EP1313590A1 - Procede et installation de soudage hybride laser-arc utilisant un laser a diodes de puissance - Google Patents

Procede et installation de soudage hybride laser-arc utilisant un laser a diodes de puissance

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EP1313590A1
EP1313590A1 EP01963047A EP01963047A EP1313590A1 EP 1313590 A1 EP1313590 A1 EP 1313590A1 EP 01963047 A EP01963047 A EP 01963047A EP 01963047 A EP01963047 A EP 01963047A EP 1313590 A1 EP1313590 A1 EP 1313590A1
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EP
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welding
laser beam
laser
welding method
arc
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Withdrawn
Application number
EP01963047A
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German (de)
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Inventor
Olivier Matile
Christian Bonnet
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Lincoln Electric Co France SA
Original Assignee
La Soudure Autogene Francaise
Air Liquide SA
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
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    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof

Definitions

  • the present invention relates to a hybrid welding method and installation combining a laser beam and an electric arc, in particular a plasma arc, said laser beam being generated by a diode laser.
  • a photonic flux such as welding with a CO 2 or YAG laser beam.
  • Welding processes using an electric arc have the advantage of being inexpensive but lead to limited productivity: low welding speed, significant deformation of the parts to be assembled, especially for small thicknesses, etc.
  • gaseous or solid lasers are high, in terms of electrical efficiency and various consumables, such as optics, the laser excitation system, etc.
  • the hybrid welding processes are, by the performances which they make it possible to obtain, in particular in terms of welding speed, more and more used in the sectors of industry requiring mass productions of parts. , that is to say high production yields, for example the automobile industry.
  • a plasma-laser welding process or more generally laser-arc welding, is a hybrid or mixed welding process which associates electric arc welding with a laser beam.
  • the arc-laser method consists in generating an electric arc between an electrode, fusible or non-fusible, and the workpiece, and in focusing a power laser beam in the arc zone, i.e. at the level or in the joint plane obtained by edge-to-edge or lap joint of the parts to be welded together.
  • a hybrid process makes it possible to considerably improve the welding speeds compared to laser welding alone or to arc or plasma welding alone, and also makes it possible to significantly increase the positioning tolerances.
  • front edges welding as well as the tolerated play between the edges to be welded, in particular compared to welding by laser beam only which requires a high precision of positioning of the parts to be welded because of the small size of the focal point of the laser beam.
  • the implementation of a plasma-laser process, and more generally of an arc-laser process requires the use of a welding head which makes it possible to combine in a reduced space the laser beam and its focusing device, as well as a suitable welding electrode.
  • the laser beam and the electric or plasma arc jet can be delivered 'by a single welding head, that is to say, they exit through the same orifice, or else through two separate welding heads, one delivering the laser beam and the other the electric arc or the plasma jet, these are joining in the welding area.
  • Hybrid arc-laser processes are known to be perfectly suited for welding tailored blanks for the automotive industry, as they allow a well-welded bead free from gutters, as recalled in EP- documents.
  • A-782489 or Laser plus arc equals power, Industrial Laser Solutions, February 1999, p.28-30.
  • an assist gas to assist the laser beam and protect the welding area from external aggressions and a gas for the electric arc, in particular a plasma gas used to create the arc plasma jet, in the case of an arc-plasma process.
  • the object of the invention is then to propose a process and a hybrid welding installation whose cost is acceptable on an industrial level, without limiting performance too much compared to a conventional hybrid process combining an electric arc.
  • the invention therefore relates to a hybrid welding process for one or more metal parts to be assembled by producing at least one solder joint on the said metal part or parts to be welded, said solder joint being obtained by using at least one laser beam and at least one electric arc, in which said laser beam is generated by means of a laser device of the power diode type.
  • the method of the invention may include one or more of the following characteristics:
  • the laser beam is conveyed to the welding head by at least one optical fiber.
