EP1436115A1 - Procede d'amorcage de l'arc electrique en soudage hybride laser-arc - Google Patents

Procede d'amorcage de l'arc electrique en soudage hybride laser-arc

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Publication number
EP1436115A1
EP1436115A1 EP02774855A EP02774855A EP1436115A1 EP 1436115 A1 EP1436115 A1 EP 1436115A1 EP 02774855 A EP02774855 A EP 02774855A EP 02774855 A EP02774855 A EP 02774855A EP 1436115 A1 EP1436115 A1 EP 1436115A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
arc
welded
welding
volume
helium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02774855A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Karim Chouf
Philippe Lefebvre
Olivier Matile
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP1436115A1 publication Critical patent/EP1436115A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K28/00—Welding or cutting not covered by any of the preceding groups, e.g. electrolytic welding
    • B23K28/02—Combined welding or cutting procedures or apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/346—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding
    • B23K26/348—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding in combination with arc heating, e.g. TIG [tungsten inert gas], MIG [metal inert gas] or plasma welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/18—Sheet panels
    • B23K2101/185—Tailored blanks

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, 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 tailored blanks, in particular usable in the automotive industry.
  • 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.
  • 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 .
  • the production of the welding is based on localized melting phenomena of matter at the point of impact of the laser beam where it forms a capillary filled with metallic vapors ionized at high temperature, called keyhole (keyhole).
  • keyhole metallic vapors ionized at high temperature
  • the walls of this capillary are made of molten metal.
  • This capillary has an important role because it allows energy to be transferred 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the creation of such a plasma of the shielding gas can absorb the energy of the incident laser 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.
  • a gas with high ionization potential 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.
  • hybrid arc-laser welding 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.
  • 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'Welding of aluminum alloy 5052, TP Dieb ' old and CE Albright, 1984, p. 18-24; SU-A-1815085, US-A-4,689,466; Plasma arc augmented laser welding, RP Walduck and 3. Biffin, p.172-176, 1994; or TIG or MIG arc augmented laser welding of thick mild stéel plate, Joining and Materials, by J Matsuda et al., p. 31-34, 1988.
  • a hybrid plasma-laser welding process 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 plasma gas must contain essentially argon to allow effective arc striking.
  • 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 weld quality because it reduces the depth of penetration of the beam.
  • the shielding gas of the molten bath must mainly contain helium to avoid the formation of an absorbent plasma.
  • 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.
  • 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 electric arc, using at least one electrode supplied with electric current, in the presence of a gaseous ignition composition containing at least 50% by volume of argon for striking a pilot arc, (b) transfer of the pilot arc initiated in step (a) to the parts to be welded, (c) sending a protective gaseous atmosphere containing at least 50% by volume of helium to the welding zone to protect at least part of the welding zone and welding the weld joint, in the presence of said gaseous atmosphere protection, by combining the laser beam and the electric arc.
  • the priming gas composition contains more than 60% by volume of argon, preferably from 70 to 100% by volume of argon.
  • the priming gas also contains at least one additional non-oxidizing compound chosen from helium, H 2 , N 2 in a content of 0.05 to 30% by volume.
  • step (a) the ignition of the electric arc takes place between an electrode and a nozzle so as to subsequently obtain a plasma arc.
  • step (b) the transfer of the pilot arc is done by bringing the welding head delivering the plasma arc towards the part to be welded.
  • the protective gas atmosphere contains at least 40% by volume of helium, preferably from 50 to 100% by volume of helium.
  • the protective gaseous atmosphere 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% in volume.
  • step (c) the laser beam and the plasma arc are delivered, by being combined together, through the same orifice of a welding nozzle.
  • 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 elastic limit, carbon steels, steels comprising on the surface a layer of zinc alloy, stainless steels, aluminum or aluminum alloys.
  • the parts to be welded have a thickness between 0.1 and 70 mm, preferably between 0.3 and 50 mm.
  • step (a) It further comprises a step of detecting the formation or the existence of a pilot arc initiated in step (a) between the electrode and the nozzle.
  • the priming gas composition contains argon and helium
  • the protective gaseous atmosphere contains argon and helium and in that the priming gas composition and the protective gas atmosphere contains unequal proportions of helium and / or argon.
  • 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.
  • 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.
  • a gas laser oscillator type C0 2 laser
  • 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.
  • an arc plasma jet is obtained by means of an electrode 1 and a plasma gas 4.
  • the laser beam 3 and the plasma jet combine in the welding head so as to be expelled together by the single orifice of the nozzle 2 and to locally concentrate enough power density to melt the edges of the parts to be welded.
  • this gaseous ignition composition coming from the source 4, is introduced into the welding head in the immediate vicinity and / or around the electrode 1 so as to strike a pilot arc between said electrode 1 non-fuse and the nozzle 2.
  • this pilot arc is correctly struck, it is transferred to the parts to be welded together, being expelled through the single nozzle orifice 2 of the welding head.
  • This protective gas is formed according to the invention from helium or a gaseous mixture based on helium, which preferably contains from 50 to 100% by volume of helium, the remainder possibly being argon, hydrogen. , or any other suitable gas or gas mixture.
  • the conditions are such that no harmful plasma is formed from the shielding gas in contact with the metal vapor plasma and therefore there is no adsorption of a large part of the laser beam 3.
  • 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 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.
  • a priming cycle is for example the following:
  • valve opening of the valve allowing the arrival of the plasma gas 4 around the electrode, for example a flow rate of approximately 5 l / min of argon,
  • the welding head when the pilot arc is detected, the welding head is brought closer to the parts to be welded so as to create a plasma with the sending of a protective gas, for example helium, at a rate of 20 l / min so protecting the molten bath formed, and
  • a protective gas for example helium
  • the laser beam 3 is then emitted and the intensity then takes its welding setpoint, the beam combining with the arc plasma.
  • the approximation of the welding head of the piece or pieces to be welded so as to create the plasma arc is therefore advantageously effected after detection of a pilot arc, preferably said approximation is effected almost simultaneously with the sending of the protective gas atmosphere containing at least 50% by volume of helium.
  • the laser beam is emitted, that is to say guided or sent to the zone to be melted, simultaneously or subsequently with the formation of the plasma arc so that said beam combines with the arc plasma after formation of said arc plasma.
  • the invention is applicable in particular to the welding of tubes, in axial or helical welding, or of butted sidewalls intended to constitute at least a part of a vehicle body element.
  • the invention therefore also relates to a method of manufacturing a tube welded, 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.
  • 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.
  • 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 meet the opposite situation, namely joints of the butt-jointed sides whose upper planes are aligned but whose lower planes are not of the same level and where the 'step' is located on the reverse side of the joint to be welded.
  • 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.
  • the welding phase can be done in one or more passes, in particular according to the diameter and the thickness to be welded.

