FR2840836A1 - Utilisation de melanges gazeux helium/azote/oxygene en soudage laser - Google Patents
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Abstract
Mélange gazeux pour soudage par faisceau laser allant jusqu'à 12 kW contenant de 10% à 80% en volume d'hélium et de l'azote et de l'oxygène pour le reste (jusqu'à 100%). Préférentiellement, le mélange gazeux est un mélange d'hélium et d'air. Procédé de soudage de pièces en acier ou en acier inoxydable mettant en oeuvre au moins un faisceau laser ayant une puissance allant jusqu'à 12 kW, dans lequel on utilise un mélange gazeux selon l'invention. Avantageusement, les pièces sont en acier carbone-manganèse.
Description
d'un procede de soudage selon l'une des revendications 1 a 9.
La presente invention concerne des melanges gazeux contenant de ltoxygene, de ['helium et de l'azote, notamment des melanges gazeux helium/air, et l'utilisation dans un procede de soudage laser a une puissance allant jusqu'a 12 kW de tels melanges gazeux. Le soudage par faisceau laser est un procede d'assemblage tres performant car il permet diobtenir, a des vitesses elevees, des profondeurs de penetration tres importantes si on les compare a d'autres procedes plus traditionnels, tel le soudage
plasma, le soudage MIG (Metal Inert Gas) ou le soudage TIG (Tungsten Inert Gas).
Ceci s'explique par les fortes densites de puissances mises en jeu lors de la focalisation, par un ou plusieurs miroirs ou lentilles, du faisceau laser au niveau du plan de jonction des pieces a souder, par exemple des densites de puissance pouvant 1 5 depasser 106 W/cm2 Ces fortes densites de puissance provoquent une forte vaporisation a la surface des pieces qui, en se defendant vers l'exterieur, induit un creusement progressif du bain de soudage et conduit 3 la formation d'un capillaire de vapeur etroit et profond, appele "keyhole" en anglais (= "trou de serrure") dans l'epaisseur des soles, c'est-a-dire
au niveau du plan de joint.
Ce capillaire permet un depBt direct de l'energie du faisceau laser en profondeur da ns la tBle et ce, par opposition avec les procedes de soudage plus convention nels ou le
depBt d'energie est localise a la surface.
A ce titre, on peut citer les documents suivants: DE-A-2713904, DE-A
4034745,]P-A-01048692, JP-A-56122690, WO 97/34730, JP-A-01005692, DE-A
4123716, JP-A-02030389, US-A-4,871,897, JP-A-230389, JP-A-62104693, JP-A15692,
JP-A-15693, JP-A-15694, JP-A-220681, JP-A-220682, JP-A-220683, WO-A88/01553,
WO-A-98/14302 DE-A-3619513 et DE-A-3934920.
Ce capillaire est constitue d'un melange de vapeurs metalliques et de plasma de vapeurs metalliques dont la particularite est d'absorber le faisceau laser et done de
pieger l'energie au sein du capillaire meme.
Une des problematiques du soudage laser est la formation d'un plasma de gaz de couverture. En effet, ce plasma de vapeurs metalliques, en ensemengant en electrons libres le gaz de couverture ou gaz de protection, peut deciencher ['apparition d'un plasma de
gaz de couverture qui est prejudiciable a ['operation de soudage.
Le faisceau laser incident peut alors etre fortement perturbe par le plasma de
gaz de couverture.
L'interaction du plasma de gaz de couverture avec le faisceau laser peut prendre diverges formes mats, le plus souvent, cela se traduit par un effet d'absorption et/ou de diffraction du faisceau laser incident qui peut conduire a une reduction importante de la densite de puissance laser eff'cace a la suRace de la cible, entranant une diminution de la profondeur de penetration, voire une perte de couplage entre le faisceau et la matiere
et done une interruption momentanee du processus de soudage.
Le seuil de densite de puissance a partir duquel le plasma appara^t depend du potentiel d'ionisation du gaz de couverture utilise et est inversement proportionnel au
carre de la longueur d'onde du faisceau laser.
