Procédé de soudage hybride laser-arc avec ajustage des débits de gaz Laser-arc hybrid welding process with gas flow adjustment
La présente invention concerne un procédé et une installation de soudage hybride combinant un faisceau laser et un arc électrique, en particulier un arc plasma, utilisant des gaz ou mélanges gazeux particuliers en tant que gaz d'amorçage de l'arc électrique et gaz d'assistance du faisceau laser, et son application au soudage de tubes ou de flancs raboutés (tailored blan s), notamment utilisables dans l'industrie automobile.The present invention relates to a hybrid welding method and installation combining a laser beam and an electric arc, in particular a plasma arc, using particular gases or gas mixtures as starting gas for the electric arc and assistance of the laser beam, and its application to the welding of tubes or flanks butted (tailored blan s), in particular usable in the automobile industry.
En soudage à l'arc plasma, opérer un amorçage correct et efficace de l'arc, en début d'une opération de soudage, est primordial et indispensable puisque, si l'amorçage ne se fait pas du tout, le soudage ne peut avoir lieu faute d'arc électrique, alors que s'il se fait de manière incorrecte, il peut en résulter des détériorations de certains éléments de la tête de soudage, par exemple de la tuyère.In plasma arc welding, performing a correct and efficient ignition of the arc, at the start of a welding operation, is essential and essential since, if ignition does not take place at all, welding cannot have fault due to an electric arc, whereas if it is done incorrectly, it may result in damage to certain elements of the welding head, for example the nozzle.
Actuellement, il existe différentes façons de procéder pour obtenir l'amorçage d'un arc dans une torche à arc électrique, à savoir :Currently, there are different ways of proceeding to strike an arc in an electric arc torch, namely:
- amorçage par étincelle pilote résultant de la mise en œuvre soit d'une tension élevée , typiquement de 2000 à 5000 volts, soit d'une haute fréquence, par exempie de 10 à 50 kHz . Toutefois, cette façon de faire présente l'inconvénient d'être à l'origine de perturbations électromagnétiques par voie hertzienne ou par conduction, ce qui entraîne un risque de détérioration de matériel électrique ou électronique .- pilot spark ignition resulting from the use of either a high voltage, typically from 2000 to 5000 volts, or a high frequency, for example from 10 to 50 kHz. However, this way of doing things has the drawback of being the source of electromagnetic disturbances by radio or by conduction, which involves a risk of deterioration of electrical or electronic equipment.
- amorçage par arc pilote avec création d'un arc électrique de faible puissance entre l'électrode et la tuyère de la torche. Cette technique présente l'avantage de n'entraîner aucune perturbation radioélectrique.- ignition by pilot arc with creation of a low power electric arc between the electrode and the nozzle of the torch. This technique has the advantage of not causing any radio interference.
Dans les deux cas, lorsque l'arc est amorcé, celui-ci est ensuite transféré sur la ou les pièces à souder.In both cases, when the arc is struck, it is then transferred to the part or parts to be welded.
Cependant, quelle que soit la technologie retenue, l'amorçage de l'arc se fait préférentiellement dans un gaz à faible potentiel d'ionisation qui doit, par ailleurs, être neutre pour ne pas entraîner une contamination ou une détérioration de l'électrode ou bien réagir négativement avec le métal fondu.However, whatever the technology used, the arc is preferably struck in a gas with low ionization potential which must, moreover, be neutral so as not to cause contamination or deterioration of the electrode or react well negatively with the molten metal.
Comme visible sur le tableau suivant, l'argon répond à ces conditions car il est neutre et présente un potentiel d'ionisation relativement faible et ce contrairement, à l'azote ou au C02 qui, bien qu'ayant des potentiels d'ionisation encore plus faibles, peuvent réagir avec le métal fondu avec par exemple formation de nitrures pour l'azote et détérioration de l'électrode en tungstène pour le C02.
As shown in the following table, argon meets these conditions because it is neutral and has a relatively low ionization potential, unlike nitrogen or C0 2 which, although having ionization potentials even weaker, can react with the molten metal with, for example, the formation of nitrides for nitrogen and deterioration of the tungsten electrode for C0 2 .
En outre, en soudage à l'arc plasma, il est habituel d'utiliser des gaz plasmagènes contenant principalement de l'argon.In addition, in plasma arc welding, it is usual to use plasma gases mainly containing argon.
