FR2929871A1

FR2929871A1 - Procede de soudage par faisceau a haute densite d'energie

Info

Publication number: FR2929871A1
Application number: FR0852366A
Authority: FR
Inventors: Thomas Gilles
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2008-04-09
Publication date: 2009-10-16
Anticipated expiration: 2028-04-09
Also published as: FR2929871B1; US20090261079A1; US8766133B2

Abstract

L'invention concerne un procédé de soudage par faisceau à haute densité d'énergie de deux panneaux (101, 102), caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à disposer une bande métallique (104) sur la face supérieure (103) d'au moins un panneau, dans l'axe du joint soudé (107) souhaité, avant de souder lesdits panneaux, de manière à ce que la bande métallique soit intercalée entre les panneaux et le faisceau à haute densité d'énergie pendant l'étape de soudage, et de telle sorte que l'épaisseur de cette bande métallique intègre l'intégralité des défauts géométriques présents en surface du joint soudé.

Description

Procédé de soudage par faisceau à haute densité d'énergie

L'invention concerne un procédé de soudage par faisceau à haute densité d'énergie de deux panneaux, accolés plan contre plan (par transparence) ou bord à bord. Dans de nombreux domaines industriels, tels que le domaine de l'aéronautique ou de l'automobile, il est connu d'utiliser un procédé de soudage par faisceau à haute densité d'énergie pour solidariser entre elles io deux pièces sur des zones d'assemblage restreintes. Ce procédé de soudage par fusion d'une partie des matériaux à assembler, permet du fait du dépôt localisé d'énergie de n'impliquer qu'un volume relativement réduit de zone fondue et de zone affectée thermiquement. Durant l'opération de soudage, la concentration énergétique sur les panneaux à souder est 15 suffisamment intense pour vaporiser le métal se trouvant directement sous le faisceau, ce qui crée un keyhole , appelé aussi capillaire. Les parois du capillaire sont formées de métal liquide en fusion. Le bain métallique ainsi créé et entretenu est déplacé le long les pièces à assembler. Le métal en fusion se ressolidifie après passage du faisceau, assurant l'assemblage des 20 pièces. Sur les figures 1 et 2 de l'état de la technique, est représentée une partie du dispositif de soudage à haute densité d'énergie lors de l'étape de soudage par transparence de deux panneaux accolés plan contre plan (Figure 1) et une coupe transversale de ces deux panneaux liés par le joint 25 soudé obtenu (Figure 2). Comme cela est visible sur la figure 1, afin de solidariser un panneau supérieur 1 à un panneau inférieur 2, on accole une face inférieure 3 du panneau supérieur 1 contre une face supérieure 4 du panneau inférieur 2, dans la position dans laquelle on souhaite que les panneaux 1 et 2 soient 30 solidarisés. Par supérieur, on entend dirigé vers le dispositif de soudage 20, par opposition à inférieur. Un faisceau à haute densité d'énergie 21, tel qu'un faisceau laser ou un faisceau d'électrons, est appliqué et déplacé, par exemple longitudinalement, dans la zone de recouvrement 5 des panneaux 1, 2, de manière à obtenir un joint soudé 6 après solidification du mélange de 35 métal en fusion des deux panneaux 1 et 2. Au fur et à mesure du déplacement du faisceau 21, le métal en fusion situé en amont dudit faisceau 21 refroidit et se solidifie pour former le joint soudé. Comme cela est visible sur la figure 2, dans le cas d'un capillaire débouchant, c'est-à-dire traversant l'épaisseur totale des deux panneaux, le joint soudé 7 obtenu comporte une protubérance inférieure 8, en saillie sur la face inférieure 9 du panneau inférieur 2, qui peut facilement être éliminée après l'étape de soudage, par exemple par ponçage. Par épaisseur, on entend la dimension des panneaux s'étendant verticalement par rapport au plan des panneaux. De même, on obtient souvent une protubérance io supérieure 10, en saillie de la face supérieure 11 du panneau supérieur 1 qui peut également être supprimée aisément, une fois l'étape de soudage terminée. Cependant, la formation de la protubérance supérieure 10, dans l'axe du faisceau 21 se fait au dépend des bords dudit bain métallique, de sorte 15 que cette protubérance supérieure 10 est bordée longitudinalement par deux caniveaux 12, ou rigoles. Ces caniveaux 12 consistent en un manque de matière localisé et se prolongent parallèlement à la trajectoire du faisceau 21. Actuellement, pour éliminer les caniveaux obtenus au niveau de la 20 surface supérieure du joint soudé, il est connu, avant l'étape de soudage par un procédé à haute densité d'énergie, d'usiner une surépaisseur sur la face supérieure du panneau ou des panneaux situés dans l'incidence du faisceau, de manière à localiser les caniveaux dans cette surépaisseur, qui sera par la suite ragréée. 25 Il est également connu par le document US2005/0211687, d'augmenter le volume du bain métallique par l'apport de métal sous forme de fil. Cependant, pour cela, il est nécessaire d'utiliser une installation particulière comportant un dévidoir de fil motorisé au niveau de la tête du faisceau et de le coupler à la vitesse d'avancement du dispositif laser, ce qui 30 rend le dispositif et son utilisation complexes. Dans l'invention, on cherche à réaliser un joint soudé entre deux plaques accolées plan contre plan (par transparence) ou bord à bord, par un procédé de soudage à haute densité d'énergie simple à mettre en oeuvre, et permettant l'obtention à terme de surfaces lisses, c'est-à-dire sans défauts 35 d'ordre géométrique.