Ainsi, il est tres difficile de souder sous argon pur avec un laser de type C02, tandis que cette operation peut etre realisee avec beaucoup moins de probleme avec un
laser de type YAG.
En general, en soudage laser C02, on utilise comme gaz de couverture de ['helium qui est un gaz a haut potentiel d'ionisation et qui permet de se premunir de ['apparition du plasma de gaz de couverture et ce, jusqu'a une puissance laser d'au
moins 45 kW.
L'helium a cependant ['inconvenient d'etre un gaz onereux et de nombreux 2 0 utilisateurs de laser preferaient utiliser d'autres gaz ou melanges gazeux moins onereux que i'helium mais qui permettraient neanmoins de limiter ['apparition du plasma de gaz de couverture et done d'obtenir des resultats de soudage similaires a ceux obtenus avec
['helium mais a un cout moindre.
Ainsi, il existe au plan commercial des melanges gazeux contenant de i'argon et de 1'helium, par exemple le melange gazeux contenant 30 % en volume d'helium et le reste etant de ['argon, commercialise sous ['appellation LASAL_ 2045 par la societe L'AIR LIQUIDE_, lesquels permettent d'obtenir sensiblement les memes resultats que ['helium, pour des puissances laser C02 inferieures a 5kW et pourvu que les densites de puissance engendrees ne solent pas trop importantes, c'est-a-dire environ superieures a
3 0 2000 kW/cm2.
Cependant, le probleme qui se pose avec ce type de melange Ar/He est que pour des densites de puissance laser plus importantes, il ntest plus adapte car le seuli de
creation du plasma de gaz de protection est alors depasse.
Par ailieurs, il est aussi primordial que la penetration de soudage soit au minimum maintenue, voire preferentiellement augmentee par rapport au meme procede
de soudage laser utilisant de ['helium.
En outre, encore un autre probleme reside dans le fait d'obtenir une soudure de resiilence elevee, ctest-a-dire une soudure capable d'absorber d'importantes quantites d'energie lors d'un choc. Les vaieurs de resiliences vent obtenues a partir de tests Charpy effectue a partir d'un mouton pendule. La resilience d'une soudure depend principalement de la nature du materieu de base, et du cycle thermique lie au processus de soudage. Il est connu que la presence de ferrite aciculaire ameliore la resilience du
cordon de soudure.
Le but de la presente invention est alors de proposer un procede de soudage laser utilisant des melanges gazeux particuliers utilisables avec un laser de puissance jusquia 12 kW, lesquels gaz et procede conduisent a l'obtention de cordons de soudure ayant des caracteristiques (penetration, metallurgic...) au moins egale 3 celies obtenues
avec de ['helium.
La solution de ['invention est alors un melange gazeux pour soudage par faisceau laser allant jusquia 12 kW contenant: - de 10% a 80% en volume dthelium et
- de l'azote et de l'oxygene pour le reste (jusqu'a 100%).
Selon le cas, le gaz de ['invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caracteristiques techniques suivantes: - il est de preference ternaire, c'est-a-dire ne contenant que les trots constituents suivants He, N2 et O2, avec eventuellement des impuretes gazeuses
inevitables.
- il contient des proportions volumiques d'azote et d'oxygene telles que le rapport de la teneur en azote 3 la teneur en oxygene (rapport teneur en N2/ teneur en
Oz) est compris entre 95/5 et 20/80.
- un tel melange HelO2/Nz peut etre obtenu par melange dans les proportions desirees des trots constituents issus de plusieurs sources de gaz, telles des bouteilles de gaz contenant chacune un des constituents ou de bouteilles contenant des pre-melanges
2 5 de piusieurs de ces constituents.
- il contient des proportions volumiques d'azote et d'oxygene telles que le rapport de la teneur en azote a la teneur en oxygene (rapport teneur en N2/ teneur en
02) est compris entre 95/5 et 80/20.