En d'autres termes, en soudage à l'arc plasma, on n'utilise de l'argon ou un gaz à base d'argon pour amorcer l'arc, puis ensuite pour réaliser l'opération de soudage proprement dite.In other words, in plasma arc welding, no argon or an argon gas is used to strike the arc, and then thereafter to carry out the actual welding operation.
Par ailleurs, en soudage par faisceau laser, en particulier avec des sources laser de type gazeux CO, du fait des puissances spécifiques élevées mises en œuvre, en général de plusieurs kilowatts, la réalisation de la soudure repose sur des phénomènes de fusion localisée de la matière au point d'impact du faisceau laser où il se forme un capillaire rempli de vapeurs métalliques ionisées à haute température, appelé keyhole (trou de serrure). Les parois de ce capillaire sont formées de métal en fusion.Furthermore, in laser beam welding, in particular with CO gas type laser sources, due to the high specific powers used, generally several kilowatts, the production of the weld is based on localized melting phenomena of the matter at the point of impact of the laser beam where a capillary is formed filled with metallic vapors ionized at high temperature, called keyhole (keyhole). The walls of this capillary are made of molten metal.
Ce capillaire a un rôle important car il permet de transférer l'énergie directement au cœur du matériau. Le bain de fusion ainsi formé et entretenu est déplacé progressivement entre les pièces à assembler, en fonction du déplacement relatif du faisceau laser par rapport aux pièces à souder, et le métal du joint de soudure se solidifie, après le passage du faisceau laser, en assurant l'assemblage jointif des pièces.This capillary has an important role as it allows to transfer the ener gy directly to the heart of the material. The molten bath thus formed and maintained is gradually moved between the parts to be assembled, as a function of the relative displacement of the laser beam relative to the parts to be welded, and the metal of the weld joint solidifies, after the passage of the laser beam, in ensuring the joint assembly of the parts.
L'apparition du capillaire s'accompagne de la formation d'un plasma de vapeurs métalliques, c'est-à-dire d'un milieu gazeux ionisé, électriquement neutre et à une température de plusieurs milliers de degrés.The appearance of the capillary is accompanied by the formation of a plasma of metallic vapors, that is to say of an ionized gaseous medium, electrically neutral and at a temperature of several thousand degrees.
Le plasma de vapeurs métalliques résulte d'un bon couplage entre le faisceau laser et la pièce, et il est donc inévitable. Ce type de plasma absorbe une faible quantité de l'énergie incidente et n'engendre pas de modification notable de la largeur et de la profondeur du cordon de soudure.The metal vapor plasma results from a good coupling between the laser beam and the part, and it is therefore inevitable. This type of plasma absorbs a small amount of incident energy and does not cause a significant change in the width and depth of the weld bead.
Dans certaines conditions de puissance, vitesse, épaisseur, nature et composition du gaz, configuration..., le plasma de vapeurs métalliques transfert une partie de son énergie au gaz de protection utilisé pour protéger la zone de soudage d'une contamination de celle-ci par des impuretés atmosphériques, et il y a alors un risque de formation d'un autre plasma issu du gaz de protection.Under certain conditions of power, speed, thickness, nature and composition of the gas, configuration, etc., the metal vapor plasma transfers part of its energy to the shielding gas used to protect the welding area from contamination of it. ci by atmospheric impurities, and there is then a risk of the formation of another plasma from the shielding gas.
Or, la création d'un tel plasma du gaz de protection peut absorber l'énergie du faisceau Jaser incident et, dans ce cas, le cordon de soudure devient plus large en surface et pénètre beaucoup moins dans l'épaisseur des pièces à souder.
Pour remédier à la formation du plasma du gaz de protection, il faut utiliser un gaz à fort potentiel d'ionisation et il s'avère que l'hélium est le gaz le plus approprié pour limiter l'apparition de ce type de plasma.However, the creation of such a plasma of the shielding gas can absorb the energy of the incident Jaser beam and, in this case, the weld bead becomes wider on the surface and penetrates much less in the thickness of the parts to be welded. To remedy the formation of the plasma of the shielding gas, it is necessary to use a gas with high ionization potential and it turns out that helium is the most suitable gas to limit the appearance of this type of plasma.
