FR2836080A1 - Procede de configuration d'un faisceau laser et procedes de soudage de toles par laser - Google Patents

Procede de configuration d'un faisceau laser et procedes de soudage de toles par laser Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de configuration d'un faisceau (8) laser émis par une pluralité de diodes (10) laser, les diodes étant commandées en puissance par groupes d'au moins une diode.L'invention a également pour objet des procédés de soudage utilisant ce procédé de configuration.

Description

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L'invention concerne objet un procédé de configuration d'un faisceau laser. Le faisceau laser ainsi configuré est utilisable notamment pour des applications de soudage, de traitement thermique, de découpe de tôles... par exemple pour l'industrie automobile.
Il existe actuellement un grand nombre de sources laser telles que, par exemple, des lasers de type YAG ou CO2. Ces lasers fournissent un faisceau qui, lorsqu'il est émis en direction de la surface d'une pièce, forme sur celle-ci une tâche focale (appelée également point de focalisation, spot...) au niveau de laquelle l'énergie du faisceau laser est uniformément répartie.
Or, il est apparu que, dans certaines applications, il peut être préférable que l'énergie du faisceau au niveau de la tâche focale ne soit pas uniformément répartie. Des systèmes optiques, et notamment des lentilles de Fresnel, ont été envisagés pour configurer le faisceau de manière à obtenir une répartition d'énergie non uniforme du faisceau. Toutefois, ces systèmes sont complexes et coûteux à réaliser.
Selon l'invention, on prévoit un procédé de configuration d'un faisceau laser émis par une pluralité de diodes laser, les diodes étant commandées en puissance par groupes d'au moins une diode.
Les diodes étant commandées par groupes, elles peuvent fournir des faisceaux de puissances différentes pour constituer un faisceau formant une tâche focale avec une répartition non uniforme de l'énergie. Ceci permet, d'une manière particulièrement simple à mettre en oeuvre, d'obtenir une configuration particulière du faisceau laser en limitant, voire en évitant, la nécessité d'un recours à des moyens optiques de configuration.
L'invention a également pour objet un procédé de soudage de tôles superposées de manière à avoir des faces en regard, au moins une des faces en regard étant recou-
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verte d'un revêtement ayant une température de fusion inférieure ou égale à une température de fusion des tôles, le procédé comprenant les étapes de : - émettre un faisceau laser vers les tôles selon une direction sensiblement normale aux tôles, au moyen d'une pluralité de diodes laser, - déplacer le faisceau selon une trajectoire de soudage, les diodes étant commandées en puissance par groupes d'au moins une diode de telle manière que le faisceau présente transversalement à sa direction d'émission au moins deux zones successives par référence à la trajectoire de soudage, à savoir une zone avant ayant une puissance adaptée pour vaporiser le revêtement et une zone arrière ayant une puissance adaptée pour réaliser le soudage des deux tôles.
Dans les procédés connus de soudage par transparence de tôles galvanisées, le faisceau laser qui est utilisé pour souder les deux tôles vaporise le revêtement de zinc en formant des vapeurs qui s'échappent au travers du bain de fusion ou y restent emprisonnées, affectant la résistance et la qualité de la soudure réalisée. Au contraire, dans l'invention, le revêtement est vaporisé avant la soudure à proprement parler, ce qui permet aux vapeurs de s'échapper avant que la soudure ne débute et limite le risque que les vapeurs ne viennent interférer avec le bain de fusion de la zone de soudage.
De préférence, le faisceau a une section transversale oblongue dont la plus grande dimension s'étend selon la trajectoire de soudage.
Ceci facilite l'échappement de vapeurs en limitant encore le risque d'interférence avec le bain de fusion de la zone de soudage.
L'invention concerne aussi un procédé de soudage de deux tôles minces, au moins une des tôles ayant un pli
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de telle manière que les tôles ont deux portions parallèles rapprochées qui sont adjacentes à deux portions divergentes formant un sillon, le procédé comprenant les étapes de : - émettre un faisceau laser en direction du sillon au moyen d'une pluralité de diodes laser, - déplacer le faisceau selon une trajectoire sen- siblement parallèle au sillon, les diodes étant commandées en puissance par groupes d'au moins une diode de telle manière que le faisceau présente transversalement à sa direction d'émission une dimension et une puissance adaptées pour former un bain de fusion à partir de chaque portion divergente au voisinage des portions parallèles.