- il est forme de 10% a 70% d'helium et d'air pour le reste. Dans ce cas, l'air peut etre de l'air ambient, en particulier filtre ou partiellement reconstitue. Par exemple, des melanges gazeux avec rapport de teneurs azote/oxygene de l'ordre de 95/S pourront etre obtenus avec de l'air ambient soumis a filtration pour eliminer des poussieres qui s'y trouve puis soumis a une separation membranaire, par exemple avec une installation de filtration et separation membranaire commercialisee par la societe L'AIR LIQUIDE_ sous la denomination commerciale FLOXAL_. Pour realiser le melange gazeux adequat, l'air ambient sera comprime avec un compresseur adapte, par exemple un compresseur a vis ou a membrane. Si necessaire, l'air ainsi comprime devra etre aussi debarrasse des vapeurs ou gouttelettes dthulie ou d'autres hydrocarbures
susceptibles de sty trouver, en particulier du fait de la compression.
Selon un autre aspect, I'invention porte done aussi sur un procede de fabrication d'un melange gazeux selon ['invention, dans lequel: a) on comprime de l'air ambient, b) on filtre l'air ambient, c) on melange l'air filtre a de ['helium pour obtenir un melange gazeux contenant de 10% 3 80% en volume dthelium, de preference de 10% 3 70% d'helium, et essentiellement de l'azote et de l'oxygene pour le reste (jusqu'a %). Toutefois, s'agissant d'air ambient, la presence inevitable d'un ou
d'autres composes atmospheriques, tel ['argon, n'est pas 3 exclure.
Selon le cas, le procede de fabrication de ['invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caracteristiques techniques suivantes: - I'air filtre 3 I'etape b) est recupere et soumis 3 une etape de separation
membranaire prealablement 3 I'etape c).
- I'air est soumis 3 une etape de separation membranaire prealablement a I'etape c) de maniere a produire un flux de gaz contenant une proportion azote/oxygene comprise entre 95/5 et 85/15, de preference comprise entre 95/5 et 90/10, ledit flux de
gaz constituent l'air filtre de l'etape c).
Selon encore un autre aspect, I'invention porte aussi sur un procede de soudage par faisceau laser ayant une puissance allant jusqu'3 12 kW, dans lequel on utilise un
2 0 melange gazeux selon ['invention.
Seion le cas, le procede de ['invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caracteristiques techniques suivantes: - le procede est mis en ceuvre pour souder des pieces en acier ou acier inoxydable.
2 5 - le laser est de type C02 OU YAG, de preference CO2.
- on realise un soudage 3 moins penetration partielle de maniere 3 assembler
deux pieces a souder l'une avec l'autre, de preference a pleine penetration.
- on utilise un laser ayant une puissance de 13 12 kW, de preference de 4 a 8 kW. - on soude des pieces ayant une epaisseur allant de 0.3 a 30 mm, de preference
de 1 mm 310 mm.
- les pieces vent en acier HLES (Acier a Haute Limite Elastique).
- les pieces a souder ont un revetement surfacique de zinc, en particulier des
soles d'acier electrozinguees ou galvanisees.
- les pieces 3 souder vent disposees et soudees 3 clin, en bord-3-bord, par
transparence ou en angle et avec ou sans chanfrein.
- le soudage se fait par tache focale mono ou multi-spots (impact).
- la tache focale est circulaire ou oblongue.
- le debit de gaz est compris entre 5 I/min et 100 I/min.
- la pression du gaz est comprise entre 1 et 5 bars.
- la buse distribuant le gaz est une buse laterale ayant un diametre aliant de 3 a
mm ou une buse axiale ayant un diametre allant de a 50 mm.
De facon generale, le fait d'utiliser un melange gazeux selon ['invention en soudage laser permet d'obtenir une penetration au moins egale, voire meme superieure de 5 a 10 %, par rapport a de i'helium pun La dissociation endothermique de la molecule d'azote et d'oxygene au voisinage de la plume de plasma metallique de surface entrane une diminution de la temperature de cette derriere. L'absorption du faisceau laser incident par la plume de plasma metallique est alors moins efficace et la quantite d'energie laser disponible a la surface
de la tole et dans le capillaire de soudage vent legerement plus importante.