Pour cela, l'invention propose de placer un feuillard dans la trajectoire du faisceau à haute densité d'énergie avant de réaliser le soudage proprement dit, de manière à ce que le feuillard soit intercalé entre le ou les panneaux supérieurs et la tête de soudage dans toute la zone normalement affectée par la formation de dénivellations. Ainsi, les caniveaux ne sont plus creusés dans le matériau formant le ou les panneaux, mais dans le matériau formant le feuillard, ledit feuillard pouvant facilement être ragréé après l'étape de soudage, de manière à obtenir une surface de joint soudé plane, sans accident géométrique. Les parties du feuillard qui ne fondent pas durant io l'étape de soudage se déforment et s'éliminent facilement du fait de leur faible épaisseur. Par comparaison avec l'art antérieur, cette invention présente l'avantage de supprimer le coût d'une opération d'usinage de ou des panneaux, et/ou d'un équipement spécifique, et est bien plus simple à mettre en oeuvre. 15 L'invention a donc pour objet un procédé de soudage par faisceau à haute densité d'énergie de deux panneaux, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à disposer une bande métallique sur la face supérieure d'au moins un panneau, dans l'axe du joint soudé souhaité, avant de souder lesdits panneaux, la bande métallique étant intercalée entre les panneaux et 20 le faisceau à haute densité d'énergie pendant l'étape de soudage, de manière à intégrer les défauts géométriques présents sur la face supérieure d'une ou des pièces. D'une manière générale, par supérieur on entend dirigé vers le faisceau, par opposition à inférieur. Par joint soudé, on entend le volume de 25 métal fondu qui se solidifie après le passage du faisceau pour former une liaison mécanique entre les pièces à assembler. La bande métallique, ou feuillard, est réalisée en matériau présentant des compatibilités métallurgiques avec le ou les matériaux des panneaux à souder. 30 Le procédé selon l'invention s'applique aussi bien au soudage plan contre plan (par transparence) qu'au soudage bord à bord de deux plaques. Dans le cas d'un soudage bord à bord, on peut prévoir que la bande métallique recouvre une zone d'accolement située de part et d'autre de deux bords accolés des deux panneaux. La zone d'accolement s'étend sur toute la longueur des bords accolés. Par longueur, on entend la dimension des panneaux s'étendant dans l'axe du faisceau, et donc du joint soudé. Dans le cas d'un soudage plan contre plan (par transparence), on peut disposer la bande métallique de manière à ce qu'elle s'étende dans une zone d'accolement desdits panneaux, avant ou après avoir accolé les deux panneaux plan contre plan. La zone d'accolement s'entend de la zone de recouvrement des deux panneaux, c'est-à-dire où les deux panneaux sont superposés. Avantageusement, la bande métallique est solidarisée à au moins un io panneau avant l'étape de soudage des panneaux, de manière à ce qu'elle reste fixe sur le ou les panneaux pendant l'avancée du faisceau. La solidarisation peut être réalisée par tout moyen connu, par exemple par pointage par décharge de condensateur, au TIG, par billage, pinces, sauterelles de maintien etc. 15 Préférentiellement, on choisit une bande métallique ayant une épaisseur comprise entre 50 pm et 2 mm. Par épaisseur, on entend la dimension de la bande métallique s'étendant verticalement entre les plaques à souder et le faisceau de soudage. Par exemple, avant de souder les plaques, on réalise des barèmes 20 sur des échantillons reprenant les caractéristiques des plaques à souder, du point de vu des matériaux et de l'épaisseur, de manière à identifier l'épaisseur la plus petite de bande métallique pouvant être utilisée pour le procédé de soudage et permettant de contenir tous les défauts géométriques. En effet, si l'épaisseur de la bande métallique est insuffisante, 25 les caniveaux seront localisés dans l'épaisseur totale de la bande métallique mais aussi dans une épaisseur partielle du ou des panneaux à souder, ce qui n'est pas souhaitable. De même, on choisit préférentiellement une bande métallique ayant une largeur strictement supérieure à la largeur du joint soudé attendu. 30 Par largeur de la bande métallique, on entend la dimension s'étendant horizontalement et transversalement à l'axe du faisceau de soudage. De même, par largeur du joint soudé, on entend la dimension s'étendant horizontalement et transversalement à l'axe du faisceau de soudage, de part et d'autre du déplacement de matière occasionné par l'avancement du 35 faisceau de soudage. Là encore, la largeur adéquate de la bande métallique peut être déterminée par des tests réalisés sur des échantillons reprenant les caractéristiques des plaques à souder, du point de vu des matériaux et de l'épaisseur, que l'on soude sans bande métallique de manière à mesurer la largeur du joint soudé obtenu.

