FR2813031A1 - 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 Download PDF

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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

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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 (Metal Inert Gas), MAG (Metal Active Gas), TIG (Tungsten Inert Gais), plasma-, - un flux électronique, tel le soudage par faisceau d'électrons; et - un flux photonique, tel le soudage par faisceau laser C02 ou 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.
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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 oeuvre 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 ; E P-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 augmented laser welding, RP Walduck et J. Biffin, p.172-176, 1994; ou TIG or MIG arc augmented laser welding of thick 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
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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 oeuvre 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.
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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 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.
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 Nm.
- 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
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supérieure ou égale à 70% en volume, et d'au moins un composé additionnel choisi parmi H2, 02, 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 ceuvre 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.
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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 pm, il est possible de transporter le faisceau laser dans une fibre optique.
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Par rapport aux lasers de types C02 et Nd:YAG, 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 l'arc 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 oeuvre 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.
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Claims (14)

  1. 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 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.
  2. 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 Nm.
  3. 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. 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, Oz, C02 et N2 en une teneur de 0 à 30% en volume.
  5. 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
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    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. 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. 7. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'électrode est fusible ou non-fusible.
  8. 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. 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. 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. 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.
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  12. 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.
  13. 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 ceuvre 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.
  14. 14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que 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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