Depuis quelques années, se développe en parallèle des procédés de soudage susmentionnés, un procédé de soudage appelé soudage hybride arc-laser basé sur une combinaison d'un faisceau laser et d'un arc électrique.In recent years, in parallel with the above-mentioned welding processes, a welding process called hybrid arc-laser welding has been developed based on a combination of a laser beam and an electric arc.
Des 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'Weiding of aluminium alloy 5052, TP Diebold et CE Albright, 1984, p. 18-24 ; SU-A-1815085, US-A-4,689,466 ; Plasma arc augmented laser welding, RP Walduck et J. Biffin, p.172-176, 1994; ou ΗG or MIG arc augmented laser welding of thick mild steel plate, Joining and Materials, de J Matsuda et al., p. 31-34, 1988.Hybrid arc and laser welding methods have been described in particular in 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'Weiding of aluminum alloy 5052, TP Diebold and CE Albright, 1984, p. 18-24; SU-A-1815085, US-A-4,689,466; Plasma arc augmented laser welding, RP Walduck and J. Biffin, p.172-176, 1994; or ΗG or MIG arc augmented laser welding of thick mild steel plate, Joining and Materials, by J Matsuda et al., p. 31-34, 1988.
De façon générale, un procédé de soudage hybride plasma-laser, ou plus généralement laser-arc, est un procédé de soudage combiné 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, notamment un laser de type YAG ou de type C02, dans la zone d'arc, c'est-à-dire au niveau ou dans le plan de joint obtenu par réunion bord-à-bord des parties à souder entre elles.In general, a hybrid plasma-laser welding process, or more generally laser-arc welding, is a combined 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, fuse or non-fuse, and the part to be welded, and in focusing a power laser beam, in particular a laser of type YAG or of type C0 2 , in the area arc, that is to say at the level or in the joint plane obtained by joining edge-to-edge of the parts to be welded together.
Un tel 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.Such 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 tolerances for positioning the edges before welding as well. that the play tolerated between the edges to be welded, in particular with respect to welding by laser beam alone 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.
La mise en œuvre d'un procédé de soudage hybride arc-laser requiert l'utilisation d'une tête de soudage qui permet de combiner 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, comme par exemple enseigné par les documents WO-A-01/05550 ou EP-A-1084789.The implementation of a hybrid arc-laser welding process requires the use of a welding head which makes it possible to combine the laser beam and its focusing device, as well as a suitable welding electrode. Several head configurations are described in the documents mentioned above and it can be said, in summary, that the laser beam and the electric arc or the plasma jet can be delivered by a single welding head, c 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 meeting in the welding zone, as for example taught by documents WO-A-01/05550 or EP-A-1084789.
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.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 mentioned EP-A-782489 or Laser plus arc equals power, Industrial Laser Solutions, February 1999, p.28-30.
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.When making the weld joint, it is essential to use 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.
De là, on comprend aisément que, lorsque l'on couple une source laser avec un dispositif de soudage à l'arc plasma pour mettre en œuvre un procédé de soudage hybride arc plasma-laser, le problème ci-avant devient alors très complexe car il faut alors non seulement éviter la formation du plasma du gaz de protection au niveau du bain de fusion mais aussi pouvoir obtenir un amorçage correct de l'arc généré par l'électrode.From this, it is easily understood that, when a laser source is coupled with a plasma arc welding device to implement a hybrid plasma-laser arc welding process, the above problem then becomes very complex because it is therefore necessary not only to avoid the formation of the plasma of the shielding gas at the level of the molten bath but also to be able to obtain correct ignition of the arc generated by the electrode.
Comme expliqué précédemment, le gaz plasmagène doit contenir essentiellement de l'argon pour permettre un amorçage efficace de l'arc. Or, au contact du plasma de vapeur métallique généré par ('impact du faisceau laser sur le matériau à souder, un gaz plasmagène riche en argon peut être facilement ioniser et entraîner la formation d'un plasma absorbant pour le faisceau laser et donc néfaste pour la qualité de soudure car diminuant la profondeur de pénétration du faisceau. A l'inverse, le gaz de protection du bain de fusion doit contenir majoritairement de l'hélium pour éviter la formation d'un plasma absorbant.As explained above, the plasma gas must contain essentially argon to allow effective arc striking. However, in contact with the metallic vapor plasma generated by the impact of the laser beam on the material to be welded, a plasma gas rich in argon can be easily ionized and lead to the formation of an absorbent plasma for the laser beam and therefore harmful for the quality of the weld because it reduces the depth of penetration of the beam, conversely, the shielding gas of the weld pool must mainly contain helium to avoid the formation of an absorbent plasma.