Les lasers connus, notamment pour le soudage par transparence, ne sont pas utilisés pour le soudage dans un sillon car leur caractéristiques, et notamment leur tâche focale circulaire de petit diamètre, supposeraient que le dispositif d'émission du laser soit toujours parfaitement aligné avec le fond du sillon et que le jeu entre les tôles soit très faible, ces conditions étant difficiles à respecter dans le cadre d'une exploitation industrielle ; et la liaison des tôles ne serait obtenue qu'au fond du sillon de sorte que sa résistance serait relativement faible. Au contraire, le procédé de soudage de l'invention permet de manière simple, efficace et économique la réalisation d'une soudure chevauchant le sillon pour relier les portions divergentes.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de mise en oeuvre particulier non limitatif de l'invention.
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle,
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en perspective, illustrant la mise en oeuvre d'un premier procédé de soudage conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue agrandie en coupe selon la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3 est une vue schématique partielle en section longitudinale illustrant la mise en oeuvre d'un deuxième procédé de soudage conforme à l'invention.
En référence aux figures 1 et 2, le premier procédé de soudage conforme à l'invention est ici décrit en application au soudage de deux tôles généralement désignées en 1 et 2, qui sont pliées de telle manière qu'elles comportent chacune deux portions 3.1, 3.2 et 4.1, 4.2 qui forment un angle entre elles et se rejoignent au niveau d'un pli 5. 1, 5.2.
Les tôles 1, 2 sont accolées par leurs portions 3.1, 3.2 de telle manière que les portions 4.1, 4.2 divergent l'une par rapport à l'autre et délimitent entre elles, au niveau des plis 5.1, 5.2, un sillon 6 ayant un fond 7. Les portions 3.1, 3.2 peuvent également être légèrement écartées pour laisser entre elles un jeu par exemple de l'ordre de 1 mm. Il est à noter qu'une seule des tôles peut être pliée.
Le procédé de soudage conforme à l'invention comprend les étapes de : - émettre un faisceau laser généralement désigné en 8 en direction du fond 7 du sillon 6, - déplacer le faisceau 8 selon une trajectoire sensiblement parallèle au sillon 6.
Le faisceau 8 est obtenu par la réunion de faisceaux 9 émis par des diodes laser 10 agencées en une barrette 11 s'étendant perpendiculairement au sillon 6. Des moyens optiques de focalisation non représentés, tels que des lentilles, peuvent être disposés entre la barrette 11 et les tôles 1, 2.
Les diodes sont agencées et commandées, ainsi que
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plus généralement l'ensemble du dispositif d'émission du faisceau laser, pour fournir un faisceau 8 ayant une dimension d transversale au sillon 6 et une puissance adaptées pour former un bain de fusion à partir de chaque portion 4. 1, 4.2 au voisinage du fond 7 du sillon 6.
Conformément au procédé de configuration de l'invention, chaque diode laser 10 est commandée individuellement en puissance pour que son faisceau 9 ait une puissance adaptée à la quantité de matière à fondre, et
Figure img00050001

donc une profondeur de pénétration P, telle que l'épaisseur e de métal fondu par le faisceau 8 formé de l'ensemble des faisceaux 9, sur chacune des portions 4.1, 4.2, soit constante. L'épaisseur e est mesurée localement selon une normale à la portion 4.1, 4.2 en question. Les diodes laser 10 peuvent également être commandées en puissance par groupes de une et/ou plusieurs diodes accolées ou non, c'est-à-dire que les diodes d'un même groupe émettent des faisceaux de même puissance.
Le faisceau 8 comprend ainsi, selon une direction transversale au sillon 6 et en regard de chaque portion 4.1, 4.2 au voisinage du fond 7 du sillon 6, une zone 12 de puissance croissante depuis l'extérieur vers le centre du faisceau. Il ressort en effet de la vue de la figure 2 que, pour avoir une épaisseur e constante, la profondeur de pénétration p du faisceau 8 doit ici croître à mesure que l'on s'approche du fond 7.