  • At least part of the welding zone is protected, comprising at least a part of said weld joint in progress with at least one protective atmosphere formed by a gas mixture consisting of argon and / or d in one grade greater than or equal to 70% by volume, and at least one additional compound chosen from H 2 , O 2 , C0 2 and N 2 in a content of 0 to 30% by volume.
  • the part or parts to be welded are made of a metal or a metal alloy chosen from coated or uncoated steels, in particular structural steels, carbon steels, steels comprising on the surface a layer of zinc alloy, stainless steels, aluminum or aluminum alloys, and steels with high elastic limits.
  • the electric arc is a plasma arc.
  • the electrode is fusible or non-fusible.
  • the electric arc is delivered by a plasma arc torch, the laser beam and said arc being delivered by a single welding head.
  • the metal parts have different thicknesses, in particular the metal parts are butted sides.
  • the metal parts to be assembled, intended in particular for the manufacture of butted flanks, are of the same or different thicknesses and / or chemical compositions and / or metallurgical grades.
  • the parts to be welded are butted sides intended to constitute at least part of a vehicle body element.
  • the two edges to be welded are the two longitudinal edges of a tube, the welding being axial or helical welding.
  • the invention also relates to an installation for welding one or more metal parts to be assembled by producing at least one weld joint on said metal part or parts, said weld joint being obtained by using at least a laser beam and at least one electric arc, comprising at least one electrode for generating an electric arc and at least one laser device for generating a laser beam, characterized in that the laser device is of the power diode type.
  • the electrode and the laser head are included in a single welding head delivering an electric arc and a laser beam through the same orifice.
  • Solid-state diode laser sources are devices made up of a stack of diodes from semiconductor electronics.
  • Each element or diode emits a beam with a maximum power of 20 to 50 Watts.
  • the various beams coming from the stacking of the diodes are treated optically and combined to give a rectangular focal spot of a few millimeters.
  • the energy densities achieved remain low compared to lasers of the C0 2 and Nd: YAG type, but are nevertheless sufficient for welding by conduction, that is to say by heat diffusion from the surface of the material. .
  • the evolution of the powers of the elementary components, that is to say the diodes, as well as the reduction in the dimensions of the focal spot make it possible to obtain an intermediate fusion regime between the thermal conduction and a transfer mode.
  • capillary type that is to say the creation of a capillary containing metal vapors and high temperature shielding gas thus transmitting energy in the thickness of the material.
  • diode lasers have characteristics, in terms of welding speed and deformation of the workpieces, located between the arc welding processes and the C0 2 type lasers. and YAG.
  • the extreme compactness of the diode lasers and their limited weight allow direct use of these diode lasers on a robot or any other automated welding system.
  • the investment of diode lasers of the order of 2 kW is roughly equivalent to Tare welding sources and therefore much lower than the investment costs of C0 2 and YAG type laser sources.
  • the combination of a high power diode laser with a source of arc welding of the TIG, MIG, MAG or plasma type, preferably plasma makes it possible to increase the productivity, in particular the welding speed and the range of weldable thicknesses, while limiting deformations, and this compared to arc or laser welding processes alone.
  • the hybrid process of the invention is situated approximately between arc welding processes and laser welding processes.
  • the gas mixtures are those which are obtained in the interaction zone between the or the sheets to be welded and the laser and the arc, regardless of how they were created.

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Abstract

Procédé de soudage d'une ou plusieurs pièces métalliques à assembler par réalisation d'au moins un joint de soudure sur la ou lesdites pièces métalliques à souder, ledit joint de soudure étant obtenu par mise en oeuvre d'au moins un faisceau laser et d'au moins un arc électrique, dans lequel on génère ledit faisceau laser au moyen d'un dispositif laser de type à diodes de puissance. Installation de mise en oeuvre du procédé de soudage. Application du procédé au soudage de flancs raboutés destinés à constituer au moins une partie d'un élément de carrosserie de véhicule.