L'ionisation des atomes d'azote et d'oxygene par la plume de plasma metallique de surface et par le faisceau laser incident conduit a la formation d'un nouveau
a plasma >> et/ou << panache >> dans le gaz de protection.
Les consequences iiees de la presence de ce a plasma >> et/ ou << panache >> gazeux autour de la zone dtinteraction vent differentes de celles observees pour les
melanges He/Ar.
En effet, contrairement aux melanges He/Ar ou l'ionisation de l'atome argon au cours de processus de soudage laser entrane la formation d'un plasma dans le gaz de protection qui peut etre nefaste au processus de soudage laser, le << plasma et/ ou << panache >> gazeux obtenu avec des melanges He/N2/02 n'affecte pas de la meme
maniere le procede de soudage laser.
Dans le cas des melanges He/N2/02, le couplage entre la matiere et ie faisceau laser est conserve, voir parfois ameliore. Seoles des teneurs en azote ou en oxygene 2 5 importantes dans le melange He/N2/02 nuiront significativement au couplage laser/matiere. De plus, la recombinaison exothermique des d'atomes ou ions d'azote et surtout d'oxygene a la surface des parois du capillaire contribue au developpement de la thermique liee au procede de soudage. Un elargissement du cordon de soudure peut
3 0 parfois etre observe.
Les dimensions du a plasma >> et/ou a panache >> dans le gaz de protection dependent de la teneur en elements a falbles potentials d'ionisation du melange gazeux, en ['occurrence dans notre cas de l'azote et l'oxygene, de la densite de puissance laser incidente, de la longueur focale et de la vitesse de soudage et de la nature du materieu 3 5 soude. A priori, ce dernier peut atteindre des dimensions importantes (plusieurs centimetres...) De plus, I'utilisation de melange de type He/N2/02 peut permettre de developper dans le metal fondu d'acier carbone - manganese ou faiblement allie, au cours du refroidissement une microstructure riche en ferrite aciculaire, condition necessaire a l'obtention d'une bonne tenacite a basse temperature, comme cela a ete clairement
demontre pour les procedes de soudage a l'arc electrique.
En effet, ce micro-constituent peut resulter de la transformation de l'austenitique au refroidissement si et seulement si il existe dans le metal fondu des inclusions d'oxyde de titane (TiO), comme explique dans: << Metallurgie et Mecanique du soudage >>, Ed Hermes pl62, car ces inclusions servent de germes pour la ferrite aciculaire lors de la
transformation de la phase austenite en ferrite.
Ces inclusions ne peuvent exister dans une soudure laser si le gaz de protection est exempt d'oxygene car la teneur en oxygene du metal fondu est alors trop faIble pour
permettre leur formation.
Le taux de formation de TiO depend fortement de la teneur en aluminium materiau. En effet, ce dernier tend a fixer plus rapidement et plus facilement l'oxygene qui stintroduit dans le cordon sans favoriser la formation de ferrite aciculaire. Il faut done saturer en oxygene ['element aluminium avant de former du TiO necessaire a la
formation de la ferrite aciculaire.
L'invention va etre mieux comprise grace aux exemples illustratifs ciapres et a la
courbe annexee.
La figure unique annexee represente les effets d'une augmentation progressive de la proportion d'air reconstitue (80% N2 et 20% O2) ajoutee a de ['helium, sur la penetration du cordon de soudure en soudage laser utilisant les melanges He/N2/O2 ou
He/Air ainsi obtenus.
Plus precisement, pour evaluer ces effees, on a mesure la penetration de lignes de fusion realisees avec un laser CO2 focalise a la surface d'une cible metallique d'acier ca rbone-ma nga nese (C-M n) par un m iroir pa rabolique possedant u ne distance foca le de
2 5 200 mm.
