuous welding process of
strips of sheet material, at high speed, using
a laser beam constituting the welding energy source,
as well as to welds made using such a process.
Two conditions must be satisfied when
welding of sheet material at high linear speed.
Welding energy must be transmitted to the parts to be welded with a high density so that the heating is localized, and the weld must be formed quickly before the heat diffuses into the mass of metal. Until now, the composition of the material was of particular importance for the adjustment of the welding speed, especially when the material was
a conductive metal such as aluminum. In conventional electric welding processes and under the protection of a gas, the welding speed is limited to less than approximately 12 meters per minute, even for a thin metal material,
because the heating is not sufficiently localized, a significant amount of heat being lost in the mass of the metal and in the vicinity thereof. High frequency resistance welding allows high speed reaching in some cases
90 to 120 m / minute, but only in a limited number of configurations with a narrow contact zone in which the welding energy is concentrated. An electron beam is a high density source of energy, but it takes
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high energy over a reasonable distance. Until now, all known welding methods, or else do not allow parts to be welded at a reasonably high speed
at least 30 m / minute, in particular sheet aluminum parts, or are limited by restrictions on specific configurations and by requirements on mounting devices which are impracticable in practice.
It has been discovered in accordance with the invention that a continuous seal can be formed between movable sheet material parts using a laser beam as a source of energy, provided certain primary criteria are met. Laser beams have already been used successively as sources with high power and high energy density, to form deep penetration welds and spot welds. In all the known applications of lasers in the field of welding, attempts have been made to increase the power giving deeper penetration. The method according to the invention is not limited to a particular minimum energy density. In fact, penetration through the entire thickness of the parts is not
not desirable in the method of the invention and it is even harmful in certain applications. In other words, the method according to the invention makes it possible to form, between strips of sheet material, a weld which is not visible, except at its ends. Any laser source can be used, although there are restrictions on the welding speed for lower power lasers. When using
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welding capacity up to 150 rn / minute with excellent welding quality.
It is found that the weld produced by the process according to the invention is a "fusion" weld, hereinafter defined as being the coalescence between the base materials which are brought to the molten state in the fusion zone; the welding
is further characterized by the absence of a "disturbed zone
by heat "in the surrounding base material. Such a heat-disturbed zone is the part of the base metal which is adjacent to the melting zone and which has not been melted, but whose mechanical properties or microstructure were disturbed by the heat used for the formation of the weld. The absence of such a disturbed zone around the melting zone is defined for the purposes of the invention as being the impossibility of detecting disturbances of the microstructure at the same time. Using a conventional optical microscope with a magnification of up to 100. Under these circumstances, the magnitude of the disturbances in the microstructure is less than 10 microns.
All currently known welding methods give a weld having a zone disturbed by heat which is clearly discernible and most often visible to the naked eye alone. Conventional known laser and electron beam welds give welded junctions with a large disturbed area appearing in photomicrographs at 50 magnification under an optical microscope.
According to the continuous welding process of moving bands
of sheet material according to the invention:
- at least one of the mobile bands is directed towards the other so that the bands form a converging V between them,
- a non-zero force is exerted at a place adjacent to the point of convergence of the mobile bands, so that they overlap and are in close contact at the point of convergence, and
- We direct a beam of laser energy in the converging V so that a continuous weld is formed between the mobile bands which overlap.
In addition, the continuous weld comprises a fusion weld core formed between two base materials and characterized by the absence of a surrounding area disturbed by heat.
It has also been found according to the invention that when the laser beam source is to be used optimally, the laser beam must be focused substantially in the plane of symmetry and in a very narrow range for the
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gence to a point further downstream. In this specification, the term "optimum use of the laser beam source" refers to the ability to form a continuous weld at the highest possible speed with the lowest amount of laser energy. This possibility of minimizing the energy of the laser and yet welding at high speed should not be underestimated because it corresponds to a significant economic advantage compared to a system which must otherwise depend on higher power lasers to form a weld. continues at high speed.