Or, si l'extrémité de l'électrode se trouve entouré et au contact d'hélium en forte proportion, l'arc plasma ne pourra s'amorcer correctement.However, if the end of the electrode is surrounded and in contact with helium in high proportion, the plasma arc cannot strike properly.
Le but de la présente invention est alors de proposer un procédé de soudage hybride arc- laser ne posant pas ces problèmes, c'est-à-dire un procédé de soudage hybride arc- laser, en particulier arc plasma-laser, à amorçage efficace et absence ou quasi-absence de formation de plasma absorbant.The object of the present invention is therefore to propose a hybrid arc-laser welding process which does not pose these problems, that is to say a hybrid arc-laser welding process, in particular plasma-laser arc, with effective ignition. and absence or near absence of formation of absorbent plasma.
La solution de l'invention est alors un procédé de soudage hybride arc-laser d'une ou plusieurs pièces métalliques à souder par réalisation d'au moins un joint de soudure entre des bords à souder portés par 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 se combinant l'un à l'autre de manière à obtenir une fusion puis une solidification subséquente du métal le long desdits bords à souder, dans lequel on opère comme suit : (a) amorçage d'au moins un arc pilote entre une électrode et une tuyère d'une tête de soudage hybride, ladite électrode alimentée en courant électrique et étant mise au contact d'un premier gaz introduit dans ladite tête de soudage hybride, ledit premier gaz ayant une composition gazeuse apte à favoriser l'amorçage de l'arc pilote,
(b) transfert subséquent à l'étape (a) de l'arc pilote ainsi amorcé vers les bords de la ou desdites pièces à souder,The solution of the invention is then a hybrid arc-laser welding process of one or more metal parts to be welded by making at least one weld joint between edges to be welded carried by the said metal part or parts, said joint of welding being obtained by implementing at least one laser beam and at least one electric arc combining with one another so as to obtain a fusion then a subsequent solidification of the metal along said edges to be welded , in which the procedure is as follows: (a) ignition of at least one pilot arc between an electrode and a nozzle of a hybrid welding head, said electrode supplied with electric current and being brought into contact with a first gas introduced in said hybrid welding head, said first gas having a gaseous composition capable of promoting the ignition of the pilot arc, (b) subsequent transfer in step (a) of the pilot arc thus initiated towards the edges of the said piece or pieces to be welded,
(c) alimentation de ladite tête de soudage hybride avec un deuxième gaz de manière à obtenir une atmosphère gazeuse de protection formée d'un mélange du premier gaz et du deuxième gaz, ladite atmosphère gazeuse de protection étant expulsée vers la zone de soudage par ladite tête de soudage hybride et permettant de protéger au moins une partie de la zone de soudage durant le soudage du joint de soudure par combinaison du faisceau laser et de l'arc électrique, le débit volumique du premier gaz (Ql) et le débit volumique du deuxième gaz (Q2) étant ajustés tels que : 0< Ql < Q2.(c) supplying said hybrid welding head with a second gas so as to obtain a protective gas atmosphere formed from a mixture of the first gas and the second gas, said protective gas atmosphere being expelled towards the welding zone by said hybrid welding head and making it possible to protect at least part of the welding zone during the welding of the weld joint by combination of the laser beam and the electric arc, the volume flow rate of the first gas (Ql) and the volume flow rate of the second gas (Q2) being adjusted such that: 0 <Ql <Q2.
Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes :Depending on the case, the method of the invention may include one or more of the following technical characteristics:
- à l'étape (a), le premier gaz formant la composition gazeuse d'amorçage contient plus de 50% en volume d'argon, de préférence de 70 à 100 % en volume d'argon.in step (a), the first gas forming the priming gas composition contains more than 50% by volume of argon, preferably from 70 to 100% by volume of argon.