En revanche, il est apparu qu'il n'est pas obligatoire pour l'obtention d'une soudure correcte de fondre superficiellement les portions 4. 1, 4.2 à proximité immédiate du fond 7. Les diodes laser 10 s'étendant en regard du fond 7 sont donc commandées pour que le faisceau 8 comprenne une zone de puissance réduite 13 (l'accroissement de la puissance y est interrompue) en regard du fond 7 du sillon 6. Ces diodes peuvent donc être associées pour former un groupe commandé en puis-
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sance comme mentionné ci-dessus. Ces diodes laser pourraient également être omises ou désactivées.
L'ensemble du dispositif d'émission du faisceau laser 8 est agencé (notamment en ce qui concerne la disposition des diodes laser 10 et la structure des éventuels moyens optiques de focalisation) pour que le faisceau 8 ait une section transversale oblongue, et plus particulièrement ici de forme sensiblement rectangulaire, dont la plus grande dimension d est perpendiculaire au sillon 6. La dimension d est ici de l'ordre de 2 à 3 millimètres, cette dimension pouvant être modifiée en fonction de la forme du sillon 6 ou de l'épaisseur des tôles.
En référence à la figure 3, le deuxième procédé de soudage de l'invention est décrit en application au soudage de deux tôles 21,22 ayant des faces 21.1, 21.2, 22.1, 22.2 recouvertes chacune d'un revêtement 23. Les tôles 21,22 sont ici en acier et le revêtement 23 est ici en zinc.
Les tôles 21,22 sont superposées de telle manière que les faces 21.2 et 22.1 soient en regard l'une de l'autre.
Le procédé de soudage comprend les étapes de : - émettre un faisceau laser 8 vers la tôle 21 selon une direction sensiblement perpendiculaire à celleci, - déplacer le faisceau selon une trajectoire de soudage.
Le faisceau 8 est obtenu par la réunion de faisceaux 9 émis par des diodes laser 10 disposées selon un agencement oblong en forme de barrette 11 s'étendant parallèlement à la trajectoire de soudage. Des moyens optiques de focalisation non représentés, tels que des lentilles, peuvent être disposés entre la barrette 11 et les tôles 21, 22.
L'ensemble du dispositif d'émission du faisceau
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laser 8 est ainsi agencé (notamment en ce qui concerne la disposition des diodes laser 10 et la structure des éventuels moyens optiques de focalisation) pour que le faisceau 8 ait une section transversale oblongue, et plus particulièrement ici de forme sensiblement rectangulaire, dont la plus grande dimension d est alignée avec la trajectoire de soudage.
Conformément au procédé de configuration de l'invention, les diodes laser 10 sont divisées par référence à la trajectoire de soudage en deux groupes, à savoir un groupe avant 10.1 et un groupe arrière 10.2, commandés séparément en puissance.
Les diodes 10 du groupe avant 10.1 sont commandées en puissance pour que leur faisceau 9 ait une profondeur de pénétration et un pouvoir calorifique adaptés pour vaporiser le revêtement 23 recouvrant les couches 21.1, 21.2, 22.1, sans provoquer une fusion de la tôle 21 sur toute son épaisseur et donc sans provoquer non plus une fusion de la tôle 22.
Les diodes 10 du groupe arrière 10.2 sont commandées en puissance pour que leur faisceau 9 ait une profondeur de pénétration et un pouvoir calorifique adaptés pour réaliser le soudage des tôles 21,22 par transparence en provoquant une fusion locale des tôles 21 et 22.
On notera que des barrettes 11 peuvent être accolées perpendiculairement à la trajectoire de soudage. Il est alors possible de prévoir que dans cette direction toutes les diodes émettent des faisceaux 9 de même puissance ou au contraire des faisceaux 9 de puissances différentes.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe également tout mode de réalisation et variante reproduisant l'objet des revendications.
En particulier, le nombre et l'agencement des
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diodes laser peut être modifié de telle manière par exemple que les diodes se présentent sur plusieurs rangs ou soient décalées les unes par rapport aux autres selon une direction sensiblement parallèle à la bissectrice du sillon 6. Plusieurs barrettes peuvent être associées les unes aux autres afin notamment d'augmenter la puissance.
Bien que l'invention ait été décrite en relation avec le soudage de tôles métalliques, l'invention est applicable au soudage de tôles non métalliques et notamment en matière plastique et le revêtement peut être métallique ou non.