However, the main object of the invention is to provide a method for welding loose sheets of strip material, at high speed, using a laser beam, in order to form a welded joint between the strips. movement.
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the absence of a heat disturbed area.
Other objects and advantages of the invention will emerge clearly from the detailed description given below by way of example with reference to the appended drawings in which:
Fig, 1 is a plan view of a preferred apparatus for carrying out the method according to the invention;
Fig. 2 is a graph illustrating the quality of the weld as a function of the location of the focal point, when using lenses having two different focal lengths, for otherwise identical sets of parameters;
the Figs � 3a to 3e represent, on a larger scale, the convergence V formed between the pressure rollers and they illustrate the effects of the following parameters on the welding:
focus position, focal length and diameters of the pressure rollers, and
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sized with a magnification equal to 100 of the weld formed between two strips of aluminum foil at speeds of 120 and
150 m / minute respectively.
Fig. 1 represents an apparatus intended for the implementation of the method according to the invention. Two bands of one material <EMI ID = 6.1>
the other and form a V, that is to say a converging configuration, the two bands 10 and 12 overlapping at the point of convergence 18. The bands 10 and 12 are brought into contact by pressure rollers A and B respectively . For simplicity, it is assumed in the following description that the pressure rollers A and B are essentially non-compressible and that, therefore, they do not deform or flatten out so that the point of convergence 18 is equal, in this case, to the point of tangency between the pressure rollers or coincides with this point. By the term "point of convergence" is meant the point where the converging bands are initially brought into close contact with each other. By the expression "point of tangency" is meant the single point where two round incompressible pressure rollers just come into contact with each other.
In the case of compressible pressure rollers, the point of tangency can be defined as being the midpoint of the contact line formed by the rollers.
Idler rollers 20 and 22 can facilitate the handling of the bands 10 and 12 and maintain their tension when
their draw. Although both sheets 10 and 12 have been shown in the apparatus of FIG. 1, in the form of a coiled strip of great length, it should be noted that the strips 10 and
12 are not necessarily very long. When the strips of material have a determined limited length, another distribution device is necessary to bring the strips to treatment,
<EMI ID = 7.1>
sors A and B. Distributing devices are known which are suitable for conventional equipment and which transmit continuously or discontinuously and at determined time intervals, strips of material of limited length, in a manner suitable for the process according to the invention. 'invention.
When carrying out the method according to the invention, the strips 10 and 12 can be made of any plastic or metal composition, although the compositions of the two sheets must be substantially compatible. In addition, the properties of the sheet material ', i.e.
its conductivity and thermal diffusion power do not constitute restrictions. Accordingly, the method is particularly suitable for welding conductive metals such as aluminum and copper. In addition, the thickness of the material is limited only by practical considerations of handling and speed. Thus, sheet materials ranging from very thin thicknesses of only 25 microns to
<EMI ID = 8.1>
welded by means of the method according to the invention.
Strips 10 and 12 are pulled between the rollers
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pull the bands downstream from the point of convergence 18 and according to
a predetermined and preferably invariable path, in the direction indicated by the arrows in FIG. 1. Although it is preferable that the webs 10 and 12 are drawn between the rollers A and B from a point which is downstream of the rollers, the webs can also be guided upstream of the pressure rollers or, alternatively, by drive the pressure rollers themselves. The speed at which the webs are driven between rollers A and B is a parameter which is influenced, as described in detail hereinafter.
A conventional laser energy source 30 creates a laser beam 32 which is optically focused by an objective or lens.
<EMI ID = 10.1>
converging V-shaped part delimited between the mobile bands 10 and
12. The power of the laser 32 is not an essential parameter for the formation of a welded joint between the moving bands;
it is in fact one of the parameters which makes it possible to determine the
<EMI ID = 11.1>
given any given, there is an optimal relation between the focal length, the position of the focus with respect to the point of convergence, the diameter of the beam, the orientation of the beam, the diameter of the pressure rollers and the welding speed, resulting in a weld of acceptable quality. In fact, proper focus of laser beam 32 in the V is critical to achieving a weld, regardless of laser power. Furthermore, the adequate focusing according to the invention ensures optimum use of the energy of the laser. The focusing of the beam is described in more detail below with reference to FIGS. 2 and 3.