Une fois l'étape de soudage terminée, on peut ragréer la face supérieure des panneaux soudés, de manière à obtenir une surface supérieure de joint soudé plane. Cette étape permet de supprimer, par tout moyen connu toutes les irrégularités ou défauts pouvant subsister. io L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures représentent : - Figure 1 : une représentation schématique en coupe transversale d'un dispositif de soudage à haute densité d'énergie en train de souder deux 15 plaques accolées plan contre plan, selon un procédé de l'état de la technique déjà décrit ; - Figure 2 : une représentation en coupe transversale deux plaques accolées plan contre plan au niveau d'un joint soudé obtenu par un procédé de soudage de l'état de la technique déjà décrit ; 20 - Figure 3 : une représentation schématique en coupe transversale d'un dispositif de soudage à haute densité d'énergie en train de souder deux plaques accolées plan contre plan, selon un procédé conforme à l'invention ; - Figure 4 : une représentation en coupe transversale deux plaques accolées plan contre plan au niveau d'un joint soudé obtenu par un procédé 25 de soudage conforme à l'invention. Comme cela est visible sur la figure 3, une face supérieure 103 d'un panneau supérieur 100 est partiellement recouverte par une bande métallique 104 dans une zone de recouvrement 105, entre le panneau supérieur 101 et le panneau inférieur 102 auquel il doit être soudé. 30 La bande métallique 104 s'étend dans l'axe du faisceau de soudage 100, c'est-à-dire le long de la trajectoire du joint soudé que l'on souhaite obtenir. La bande métallique 104 est ainsi intercalée entre la face supérieure 103 du panneau supérieur 101 et le faisceau 100, de sorte que le matériau de la bande métallique 104 englobe les défauts géométriques induits en 35 surface du joint soudé.

Par exemple les deux panneaux 101, 102 et la bande métallique 104 peuvent être en des nuances de matériaux différentes, exclusivement dans la mesure où ces deux matériaux sont compatibles du point de vu métallurgique.