Description

Procédé et installation de soudage hybride laser-arc utilisant un laser à diodes de puissance
La présente invention concerne un procédé et une installation hybrides de soudage combinant un faisceau laser et un arc électrique, en particulier un arc plasma, ledit faisceau laser étant généré par un laser à diodes.
Parmi les procédés d'assemblages par fusion, on distingue les procédés de soudage utilisant : - un arc électrique, tels les procédés de soudage MIG (Métal Inert
Gas), MAG (Métal Active Gas), TIG (Tungsten Inert Gas), plasma ...,
- un flux électronique, tel le soudage par faisceau d'électrons, et
- un flux photonique, tel le soudage par faisceau laser CO2ou YAG. Les procédés de soudage utilisant un arc électrique présentent l'avantage d'être peu onéreux mais conduisent à une productivité limitée : vitesse de soudage faible, déformation non négligeable des pièces à assembler surtout pour les faibles épaisseurs....
A l'inverse, les procédés utilisant un flux photonique, tels que le soudage par laser dit "gazeux" (laser C02) ou dit "solide" (laser Nd:YAG) présentent eux des avantages notables en termes de vitesse de soudage et d'épaisseurs de travail tout en limitant les déformations.
Cependant, l'investissement des sources lasers de types C02 et YAG est largement supérieur aux installation de soudage à l'arc.
De plus, les frais de fonctionnement des lasers gazeux ou solides sont élevés, en termes de rendement électrique et divers consommables , telles les optiques, le système d'excitation du laser....
Malgré les inconvénients suscités, le soudage par laser tend à se développer considérablement dans l'industrie, essentiellement grâce aux performances en termes de productivité et de faible déformation des pièces qu'il est possible d'obtenir en soudage laser. Dans le but d'améliorer encore les procédés de soudage par arc électrique ou par faisceau laser, il a été proposé, il y a quelques années, d'assembler des pièces métalliques par mise en œuvre d'une technique de soudage hybride combinant arc électrique et faisceau laser, en particulier un arc plasma et un faisceau laser.
Ainsi, divers procédés de soudage hybrides arc et laser ont été décrits notamment dans les documents EP-A-793558 ; EP-A-782489 ; EP-A- 800434 ; US-A-5,006,688 ; US-A-5,700,989 ; EP-A-844042 ; Laser GTA'Welding of aluminium alloy 5052, TP Diebold et CE Albright, 1984, p. 18-24 ; SU-A-1815085, US-A-4,689,466 ; Plasma arc augmentée! laser welding, RP Walduck et J. Biffin, p.172-176, 1994; ou TIG or MIG arc augmented laser welding ofthick mild steel plate, Joining and Materials, de J Matsuda et al., p. 31-34, 1988.
Aujourd'hui, les procédés de soudage hybrides sont, de par les performances qu'ils permettent d'obtenir, notamment en termes de vitesse de soudage, de plus en plus utilisés dans les secteurs de l'industrie nécessitant des productions en série de pièces, c'est-à-dire des rendements élevés de production, par exemple l'industrie automobile.
De façon générale, un procédé de soudage plasma-laser, ou plus généralement laser-arc, est un procédé de soudage hybride ou mixte qui associe le soudage à l'arc électrique à un faisceau laser.
Le procédé arc-laser consiste à générer un arc électrique entre une électrode, fusible ou non fusible, et la pièce à souder, et à focaliser un faisceau laser de puissance dans la zone d'arc, c'est-à-dire au niveau ou dans le plan de joint obtenu par réunion bord-à-bord ou à clin des pièces à souder entre elles.
Comme évoqué ci-dessus, un procédé hybride permet d'améliorer considérablement les vitesses de soudage par rapport au soudage laser seul ou au soudage à l'arc ou au plasma seul, et permet, en outre, d'accroître notablement les tolérances de positionnement des bords avant soudage ainsi que le jeu toléré entre les bords à souder, en particulier par rapport au soudage par faisceau laser seul qui exige une précision importante de positionnement des parties à souder à cause de la petite taille du point focal du faisceau laser. La mise en œuvre d'un procédé plasma-laser, et plus généralement d'un procédé arc-laser, requiert l'utilisation d'une tête de soudage qui permet de combiner dans un espace réduit le faisceau laser et son dispositif de focalisation, ainsi qu'une électrode de soudage adaptée.