Concernant le procédé de configuration d'un faisceau laser, ce procédé est applicable notamment à tout type d'usinage ou de traitement, par exemple thermique, de pièces.
De plus, avec ce procédé de configuration, les diodes laser peuvent être commandées pour fournir un faisceau ayant une zone de puissance décroissante de l'extérieur vers le centre du faisceau ou une alternance de zones de plus forte et de plus faible puissance..., selon une répartition dans les directions transversales du faisceau qui sont parallèles ou forment un angle avec le sens de déplacement du faisceau ; ou toute autre répartition spatiale de la puissance adaptée à la forme de la pièce à usiner ou traiter, ou adaptée à l'opération d'usinage ou de traitement à réaliser.
La configuration du faisceau peut également être modifiée, notamment en fonction de la forme du sillon et/ou de la répartition de l'épaisseur à fondre si celleci n'est pas constante.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Procédé de configuration d'un faisceau (8) laser émis par une pluralité de diodes (10) laser, caractérisé en ce que les diodes sont commandées en puissance par groupes d'au moins une diode.
2. Procédé de configuration selon la revendication 1, dans lequel les groupes de diodes (10) sont commandées de manière que le faisceau (8) ait une puissance qui varie transversalement à une direction d'émission de celui-ci.
3. Procédé de configuration selon la revendication 2, dans lequel les diodes (10) sont organisées selon un agencement oblong (11) et sont commandées de telle manière que le faisceau (8) ait une puissance qui varie selon une dimension longitudinale de l'agencement.
4. Procédé de soudage de tôles (21,22) superposées de manière à avoir des faces (21.2, 22.1) en regard, au moins une des faces en regard étant recouverte d'un revêtement (23) ayant une température de fusion inférieure ou égale à une température de fusion des tôles, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : - émettre un faisceau laser vers les tôles selon une direction sensiblement normale aux tôles au moyen d'une pluralité de diodes (10) laser, - déplacer le faisceau selon une trajectoire de soudage, les diodes étant commandées en puissance par groupes d'au moins une diode de telle manière que le faisceau présente transversalement à sa direction d'émission au moins deux zones successives par référence à la trajectoire de soudage, à savoir une zone avant ayant une puissance adaptée pour vaporiser le revêtement et une zone arrière ayant une puissance adaptée pour réaliser le soudage des deux tôles.
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5. Procédé de soudage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le faisceau (8) a une section transversale oblongue dont la plus grande dimension (d) s'étend selon la trajectoire de soudage.
6. Procédé de soudage de deux tôles (1,2) minces, au moins une des tôles ayant un pli (5. 1, 5.2) de telle manière que les tôles ont deux portions parallèles rapprochées (3.1, 3.2) qui sont adjacentes à deux portions divergentes (4.1, 4.2) formant un sillon (6), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : - émettre un faisceau laser (8) en direction du sillon au moyen d'une pluralité de diodes () laser, - déplacer le faisceau selon une trajectoire sen- siblement parallèle au sillon, les diodes étant commandées en puissance par groupes d'au moins une diode de telle manière que le faisceau présente transversalement à sa direction d'émission une dimension (d) et une puissance adaptées pour former un bain de fusion à partir de chaque portion divergente au voisinage des portions parallèles.
7. Procédé de soudage selon la revendication 6, caractérisé en ce que la puissance du faisceau (8) varie selon une direction transversale au sillon (6) pour fondre une épaisseur (e) sensiblement constante de chaque portion divergente (4. 1, 4.2) au voisinage des portions parallèles (3.1, 3.2).
8. Procédé de soudage selon la revendication 7, caractérisé en ce que le faisceau (8) comprend, selon cette direction transversale et en regard de chaque portion divergente (4.1, 4.2) au voisinage des portions parallèles, une zone (12) de puissance croissante depuis l'extérieur vers le centre du faisceau.
9. Procédé de soudage selon la revendication 8, caractérisé en ce que le faisceau (8) comprend une
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zone centrale de croissance interrompue de la puissance (13).
10. Procédé de soudage selon la revendication 6, caractérisé en ce que le faisceau (8) a une section transversale oblongue dont la plus grande dimension (d) est sensiblement perpendiculaire au sillon (6).
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