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Abstract

Procédé de soudage hybride arc-laser d'une ou plusieurs pièces métalliques a souder, tel des bords d'un tube ou des flancs raboutes (tailored blanks) par réalisation d'un joint de soudure entre des bords 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 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 (a) un amorçage d'au moins un arc électrique, en utilisant au moins une électrode alimentée en courant électrique, en présence d'une composition gazeuse d'amorçage contenant au moins 50% en volume d'argon pour obtenir l'amorçage d'un arc pilote, (b) un transfert de l'arc pilote amorce à l'étape (a) aux pièces à souder, et (c) un envoi vers la zone de soudage d'une atmosphère gazeuse de protection contenant au moins 50% en volume d'hélium pour protéger au moins une partie de la zone de soudage et soudage du joint de soudure, en présence de ladite atmosphère gazeuse de protection, en combinant le faisceau laser et l'arc électrique. La composition gazeuse d'amorçage contient plus de 60% en volume d'argon, de préférence de 70 a 100 % en volume d'argon, et éventuellement au moins un composé additionnel non oxydant choisi parmi l'hélium, Hz, Nz en une teneur de 0.05 a 30% en volume.

Description

Procédé d'amorçage de l'arc électrique en soudage hybride laser-arc
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 blanks), notamment utilisables dans l'industrie automobile.
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.
Actuellement, il existe différentes façons de procéder pour obtenir l'amorçage d'un arc dans une torche à arc électrique, à savoir :
- 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 exemple 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.
- 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.
Dans les deux cas, lorsque l'arc est amorcé, celui-ci est ensuite transféré sur la ou les pièces à souder.
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.
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.
En outre, en soudage à l'arc plasma, il est habituel d'utiliser des gaz plasmagènes contenant principalement de l'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.
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 oeuvre, en générai 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.
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.
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.
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.
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.
Or, la création d'un tel plasma du gaz de protection peut absorber l'énergie du faisceau laser 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.
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.
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'Welding of aluminium alloy 5052, TP Dieb'old et CE Albright, 1984, p. 18-24 ; SU-A-1815085, US-A-4,689,466 ; Plasma arc augmented laser welding, RP Walduck et 3. Biffin, p.172-176, 1994; ou TIG or MIG arc augmented laser welding of thick mild stéel plate, Joining and Materials, de 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 l'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.
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.
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.
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 électrique, en utilisant au moins une électrode alimentée en courant électrique, en présence d'une composition gazeuse d'amorçage contenant au moins 50% en volume d'argon pour obtenir l'amorçage d'un arc pilote, (b) transfert de l'arc pilote amorcé à l'étape (a) aux pièces à souder, (c) envoi vers la zone de soudage d'une atmosphère gazeuse de protection contenant au moins 50% en volume d'hélium pour protéger au moins une partie de la zone de soudage et soudage du joint de soudure, en présence de ladite atmosphère gazeuse de protection, en combinant le faisceau laser et l'arc électrique. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes :
- à l'étape (a), la composition gazeuse d'amorçage contient plus de 60% en volume d'argon, de préférence de 70 à 100 % en volume d'argon.
- à l'étape (a), le gaz d'amorçage contient, par ailleurs, au moins un composé additionnel non oxydant choisi parmi l'hélium, H2, N2 en une teneur de 0.05 à 30% en volume.
- à l'étape (a), l'amorçage de l'arc électrique se fait entre une électrode et une tuyère de manière à obtenir subséquemment un arc plasma.
- à l'étape (b), le transfert de l'arc pilote se fait par rapprochement de la tête de soudage délivrant l'arc plasma vers la pièce à souder.