Plusieurs configurations de têtes sont décrites dans les documents ci- dessus mentionnés et l'on peut dire, en résumé, que le faisceau laser et l'arc électrique ou le jet de plasma peuvent être délivrés 'par une seule et même tête de soudage, c'est-à-dire qu'ils sortent par le même orifice, ou alors par deux têtes de soudage distinctes, l'une délivrant le faisceau laser et l'autre l'arc électrique ou le jet de plasma, ceux-ci se réunissant dans la zone de soudage.
Les procédés hybrides arc-laser sont réputés parfaitement adaptés au soudage des flancs raboutés (ou tailored blanks) pour l'industrie automobile, car ils permettent d'obtenir un cordon de soudure bien mouillé et exempt de caniveaux, comme le rappelle les documents EP-A-782489 ou Laser plus arc equals power, Industrial Laser Solutions, February 1999, p.28-30.
De façon générale, lors de la réalisation du joint de soudure, il est indispensable d'utiliser un gaz d'assistance pour assister le faisceau laser et protéger la zone de soudage des agressions extérieures et un gaz pour l'arc électrique, en particulier un gaz plasmagène servant à créer le jet de plasma d'arc, dans le cas d'un procédé arc-plasma.
Toutefois, comme expliqué ci-dessus, si une installation de soudage laser est déjà très onéreuse, on comprend aisément qu'une installation hybride combinant une source laser et des moyens de soudage à l'arc électrique est encore bien plus coûteuse et le prix qui en résulte est souvent dissuasif pour l'utilisateur au vu des performances qui en découlent. En d'autres termes, le prix élevé des installations hybrides freine considérablement leur développement industriel et ce, malgré les performances améliorées qui peuvent en découler par rapport à une installation laser ou une installation de soudage à l'arc classique. Partant de ces constatations, le but de l'invention est alors de proposer un procédé et une installation de soudage hybride dont le coût soit acceptable au plan industriel et ce, sans trop restreindre les performances par rapport à un procédé hybride classique combinant un arc électrique à un faisceau laser délivré par une source laser de type C02 ou de type Nd:YAG. L'invention concerne alors un procédé de soudage hybride d'une ou plusieurs pièces métalliques à assembler par réalisation d'au moins un joint de soudure sur la ou lesdites pièces métalliques à souder, ledit joint de soudure étant obtenu par mise en œuvre d'au moins un faisceau laser et d'au moins un arc électrique, dans lequel on génère ledit faisceau laser au moyen d'un dispositif laser de type à diodes de puissance.
Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- on soude les deux bords longitudinaux d'une pièce de manière à obtenir un tube soudé. - on soude bord-à-bord deux pièces métalliques différentes.
- on soude le bord ou extrémité d'une pièce sur une surface d'une autre pièce, c'est-à-dire qu'on opère un soudage à clin.
- le faisceau laser à une longueur d'onde comprise entre 0,808 et 0,940 μm. - le faisceau laser est acheminé jusqu'à la tête de soudage par au moins une fibre optique.
- pendant le soudage du joint, on protège au moins une partie de la zone de soudage comprenant au moins une partie dudit joint de soudure en cours de réalisation avec au moins une atmosphère protectrice formée par un mélange gazeux constitué d'argon et/ou d'hélium en une teneur supérieure ou égale à 70% en volume, et d'au moins un composé additionnel choisi parmi H2, O2, C02 et N2 en une teneur de 0 à 30% en volume.
- la ou les pièces à souder sont en un métal ou un alliage métallique choisi parmi les aciers revêtus ou non-revêtus, en particulier les aciers de construction, les aciers au carbone, les aciers comportant en surface une couche d'alliage de zinc, les aciers inoxydables, les aluminium ou alliages d'aluminium, et les aciers à hautes limites élastiques.