The pressure rollers A and B have an essential role, in cooperation with the adequate focusing of the beam, in the implementation of the method according to the invention. It is determined that the bands 10 and 12 must not only be in abutment one
<EMI ID = 12.1>
gence 18, but must additionally withstand a compressive force having at least a nominal value, at the corresponding location. The total absence of pressure causes the total absence of continuous weld formation between the moving bands, even at markedly reduced speeds, for otherwise optimal values of the parameters; the value of strength
compression does not appear to be essential as long as a certain pressure is actually applied. Too much pressure
is actually an inconvenience and can cause physical deformation.
It should be noted that the weld to be formed between the moving bands must have continuity as the bands advance. A lack of continuity in the welded joint is equivalent to a complete absence of welding, for the purposes of this memorandum. The continuity of the weld can be established simple-
<EMI ID = 13.1>
<EMI ID = 14.1>
As a result, the quality of the weld depends on the satisfaction of certain minimum pressure criteria at least, depending on the application for which the welded bands are intended.
The pressure rollers A and B are preferably
conventional pressure rollers having a circular periphery and a predetermined elasticity. Another device is suitable, provided it has a curvilinear contour as it approaches the point of convergence. The diameters of the pressure rollers A and B are equal for reasons of symmetry of the weld.
Figs. 2 and 3 indicate the importance of the focus and the diameter of the pressure rollers A and B on the quality of the weld.
To make a weld, the laser beam must be focused in the V, almost at the point of convergence. As
<EMI ID = 15.1>
gence coincides with the point of tangency provided that the pressure rollers A and B are substantially non-compressible. However, in practice, it is preferable to use resilient pressure rollers which deform or flatten out to the point where the rollers come into contact with the bands 10 and 10.
12 or near this point. This deformation or flattening of the rollers has the effect of shifting the point of convergence of the strips 10 and 12 or away from the point of tangency, so that the point of convergence between the strips 10 and 12 is now located towards the upstream.
The latitude for varying the focusing of the laser beam depends essentially on the focal length, the diameter of the beam, the diameter of the pressure rollers and the speed to be obtained. Figs. 2 and 3a-e were plotted following a number of tests performed with a 1 kW CO2 laser, continuously operating at 10.6 microns, having an output beam of 12.7 mm of diameter in TEM 00 mode focused by
an objective having a focal length of 63.5 or 95.3 mm, as the case may be, at a focal point or focal point the diameter of which is approximately 0.1 mm, at points f1, f2 and f3. A number of additional positions of the focus relative to the point of tangency
was used for the establishment of the graph of FIG. 2. The extrapolation of Figs. 2 and 3 show the importance of the following criteria for the formation of a continuous welded joint at high speed, that is to say at a speed greater than 30 m / minute
on point :
(a) The laser beam should be introduced substantially along the "plane of symmetry" which, as shown below, is the plane which passes through the point of tangency 18 between the pressure rollers A and B which is perpendicular to the line the shortest that can be drawn between the midpoints of the axes of the press rolls
<EMI ID = 16.1>
the laser beam is shifted from the plane of symmetry and is located in a plane parallel to the plane of symmetry, an unsymmetrical weld is formed between the bands. The importance of the asymmetry is directly proportional to the offset. However, the position of the welded joint in the plane of symmetry is adjustable over a wide range up to at least - 30 [deg.] Provided that
the focus is maintained in a relatively precise position, as indicated below.