Le gaz de protection est constitue d'un melange He/N2/Oz de compositions croissantes. La teneur en air reconstitue du melange est reportee en pourcentage (% en volume) sur l'axe des abscissas, le reste du melange etant de ['helium. Le gaz est d istri bue da ns la zone d 'interaction par une buse latera le de forme cylindrique de diametre egal 3 12 mm et a un debit de 20 l/mint La vitesse de soudage est de 3 m/mint On volt sur la figure que la penetration des cordons de soudure est quasiment constante pour des teneurs en air reconstitue atteignant 80%. Il est a noter que pour les
teneurs superieures a 70%, l'etat de surface de la soudure commence a etre deteriore.
Ces resultats vent reproductibles meme si lton fait varier l'un des parametres
3 5 experimentaux precedents.
Des tests d'emboutissabilite de type Erickseen ont ete effectues sur des cordons de soudure realises avec differents melanges gazeux de protection de type He/Air
reconstitue (80%N2+20%02) et les resultats vent consignee dans le tableau ci-apres.
Comme on le volt, les Ileum de la deformation du colon de soudure Hs,.d
obtenues vent au mains Agales 70 de cede du mAtal de base HMB.
Tableau
s Mesure 1 Jesus 2 Mesure 1 Soudu A t10Q He) HS-d=75 HMB H!?.d=75S HME HSOUd=7796 HMB SOudU 8(70 He+309t Hwd=70 HMB H.d=7198 HMB HS-d=7098 HMB
(NZ+OZ))
Claims (13)
1. Melange gazeux pour soudage par faisceau laser allant jusquta 12 kW contenant: de 10% a 80% en volume d'helium et
de l'azote et de ltoxygene pour le reste (jusqu'a 100%).
2. Melange selon la revendication 1, caracterise en ce qu'il contient des proportions volumiques d'azote et d'oxygene telles que le rapport de la teneur en azote a
la teneur en oxygene est compris entre 95/5 et 20/80.
3. Melange selon l'une des revendications 1 ou 2, caracterise en ce qu'il contient
des proportions volumiques d'azote et d'oxygene telles que le rapport de la teneur en
azote a la teneur en oxygene est compris entre 95/5 et 80/20.
4. Melange selon l'une des revendications 1 a 3, caracterise en ce qu'il est forme
de 10 a 70 % d'helium et d'air pour le reste.
5. Procede de soudage de pieces en acier ou en acier inoxydable mettant en ccuvre au moins un faisceau laser ayant une puissance allant jusqu'a 12 kW, dans lequel
on utilise un melange gazeux selon l'une des revendications 1 a 4, de preference un
laser de type C02.
6. Procede selon la revendication 5, caracterise en ce qu'on realise un soudage a moins penetration partielle de maniere a assembler deux pieces a souder l'une avec
l'autre, de preference a pleine penetration.
7. Procede selon l'une des revendications 5 ou 6, caracterise en ce qu'on utilise
un laser ayant une puissance de 4 a 8 kW.
8. Procede selon l'une des revendications 5 a 7, caracterise en ce qu'on soude
des pieces ayant une epaisseur allant de 0.3 a 30 mm, de preference de 1 mm a 10 mm.
9. Procede selon l'une des revendications 5 a 8, caracterise en ce que les pieces
a souder vent en acier ou en acier inoxydable avec un revetement surfacique de zinc.
10. Procede selon l'une des revendications 4 a 8, caracterise en ce que les pieces
vent en acier C-Mn.
11. Procede de fabrication d'un melange gazeux selon l'une des revendications 1
a 4, dans lequel: d) on comprime de l'air ambient, e) on filtre l'airambiant, f) on melange I'air filtre a de lihelium pour obtenir un melange gazeux contenant de 10% a 80% en volume d'helium et essentiellement de l'azote et
de l'oxygene pour le reste (jusqu'a 100%).
12. Procede de fabrication selon la revendication 11, dans lequel l'air filtre a lietape b) est recupere et soumis a une etape de separation membranaire prealablement
a l'etape c).
13. Procede de fabrication selon la revendication 12, dans lequel l'air est soumis a une etape de separation membranaire prealablement a l'etape c) de maniere a produire un flux de gaz contenant une proportion azote/oxygene comprise entre 95/5 et /15, de preference comprise entre 95/5 et 90/10, ledit flux de gaz constituent l'air
filtre de lietape c).
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