- à l'étape (c), l'atmosphère gazeuse de protection contient au moins 40% en volume d'hélium, de préférence de 50 à 100 % en volume d'hélium.
- à l'étape (c), l'atmosphère gazeuse de protection 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.
- 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.
- 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.
- la ou les pièces à souder ont une épaisseur comprise entre 0,1 et 70 mm, de préférence entre 0,3 et 50 mm.
- la ou les pièces à souder sont des flancs raboutés (tailored blanks) formant des éléments d'une carrosserie automobile.
- il comporte, en outre, une étape de détection de la formation ou de l'existence d'un arc pilote amorcé à l'étape (a) entre l'électrode et la tuyère.
- à l'étape (a), la composition gazeuse d'amorçage contient de l'argon et de l'hélium, en ce qu'à l'étape (c), l'atmosphère gazeuse de protection contient de l'argon et de l'hélium et en ce que la composition gazeuse d'amorçage et l'atmosphère gazeuse de protection contient des proportions d'hélium et/ou d'argon non égales.
- le basculement de l'utilisation de la composition gazeuse d'amorçage vers l'utilisation de l'atmosphère gazeuse de protection pour alimenter de la tête de soudage est opérée pendant le transfert de l'étape (b) ou immédiatement après transfert de l'arc pilote aux pièces à souder, de préférence après le transfert de l'arc pilote. - la pièce à souder est soudée de manière à obtenir un tube. • L'invention porte aussi sur 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.
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.
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.
En outre, un jet de plasma d'arc est obtenu au moyen d'une électrode 1 et d'un gaz plasmagène 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 et à concentrer localement suffisamment de densité de puissance pour fondre les bords des pièces à souder.
Il a été mis en évidence par les inventeurs de la présente invention que, pour obtenir un amorçage efficace, il est nécessaire d'introduire a contact de l'électrode 1 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 approprié non oxydant .
Comme visible sur la figure annexée, 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 un arc pilote entre ladite électrode 1 non-fusible et la tuyère 2.
Ensuite, lorsque cet arc pilote est amorcé correctement, il est transféré aux pièces à souder ensemble en étant expulsé par l'orifice unique de tuyère 2 de la tête de soudage.
On procède alors à une introduction du gaz de protection, issu d'une source de gaz de protection 5, pour protéger le bain de fusion, c'est-à-dire le joint de soudure se formant. Ce gaz de protection est formé selon l'invention d'hélium 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, ou tout autre gaz ou mélange gazeux approprié. En procédant ainsi, les conditions sont telles qu'il ne se forme pas de plasma néfaste issu du gaz de protection au contact du plasma de vapeur métallique et donc il ne se produit pas d'adsorption d'une partie importante du faisceau laser 3.
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.
Un cycle d'amorçage est par exemple le suivant :
- ouverture de la vanne permettant l'arrivée du gaz plasmagène 4 autour de l'électrode, par exemple un débit d'environ 5 l/min d'argon,
- puis, envoi d'un courant de faible ampérage entre l'électrode et la tuyère pour amorcer l'arc pilote,
- lorsque l'arc pilote est détecté, la tête de soudage est rapprochée des pièces à souder de façon à créer un plasma avec envoi d'un gaz de protection, de l'hélium par exemple, à raison de 20 l/min de façon à protéger le bain de fusion formé, et
- le faisceau laser 3 est ensuite émis et l'intensité prend alors sa consigne de soudage, le faisceau se combinant avec le plasma d'arc.
Le rapprochement de la tête de soudage de la ou des pièces à souder de façon à créer l'arc-plasma est donc opéré avantageusement 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. En outre, le faisceau laser est, quant à lui, émis, c'est-à-dire guidé ou envoyé vers la zone à fondre, simultanément ou subséquemment à la formation de l'arc plasma de manière à ce que ledit faisceau se combine avec le plasma d'arc après formation dudit arc-plasma.
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.
L'invention concerne donc aussi 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. 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. 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 'marche' est située à l'envers du joint à souder.
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.
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.
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.