(b) When optimum use of the laser beam source is not required and when the beam has sufficient power, the focus may be disposed substantially at the point of convergence 18. When, however, optimum use should be , the laser focus must be maintained within a narrow range of focus positions, almost from the point of convergence to a location downstream. As
previously indicated, the expression "optimal use" means
for the purposes of the invention the possibility of forming a
continuous welding at the highest possible speed and with the
lower amount of laser energy. Fig. 2 represents the variation of the pressure with the position of the focus with respect to
at the point of tangency, for lenses with focal lengths of 63.5 and 95.3 mm (with a beam diameter of
<EMI ID = 17.1>
represents the case where the pressure rollers A and B are non-compressible and where therefore the point of tangency and the point of convergence are equivalent. When it is not
In this case, the position of the focus cannot be related to the point of tangency as in Fig. 2, but must be reported to the con-
milk directly at the point of convergence. The range of variation of the hearth positions, giving an acceptable welded joint
and uninterrupted between moving bands, varies with
<EMI ID = 18.1>
previously and focused in the plane of symmetry on two aluminum strips moving at a speed of at least 120 m / minute, the rollers A and B having a diameter of 28.6 mm, the acceptable range of variation of the positions of the focal length is only about 1.8 mm in the case of the focal length lens of
63.5mm and approximately 3.3mm in the case of the 9513mm lens. It is interesting and quite surprising to note that the range of focus positions extends from a point adjacent to the convergence point downstream only.
The range of focus variations can be extended
by reducing the diameter of rollers A and B and / or the speed used and / or by increasing the power of the laser beam and / or the focal length. However, it is assumed that in a high speed operation, an acceptable weld between the strips cannot be obtained without focusing.
of the beam at a point which is practically at or beyond the point of convergence, that is to say downstream, even when using a laser beam of significantly higher power.
(c) The passage of a laser beam which has a conical geometrical configuration, in the converging V-shaped part formed by the moving bands 10 and 12, may cause some obstruction of the beam depending on the dimension of the cone of convergence of the light, that is to say according to the focal length, the position of the focus and the diameter of the pressure rollers. For the positions indicated above for the focus, obstruction of the laser beam by the rollers is inevitable. In some cases, this obstruction may actually be desirable. When the beam hits the pressure roller, part of the energy is reflected in the V-shaped part so in the active welding area, part is absorbed by the moving bands and turns into heat, and part is diffused
and is lost. The further the place where the obstruction occurs is from the point of convergence, the greater the fraction of energy
lost is high.
The relation between the possible obstruction, the position of the focus, the diameter of the pressure rollers and the focal length is shown in Figs. 3a to 3e on which the diameter
of rollers A and B varies between 28.6 mm and 50.8 mm, and the lens
<EMI ID = 19.1>
<EMI ID = 20.1>
the diameter of the rollers A and B takes into account the thickness of the bands 10 and 12. The diameter of the laser beam is in all cases 12.7 mm. For a position fl of the focus, placed downstream of the point 18 of tangency, as shown in Figs. 3a and 3b, the obstruction occurs at point C for rollers A and B <EMI ID = 21.1>
as shown in Fig. 3a, and at point D in the case of rollers of 50.8 mm in diameter, with the same lens, as shown in FIG. 3b. In the case of a position f2 of the focus which is at the point of tangency 18, as indicated on
Fig. 3c, when using the lens of the same focal length of 63.5mm and rollers A and B of 50.8mm in diameter, the obstruction occurs at point E. In the case of a beam of
12.7mm in diameter and a 95.3mm focal length lens, focused at point fl as shown in Fig. 3d, with
of the 28.6 mm diameter rollers A and B, the obstruction occurs at point F which is closer to the point of tangency than points C, D and E. This phenomenon confirms that the obstruction of the beam can be reduced by increasing the focal length. The empirical evaluation of the welds obtained with the assemblies of Figs. 3a to 3d indicates that the lens with a focal length of 63.5mm gives a better weld with the smaller diameter rollers and that the lens with a focal length of 95.3mm gives a better weld over a range larger with smaller diameter rollers. As a result, other conditions being otherwise unchanged, the small diameter rollers give higher energy efficiency.