- l'arc électrique est un arc-plasma. - l'électrode est fusible ou non-fusible.
- l'arc électrique est délivrée par une torche à 'arc-plasma, le faisceau laser et ledit arc étant délivrés par une tête de soudage unique.
- les pièces métalliques ont des épaisseurs différentes, en particulier les pièces métalliques sont des flancs raboutés. - les pièces métalliques à assembler, destinées en particulier à la fabrication de flancs raboutés, sont d'épaisseurs et/ou de compositions chimiques et/ou de nuances métallurgiques identiques ou différentes.
- les pièces à souder sont des flancs raboutés destinés à constituer au moins une partie d'un élément de carrosserie de véhicule. - les deux bords à souder sont les deux bords longitudinaux d'un tube, le soudage étant un soudage axial ou hélicoïdal.
L'invention porta aussi sur une installation de soudage d'une ou plusieurs pièces métalliques à assembler par réalisation d'au moins un joint de soudure sur la ou lesdites pièces métalliques, ledit joint de soudure étant obtenu par mise en œuvre d'au moins un faisceau laser et d'au moins un arc électrique, comprenant au moins une électrode pour générer un arc électrique et au moins un dispositif laser pour générer un faisceau laser, caractérisée en ce que le dispositif laser est de type à diodes de puissance. De préférence, l'électrode et la tête laser sont compris dans une tête de soudage unique délivrant arc électrique et faisceau laser par un même orifice.
Les sources laser de type solides à diodes, couramment appelés lasers à diodes de puissances, sont des dispositifs constitués d'un empilage de diodes issues de l'électronique des semi-conducteurs.
Chaque éléments ou diodes émet un faisceau d'une puissance maximale de 20 à 50 Watts. Les différents faisceaux provenant de l'empilage des diodes sont traités optiquement et combinés pour donner une tache focale rectangulaire de quelques millimètres.
Les densités d'énergies atteintes restent faibles en comparaison aux lasers de type C02 et Nd:YAG, mais sont néanmoins suffisantes pour le soudage par conduction, c'est-à-dire par diffusion de la chaleur à partir de la surface du matériau. De plus, l'évolution des puissances des composants élémentaires, c'est-à-dire des diodes, ainsi que la réduction des dimensions de la tache focale permettent d'obtenir un régime de fusion intermédiaire entre la conduction thermique et un mode de transfert de type capillaire, c'est-à-dire la création d'un capillaire contenant des vapeurs métalliques et du gaz de protection à haute température transmettant ainsi l'énergie dans l'épaisseur du matériau.
Donc, d'une façon générale, à puissance électrique identique, les lasers à diodes présentent des caractéristiques, en termes de vitesse de soudage et de déformation des pièce, situées entre les procédés de soudage à l'arc et les lasers de type C02 et YAG .
Par ailleurs, l'extrême compacité des lasers à diodes ainsi que leur poids limité permettent une utilisation directe de ces lasers à diodes sur un robot ou tout autre système automatisé de soudage.
Etant donnée la longueur d'onde, généralement entre 0,808 et 0,940 μm, il est possible de transporter le faisceau laser dans une fibre optique. Par rapport aux lasers de types C02 et Nd.ΥAG, les lasers à diodes de puissance ont un rendement électrique de 40 % soit environ quatre fois plus performant.
A puissance électrique identique l'investissement des lasers à diodes de l'ordre de 2 kW est à peu près équivalent aux sources de soudage à Tare et donc bien inférieur aux coûts d'investissements des sources laser de type C02 et YAG .
Dès lors, la combinaison d'un laser à diodes de fortes puissances à une source de soudage à l'arc de type TIG, MIG, MAG ou plasma, de préférence plasma, permet d'augmenter la productivité, notamment la vitesse de soudage et la gamme d'épaisseurs soudables, tout en limitant les déformations, et ceci par rapport aux procédés de soudage à l'arc ou laser seuls.