- à l'étape (a), le premier gaz formant la composition gazeuse d'amorçage contient, par ailleurs, au moins un composé additionnel non oxydant choisi parmi l'hélium, H2, et N2 en une teneur de 0.05 à 30% en volume.- in step (a), the first gas forming the gaseous initiation composition contains, moreover, at least one additional non-oxidizing compound chosen from helium, H 2 , and N 2 in a content of 0.05 to 30 % in volume.
- à l'étape (c), le deuxième gaz contient au moins 40% en volume d'hélium, de préférence de 50 à 100 % en volume d'hélium.- In step (c), the second gas contains at least 40% by volume of helium, preferably from 50 to 100% by volume of helium.
- à l'étape (c), le deuxième gaz contient, en outre, au moins un composé additif choisi parmi l'argon, H2, 02, C02 et N2 en une teneur de 0.05 à 30% en volume.- In step (c), the second gas also contains at least one additive compound chosen from argon, H 2 , 0 2 , C0 2 and N 2 in a content of 0.05 to 30% by volume.
- le débit volumique du premier gaz (Ql) et le débit volumique du deuxième gaz (Q2) sont ajustés tels que : 2 < Q2 / Ql < 55. - le débit volumique du premier gaz (Ql) et le débit volumique du deuxième gaz- the volume flow of the first gas (Ql) and the volume flow of the second gas (Q2) are adjusted such that: 2 <Q2 / Ql <55. - the volume flow of the first gas (Ql) and the volume flow of the second gas
(Q2) sont ajustés tels que : 3 < Q2 / Ql < 50, de préférence 10 < Q2 / Ql < 40.(Q2) are adjusted such that: 3 <Q2 / Ql <50, preferably 10 <Q2 / Ql <40.
- à l'étape (c), le faisceau laser et l'arc plasma sont délivrés, en étant combinés ensemble, par le même orifice d'une buse de soudage.- In step (c), the laser beam and the plasma arc are delivered, by being combined together, through the same orifice of a welding nozzle.
- l'atmosphère gazeuse de protection formée d'un mélange du premier gaz et du deuxième gaz obtenue à l'étape (c) contient de l'hélium et de l'argon, la proportion volumique d'hélium étant supérieure à la proportion volumique d'argon.the gaseous protective atmosphere formed by a mixture of the first gas and the second gas obtained in step (c) contains helium and argon, the proportion by volume of helium being greater than the proportion by volume argon.
- la ou les pièces à souder ont une épaisseur comprise entre 0,1 et 70 mm, de préférence entre 0,3 et 50 mm.- Or the parts to be welded have a thickness between 0.1 and 70 mm, preferably between 0.3 and 50 mm.
- là ou les pièces à souder sont des flancs raboutés (tailored blanks) formant des éléments d'une carrosserie automobile.- where the parts to be welded are tailored blanks forming elements of an automobile body.
- 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 d'assemblage, les aciers à
haute limite élastique, les aciers au carbone, les aciers comportant en surface une couche d'alliage de zinc, les aciers inoxydables, les aluminium ou alliages d'aluminium.the part or parts to be welded are made of a metal or a metal alloy chosen from coated or uncoated steels, in particular joining steels, steels with high yield strength, carbon steels, steels with a zinc alloy layer on the surface, stainless steels, aluminum or aluminum alloys.
- à l'étape (c), l'atmosphère gazeuse de protection contient de l'argon et plus de 60% d'hélium et éventuellement un ou plusieurs composés choisis parmi Hz, 02, C02 et N2.in step (c), the protective gaseous atmosphere contains argon and more than 60% of helium and optionally one or more compounds chosen from Hz, 0 2 , C0 2 and N 2 .
- l'ajustage des débits volumiques respectifs desdits premier et deuxième gaz est opérée pendant le transfert de l'étape (b) ou immédiatement après transfert de l'arc pilote, de préférence après le transfert de l'arc pilote- the adjustment of the respective volume flow rates of said first and second gases is carried out during the transfer of step (b) or immediately after transfer of the pilot arc, preferably after the transfer of the pilot arc
- la pièce à souder est soudée de manière à obtenir un tube. - le rapprochement de la tête de soudage de la ou des pièces à souder de façon à créer un arc-plasma est opéré après détection d'un arc pilote, de préférence ledit rapprochement est opéré quasi-simultanément à l'envoi de l'atmosphère gazeuse de protection contenant au moins 50% en volume d'hélium à l'étape (c).- the part to be welded is welded so as to obtain a tube. the approximation of the welding head of the piece or pieces to be welded so as to create a plasma arc is effected after detection of a pilot arc, preferably said approximation is effected almost simultaneously with the sending of the atmosphere protective gas containing at least 50% by volume of helium in step (c).