When the obstruction is kept close enough to the point of convergence, the V-shaped configuration ensures efficient channeling of laser energy into the weld area. The third position f3 of the hearth, shown in FIG. 3rd,
<EMI ID = 22.1>
63.5 mm focal length and rollers A and B 28.6 mm in diameter, corresponds to a location directly before the point of tangency 18, that is to say, which is slightly upstream
of it. In this case, despite the absence of obstruction of the beam and the proximity of the focus and the point of tangency 18, it is not possible to obtain a continuous weld. Thus, the power of the laser beam is far from having the importance of the other parameters namely the location of the focus, the dimension of the converging light cone, determined by the focal distance and the diameter of the beam, and the diameter of the rollers, as indicated previously in paragraphs (a), (b) and (c), on the formation of a continuous weld, when the laser source is to be used optimally. In addition, the properties of the V-configuration allow more efficient absorption of laser energy allowing for increased welding speeds and preventing jamming of the welded material.
The last phenomenon is a difficulty commonly associated with welding the edges of thin sections.
. The above description obviously assumes that the pressure rollers A and B are not elastic. If the rollers are resilient, the focal point can be moved upstream of the point of tangency, which decreases the obstruction, but the focal point can still be kept at or downstream from the point of convergence. This of course helps to keep the obstruction sufficiently close to the point of convergence in much the same way as increasing the focal length or reducing the diameter of the rollers. Too much clogging is undesirable because it causes unnecessary preheating of a large amount of material which will never be melted.
<EMI ID = 23.1>
welds obtained by implementing the method of the invention,
<EMI ID = 24.1>
and under conditions which correspond to the criteria described above, in the case of aluminum strips having a thick-
<EMI ID = 25.1>
bare with a welding speed of 120 m / min and Figs. 5a and 5b that which is obtained at a speed of 150 m / min. Photomicrographs are taken with a conventional optical microscope
at a magnification of 100. -In all cases, the weld has the microstructure characteristic of all welds obtained by fusion but does not show a zone disturbed by heat with such magnification. Normally, as noted above, an area disturbed by heat is visible to the naked eye.
<EMI ID = 26.1>
versales thus indicating the continuity of the weld along the bead. The weld obtained at 120 m / min has a more circular section than that obtained at 150 m / min as indicated by comparison of Figs. 4b and 5b. The welds are symmetrical and have a thickness which is only a fraction of the thickness of the strip. In fact, the thickness of the weld is practically independent of the thickness of the strip.
The previous examples relate to aluminum strips. Other materials are tried which indicate that the invention applies to carbon steel, stainless steel, copper, brass and different materials, represented by combinations of the aforementioned metals, all of these materials giving equally satisfactory continuous welds. Thus, the invention is not limited to a particular composition of the strips of material. In addition, the weld formed in all cases, except in the case of stainless and carbon steels, is characterized by the absence of a zone disturbed by heat.
It is understood that the invention has not been described
and shown only by way of a preferred example and that any technical equivalence can be provided in the constituent elements without however departing from its scope. For example, although Fig. 1 shows an advantageous system in which the laser beam is directed substantially in the plane of symmetry, its principal vector component being in the direction of travel, a. Another embodiment includes arranging the bands to form a V-shaped configuration and moving the bands relative to the laser beams so that the main vector component of the beam is perpendicular to the direction of travel.
CLAIMS
1.- Continuous welding process of strips of a material
made of flexible metal foil, while these bands move, characterized in that:
(a) the moving bands are directed towards each other so that the two bands form a configuration
convergent in V between them;
(b) a non-zero force is exerted at a place contiguous to the point of convergence of the moving bands so that they
overlap by being in intimate contact at the point of convergence;
(c) the speed of the moving belts is maintained at least at about 30 m / m nute;
(d) producing a beam of laser energy;
(e) providing an optical medium for focusing the laser beam;
(f) focusing the laser beam using the optical medium to produce a converging laser energy beam, and
(g) we direct the beam of converging laser energy
in the V configuration, the focal point being arranged in
substance approximately at the point of convergence, so that a
continuous welded joint is formed between the overlapping bands.