Claims

Revendications
1. 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 : (a) un amorçage d'au moins un arc électrique, en utilisant au moins une électrode alimentée en courant électrique, en présence d'une composition gazeuse d'amorçage contenant au moins 50% en volume d'argon pour obtenir l'amorçage d'un arc pilote,
(b) un transfert de l'arc pilote amorcé à l'étape (a) aux pièces à souder,
(c) un envoi vers la zone de soudage d'une atmosphère gazeuse de protection contenant au moins 50% en volume d'hélium pour protéger au moins une partie de la zone de soudage et soudage du joint de soudure, en présence de ladite atmosphère gazeuse de protection, en combinant le faisceau laser et l'arc électrique.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'étape (a), la composition gazeuse d'amorçage contient plus de 60% en volume d'argon, de préférence de 70 à 100 % en volume d'argon.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'à l'étape (a), le gaz d'amorçage contient, par ailleurs, au moins un composé additionnel non oxydant choisi parmi l'hélium, H2, N2 en une teneur de 0.05 à 30% en volume.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'à l'étape (a), l'amorçage de l'arc électrique se fait entre une électrode et une tuyère de manière à obtenir subséquemment un arc plasma.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'à l'étape (b), le transfert de l'arc pilote se fait par rapprochement de la tête de soudage délivrant l'arc plasma vers la pièce à souder.
. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'étape (c), l'atmosphère gazeuse de protection contient au moins 40% en volume d'hélium, de préférence de 50 à 100 % en volume d'hélium.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 6, caractérisé en ce qu'à l'étape (c), l'atmosphère gazeuse de protection 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.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'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.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, 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 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.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la ou les pièces à souder ont une épaisseur comprise entre 0,1 et 70 mm, de préférence entre 0,3 et 50 mm.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la ou les pièces à souder sont des flancs raboutés (tailored blanks) formant des éléments d'une carrosserie automobile.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une étape de détection de la formation ou de l'existence d'un arc pilote amorcé à l'étape (a) entre l'électrode et la tuyère.
13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'à l'étape (a), la composition gazeuse d'amorçage contient de l'argon et de l'hélium, en ce qu'à l'étape (c), l'atmosphère gazeuse de protection contient de l'argon et de l'hélium et en ce que la composition gazeuse d'amorçage et l'atmosphère gazeuse de protection contient des proportions d'hélium et/ou d'argon non égales.
14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le basculement de l'utilisation de la composition gazeuse d'amorçage vers l'utilisation de l'atmosphère gazeuse de protection pour alimenter de la tête de soudage est opérée pendant le transfert de l'étape (b) ou immédiatement après transfert de l'arc pilote aux pièces à souder, de préférence après le transfert de l'arc pilote.
15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que la pièce à souder est soudée de manière à obtenir un tube.
16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que 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).
17. Procédé selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que 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.
18. 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'une des revendications 1 à 17.
19. 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'une des revendications 1 à 17.
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