- le faisceau laser est émis simultanément ou subséquemment à la formation de l'arc plasma de manière à ce que ledit faisceau se combine avec le plasma d'arc.- The laser beam is emitted simultaneously or subsequently to the formation of the plasma arc so that said beam combines with the arc plasma.
L'invention concerne, par ailleurs, un procédé de fabrication d'éléments de carrosserie automobile, dans lequel des pièces formant des éléments d'une carrosserie automobile sont soudées ensemble par mise en œuvre d'un procédé de soudage hybride selon l'invention, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tube soudé, longitudinalement ou en spirale, dans lequel les bords du tube sont soudés ensemble par mise en œuvre d'un procédé de soudage hybride selon l'invention.The invention also relates to a method for manufacturing automobile body elements, in which parts forming elements of an automobile body are welded together by implementing a hybrid welding method according to the invention, as well as a method of manufacturing a welded tube, longitudinally or in a spiral, in which the edges of the tube are welded together by implementing a hybrid welding method according to the invention.
- le mélange de gaz contenant lesdits premier et deuxième gaz contient une proportion du premier gaz telle qu'il ne se forme pas un plasma gazeux issu de ce gaz au contact du plasma de vapeurs métalliques. L'invention est illustrée sur la figure annexée où l'on voit une partie d'une installation de soudage hybride selon l'invention comportant habituellement un oscillateur laser à gaz (laser de type C02) produisant un faisceau 3 monochromatique cohérent de haute énergie, un chemin optique équipé de miroirs de renvois permettant d'amener le faisceau laser 3 vers une tête de soudage située en regard du tube à souder.- The gas mixture containing said first and second gas contains a proportion of the first gas such that a gaseous plasma from this gas is not formed in contact with the plasma of metallic vapors. The invention is illustrated in the appended figure in which a part of a hybrid welding installation according to the invention is seen, usually comprising a gas laser oscillator (type C0 2 laser) producing a coherent high energy monochromatic beam 3. , an optical path equipped with reflecting mirrors making it possible to bring the laser beam 3 to a welding head situated opposite the tube to be welded.
La tête de soudage comprend classiquement une lentille ou un ou plusieurs miroirs de focalisation de façon à focaliser le faisceau 3 laser en un ou plusieurs points de focalisation dans l'épaisseur des pièces 10, 11 à souder et au niveau du plan de joint 9 obtenu par réunion, bord-à-bord, à clin ou dans une autre configuration, des bords des pièces à assembler.The welding head conventionally comprises a lens or one or more focusing mirrors so as to focus the laser beam 3 at one or more focusing points in the thickness of the parts 10, 11 to be welded and at the joint plane 9 obtained by joining, edge-to-edge, lap or in another configuration, the edges of the parts to be assembled.
En outre, un jet de plasma d'arc est obtenu au moyen d'une électrode 1 et d'un gaz plasmagène 4.In addition, an arc plasma jet is obtained by means of an electrode 1 and a plasma gas 4.
Le faisceau laser 3 et le jet de plasma se combinent dans la tête de soudage de manière à être expulsés ensemble par l'orifice unique de la tuyère 2 de façon à
concentrer localement suffisamment de densité de puissance pour fondre les bords des pièces à souder.The laser beam 3 and the plasma jet combine in the welding head so as to be expelled together through the single orifice of the nozzle 2 so as to locally concentrate enough power density to melt the edges of the parts to be welded.