Avant l'étape de soudage, les panneaux 101, 102 sont accolés dans la position dans laquelle on souhaite que lesdits deux panneaux 101, 102 soient maintenus après l'étape de soudage. Avantageusement, la largeur I de la bande métallique 104 est strictement supérieure à la largeur du bain métallique 106 obtenu lors du io déplacement du faisceau 100, et donc à la largeur L du joint soudé 107 obtenu après refroidissement du bain 106 (figure 4). Par bain métallique 106, on entend le volume de matériau en fusion, créé localement par l'application du faisceau de soudage 100 sur les pièces à souder. Autrement dit, la largeur I de la bande métallique 104 est choisie de manière à recouvrir la 15 zone affectée par la formation de caniveaux 108. Sur la figure 4, est représentée une coupe transversale des plaques 101 et 102, au niveau du joint soudé 107, obtenu par le procédé de soudage par faisceau à haute densité d'énergie selon l'invention. Après le passage du faisceau de soudage 100, on observe la création 20 d'une protubérance supérieure 109 et de caniveaux 108 bordant la protubérance supérieure 109 sur la face supérieure du joint soudé 107. Les dimensions desdits caniveaux 108 sont entièrement comprises dans la bande métallique 104 rapportée, de sorte qu'une fois ladite bande métallique retirée, les faces supérieures du joint soudé 107 et de la plaque supérieure 25 101 sont confondues et parfaitement lisses. Par dimensions des caniveaux, on entend la profondeur, la largeur et la longueur. Par profondeur, on entend la dimension des caniveaux s'étendant verticalement par rapport au plan des panneaux ; par longueur on entend la dimension des caniveaux s'étendant parallèlement à l'axe du joint soudé ; par largeur on entend la dimension des 30 caniveaux s'étendant entre les deux rebords longitudinaux des caniveaux. Dans l'exemple représenté sur la figure 4, le joint soudé est traversant, mais le procédé de soudage selon l'invention pourrait tout aussi bien être réalisé de manière à obtenir un joint soudé non traversant, c'est-à-dire ne débouchant pas sur la face inférieure 111, de sorte qu'il n'existe pas de 35 protubérance inférieure 110 à ragréer, après l'étape de soudage.

De même, le procédé de soudage peut s'appliquer au soudage de deux plaques bord à bord, la bande métallique étant alors disposée dans la zone d'accolement des deux plaques de manière à recouvrir les deux bords accolés.

Claims

REVENDICATIONS1- Procédé de soudage par faisceau à haute densité d'énergie (100) de deux panneaux (101, 102), caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à disposer une bande métallique (104) sur la face supérieure (103) d'au moins un panneau, dans l'axe du joint soudé (107) souhaité, avant de souder lesdits panneaux, de manière à ce que la bande métallique soit intercalée entre les panneaux et le faisceau à haute densité d'énergie io pendant l'étape de soudage.
2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé est un procédé de soudage bord à bord, la bande métallique étant disposée de manière à recouvrir une zone d'accolement située de part et d'autre de deux bords accolés des deux panneaux. 15
3- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé est un procédé de soudage plan contre plan, la bande métallique étant disposée sur le panneau supérieur (101) avant d'accoler les deux panneaux plan contre plan, de manière à ce que la bande métallique s'étende dans une zone d'accolement (105) desdits panneaux. 20
4- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé est un procédé de soudage plan contre plan, la bande métallique étant disposée sur le panneau supérieur (101) après avoir accolé les deux panneaux plan contre plan, de manière à ce que la bande métallique s'étende dans une zone d'accolement (105) desdits panneaux. 25
5- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à solidariser la bande métallique à au moins un panneau, avant l'étape de soudage.
6- Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à choisir une bande métallique ayant une 30 épaisseur comprise entre 50 pm et 2 mm.
7- Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à choisir une bande métallique ayant une largeur (I) strictement supérieure à la largeur (L) du joint soudé attendu.
8- Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce 35 qu'il comporte l'étape supplémentaire consistant à ragréer la face supérieure(103) des panneaux soudés, de manière à obtenir une surface plane une fois le joint soudé réalisé.