Cependant, cette combinaison ne se fait pas au détriment du coût global de l'installation car l'utilisation d'un laser à diodes permet de limiter les coûts d'investissement ainsi que les coûts opératoires par rapport aux installations hybrides mettant en œuvre des lasers de type C02 ou Nd:YAG, tout en garantissant des rendements électriques plus importants.
En outre en termes d'investissement et de frais de fonctionnement globaux, le procédé hybride de l'invention se situe approximativement entre les procédés de soudage à l'arc et les procédés de soudage laser.
Compte tenu des géométries possibles de têtes de soudage, des procédés hybrides selon l'invention et des différents moyens d'amener les gaz ou les mélanges gazeux, les mélanges gazeux sont ceux que l'on obtient dans la zone d'interaction entre la ou les tôles à souder et le laser et l'arc, indépendamment de la manière dont on a pu les créer.

Claims

Revendications
1. Procédé de soudage d'une ou plusieurs pièces métalliques à assembler par réalisation d'au moins un joint de soudure sur la ou lesdites pièces métalliques à souder, ledit joint de soudure étant obtenu par mise en œuvre d'au moins un faisceau laser et d'au moins un arc électrique, dans lequel on génère ledit faisceau laser au moyen d'un dispositif laser de type à diodes de puissance.
2. Procédé de soudage selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le faisceau laser à une longueur d'onde comprise entre 0,808 et 0,940 μm.
3. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le faisceau laser est acheminé jusqu'à la tête de soudage par au moins une fibre optique.
4. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pendant le soudage du joint, on protège au moins une partie de la zone de soudage comprenant au moins une partie dudit joint de soudure en cours de réalisation avec au moins une atmosphère protectrice formée par un mélange gazeux constitué d'argon et/ou d'hélium en une teneur supérieure ou égale à 70% en volume, et d'au moins un composé additionnel choisi parmi H2, 02l C02 et N2 en une teneur de 0 à 30% en volume.
5. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la ou les pièces à souder sont en un métal ou un alliage métallique choisi parmi les aciers revêtus ou non-revêtus, en particulier les aciers de construction, les aciers au carbone, les aciers comportant en surface une couche d'alliage de zinc, les aciers inoxydables, les aluminium ou alliages d'aluminium, et les aciers à hautes limites élastiques.
6. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 , 2 ou 5, caractérisé en ce que l'arc électrique est un arc-plasma.
7. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'électrode est fusible ou non-fusible.
8. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'arc électrique est délivrée par une torche à arc- plasma, le faisceau laser et ledit arc étant délivrés par une tête de soudage unique.
9. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les pièces métalliques ont des épaisseurs différentes, en particulier les pièces métalliques sont des flancs raboutés.
10. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les pièces métalliques à assembler, destinées en particulier à la fabrication de flancs raboutés, sont d'épaisseurs et/ou de compositions chimiques et/ou de nuances métallurgiques identiques ou différentes.
11. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les pièces à souder sont des flancs raboutés destinés à constituer au moins une partie d'un élément de carrosserie de véhicule.
12. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les deux bords à souder sont les deux bords longitudinaux d'un tube, le soudage étant un soudage axial ou hélicoïdal.
5
13. Installation de soudage d'une ou plusieurs pièces métalliques à assembler par réalisation d'au moins un joint de soudure sur la ou lesdites pièces métalliques, ledit joint de soudure étant obtenu par mise en œuvre d'au moins un faisceau laser et d'au moins un arc électrique, comprenant :
10 - au moins une électrode pour générer un arc électrique, et
- au moins un dispositif laser pour générer un faisceau laser, caractérisée en ce que le dispositif laser est de type à diodes de puissance.
14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que 15 l'électrode et la tête laser sont compris dans une tête" de soudage unique délivrant arc électrique et faisceau laser par un même orifice.
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