Il a été mis en évidence par les inventeurs de la présente invention que, pour obtenir un amorçage efficace et assurer ensuite un soudage de qualité, il est nécessaire :It has been demonstrated by the inventors of the present invention that, in order to obtain an effective ignition and then ensure quality welding, it is necessary:
- durant la phase d'amorçage, d'utiliser en tant que premier gaz de l'argon pur ou un mélange gazeux contenant essentiellement de l'argon, typiquement de 70 à 100 % en volume d'argon et le reste pouvant être de l'hélium, de l'hydrogène ou tout autre gaz ou mélange de gaz non oxydant approprié. Cette composition gazeuse d'amorçage, provenant de la source 4, est introduite dans la tête de soudage à proximité immédiate et/ou autour de l'électrode 1 de façon à amorcer efficacement l'arc pilote entre ladite électrode 1 non-fusible et la tuyère 2. Ensuite, lorsque cet arc pilote est amorcé, il est transféré aux pièces à souder ensemble en étant expulsé par l'orifice unique de tuyère 2 de la tête de soudage. - au moment du soudage, de procéder à une alimentation additionnelle de la tête hybride avec un deuxième gaz, issu d'une source de gaz 5, de manière à obtenir un mélange des premier et deuxième gaz en un gaz de protection servant à. protéger le bain de métal en fusion résultant de la combinaison de l'arc plasma et du faisceau laser, c'est-à-dire le joint de soudure. Le deuxième gaz est formé d'hélium pur ou un mélange gazeux à base d'hélium, lequel contient préférentiellement de 50 à 100 % en volume d'hélium, le reste pouvant être de l'argon, de l'hydrogène, de l'azote, du dioxyde carbone, de l'oxygène ou tout autre gaz ou mélange gazeux approprié.- during the priming phase, to use as the first gas pure argon or a gaseous mixture containing essentially argon, typically from 70 to 100% by volume of argon and the rest possibly being of l helium, hydrogen or any other suitable gas or non-oxidizing gas mixture. This gaseous ignition composition, originating from the source 4, is introduced into the welding head in the immediate vicinity and / or around the electrode 1 so as to effectively strike the pilot arc between said non-fusible electrode 1 and the nozzle 2. Then, when this pilot arc is struck, it is transferred to the parts to be welded together by being expelled through the single nozzle orifice 2 of the welding head. - At the time of welding, to carry out an additional supply of the hybrid head with a second gas, coming from a gas source 5, so as to obtain a mixture of the first and second gases into a protective gas used for. protect the bath of molten metal resulting from the combination of the plasma arc and the laser beam, that is to say the solder joint. The second gas is formed from pure helium or a gaseous mixture based on helium, which preferably contains from 50 to 100% by volume of helium, the remainder being argon, hydrogen, nitrogen, carbon dioxide, oxygen or any other suitable gas or gas mixture.
Cependant, selon l'invention, pour obtenir un soudage efficace, c'est-à-dire qu'il ne se forme pas de plasma néfaste issu du gaz de protection au contact du plasma de vapeur métallique et donc qu'il ne se produit pas d'adsorption d'une partie importante du faisceau laser 3, il est indispensable de contrôler, ajuster, réguler ou choisir le débit volumique du premier gaz (Ql avec Ql non nul) et le débit volumique du deuxième gaz (Q2) de sorte que l'on obtient un débit du deuxième gaz nettement supérieur à celui du premier gaz (Q2>Q1). La gestion des flux gazeux se fait au moyen d'un coffret de pilotage 6 classique de sorte que, jusqu'à l'obtention d'un amorçage correct, il s'opère une alimentation de la tête de soudage avec du gaz plasmagène (4), alors qu'une fois l'arc électrique pilote détecté par le coffret de pilotage 6, celui-ci commande une électrovanne (non montrée) qui s'ouvre de sorte de délivrer le gaz de protection (5) pour augmenter, par exemple, la teneur en hélium dans la tête de manière à passer d'une atmosphère gazeuse contenant majoritairement de l'argon utilisée pour amorcer l'arc pilote à une atmosphère gazeuse contenant majoritairement de l'hélium utilisable pour souder. Le cycle d'amorçage est par exemple le suivant :
- ouverture de la vanne (non représentée) contrôlant l'arrivée du gaz plasmagène 4 autour de l'électrode, par exemple un débit d'environ 5 l/min d'argon.However, according to the invention, in order to obtain efficient welding, that is to say that no harmful plasma is formed from the shielding gas in contact with the metal vapor plasma and therefore that no no adsorption of a large part of the laser beam 3, it is essential to control, adjust, regulate or choose the volume flow rate of the first gas (Ql with Ql not zero) and the volume flow rate of the second gas (Q2) so that we obtain a flow rate of the second gas significantly higher than that of the first gas (Q2> Q1). The gas flow is managed by means of a conventional control box 6 so that, until a correct ignition is obtained, there is a supply of the welding head with plasma gas (4 ), while once the pilot electric arc has been detected by the control box 6, the latter controls a solenoid valve (not shown) which opens so as to deliver the shielding gas (5) to increase, for example , the helium content in the head so as to pass from a gaseous atmosphere containing mainly argon used to strike the pilot arc to a gaseous atmosphere containing mainly helium usable for welding. The priming cycle is for example the following: - Opening of the valve (not shown) controlling the arrival of the plasma gas 4 around the electrode, for example a flow rate of approximately 5 l / min of argon.
- un courant de faible ampérage est délivré entre l'électrode et la tuyère de manière à générer un arc pilote et, lorsque l'arc pilote est détecté, la tête de soudage est rapprochée des pièces à souder de façon à créer le plasma d'arc qui est envoyé vers les bords à souder- a low amperage current is delivered between the electrode and the nozzle so as to generate a pilot arc and, when the pilot arc is detected, the welding head is brought closer to the parts to be welded so as to create the plasma of arc which is sent to the edges to be welded
- alimentation de la tête de soudage avec un gaz de protection, de l'hélium par exemple, à un débit de 20 l/min de façon à protéger le bain de fusion formé,- supplying the welding head with a protective gas, for example helium, at a flow rate of 20 l / min so as to protect the molten bath formed,
- émission du faisceau laser 3 et fixation de l'intensité de l'arc plasma à sa valeur de consigne de soudage.- emission of the laser beam 3 and fixing of the intensity of the plasma arc at its welding set point value.
L'Invention est applicable notamment au soudage de tubes, en soudage axial ou hélicoïdal, ou de flancs raboutés destinés à constituer au moins une partie d'un élément de carrosserie de véhicule.The invention is applicable in particular to the welding of tubes, in axial or helical welding, or in butted flanks intended to constitute at least part of a vehicle body element.
L'invention peut être utilisée pour assembler par soudage hybride des pièces métalliques ayant des épaisseurs égales ou différentes, et/ou des compositions métallurgiques ou des nuances métallurgiques identiques ou différentes, et/ou des épaisseurs égales ou différentes.The invention can be used to assemble by hybrid welding metal parts having equal or different thicknesses, and / or metallurgical compositions or identical or different metallurgical grades, and / or equal or different thicknesses.
De plus, suivant les méthodes et les préparations de soudage utilisées, le joint à souder se caractérise souvent par une différence de niveau entre les plans supérieurs de chacune des pièces à souder conduisant ainsi à la génération d'une "marche", mais on peut également rencontrer la situation inverse, à savoir des joints de type flancs raboutés dont les plans supérieurs sont alignés mais dont les plans inférieurs ne sont pas de même niveau et où la vmarche' est située à l'envers du joint à souder.In addition, depending on the welding methods and preparations used, the weld joint is often characterized by a difference in level between the upper planes of each of the parts to be welded, thus leading to the generation of a "step", but it is possible to also experience the opposite, namely the flanks type seals the tailored whose upper planes are aligned but the lower planes are not of the same level and where v market is located at the back of the weld joint.
On trouve fréquemment ce genre de soudures dans l'industrie automobile où les pièces, une fois soudées, sont embouties pour leur donner leurs formes finales, par exemple les différentes pièces qui entrent dans la fabrication d'une carrosserie de voiture et notamment les portières, le toit, le capot, le coffre ou des éléments de structure de l'habitacle.This type of weld is frequently found in the automobile industry where the parts, once welded, are stamped to give them their final shapes, for example the various parts which are used in the manufacture of a car bodywork and in particular the doors, the roof, hood, trunk or structural elements of the passenger compartment.
Bien entendu, dans tous les cas, la ou les pièces à souder et la tête de soudage sont animés d'un mouvement de déplacement relatif l'un par rapport à l'autre, c'est-à- dire soit la ou les pièces sont fixes et la tête de soudage se déplace, soit l'inverse.Of course, in all cases, the part or parts to be welded and the welding head are driven in a movement of movement relative to one another, that is to say either the part or parts are fixed and the welding head moves, the reverse.
Par ailleurs, il va de soi que la phase de soudage peut se faire en une ou plusieurs passes notamment suivant le diamètre et l'épaisseur à souder.
Furthermore, it goes without saying that the welding phase can be done in one or more passes, in particular according to the diameter and the thickness to be welded.