FR2954720A1

FR2954720A1 - Procede et dispositif de soudage laser et faisceau d'electrons en penetration totale

Info

Publication number: FR2954720A1
Application number: FR0959584A
Authority: FR
Inventors: Philippe Aubert
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2011-07-01
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: FR2954720B1

Abstract

Procédé de soudage laser en pénétration totale d'une première pièce (2) à une seconde pièce (4) à souder de forte épaisseur. On utilise un laser présentant une aptitude à être focalisé sur un diamètre inférieur à 400 microns. La longueur de la zone de Rayleigh du faisceau laser est supérieure ou égale à 20 mm. La puissance du laser est choisie suffisante pour que le faisceau laser provoque dans la première pièce (2) et la seconde pièce (4) un trou de vapeur débouchant à l'envers desdites première et seconde pièces (2,4).

Description

1 PROCEDE ET DISPOSITIF DE SOUDAGE LASER ET FAISCEAU D'ELECTRONS EN PENETRATION TOTALE

DESCRIPTION L'invention concerne un procédé et un dispositif de soudage laser en pénétration totale.

Lorsqu'on veut souder deux pièces de forte épaisseur plusieurs solutions existent : - soudage sur l'endroit et sur l'envers du joint en une seule passe ; soudage multi-passes avec accès uniquement à l'endroit du joint ou soudage de type double V à l'endroit et à l'envers du joint. Ces solutions sont compliquées. Elles nécessitent des procédures et des outillages compliqués. Elles ne sont pas très productives. Elles induisent des taux élevés de déformation après soudage et le risque de fissuration à chaud et à froid est important. Il est également connu de souder par laser des pièces de forte épaisseur en une seule passe. Un tel procédé de soudage est dit en pénétration totale. Dans ce procédé de soudage laser on définit la zone de Rayleigh. Cette zone est la distance du col du faisceau à un plan dans lequel le paramètre du faisceau dépasse le diamètre du col du faisceau d'un facteur 1,414. La longueur de la zone de Rayleigh, égale à ZR, étant donnée par la formule : ZR= 4À/n(F/D)2 dans laquelle : 2 À est la longueur d'onde du faisceau laser ; F est la distance focale de la lentille du laser ; D est le diamètre du faisceau au niveau de la lentille du laser. Plus la longueur de Rayleigh est importante, moins le procédé de soudage est sensible à la distance entre l'orifice de sortie du faisceau laser et la pièce à souder. Il est nécessaire de régler la position des pièces à souder par rapport à la zone de Rayleigh de telle manière que le col du faisceau soit à mi-hauteur de l'épaisseur des pièces à souder. Or, dans les procédés de soudage actuellement connus, la longueur de la zone de Rayleigh est faible, de 1 mm environ. Ceci entraine des difficultés de positionnement de la pièce par rapport au faisceau laser. Ce dernier doit être très précis, de plus ou moins 0,2 mm environ. Le procédé n'est pas robuste. Un autre inconvénient des procédés de soudage actuellement connus réside dans le fait que le métal liquide coule entre les deux pièces avant de se solidifier. Ceci se traduit par la présence, à l'endroit de la soudure, d'un caniveau et à l'envers de la soudure d'un cordon qui peut atteindre 5mm de hauteur selon l'épaisseur soudée. Il est donc nécessaire d'éliminer ce cordon ce qui demande un usinage supplémentaire. Un caniveau endroit (manque de matière) est alors observé. 3 Un procédé connu pour éviter l'apparition de bourrelet à l'envers de la soudure consiste à plaquer une latte de forte épaisseur sur la séparation entre les deux pièces à assembler. Ainsi, les défauts de la soudure sont reportés dans la latte qui est ensuite ôtée par usinage mécanique. Ce procédé présente l'inconvénient qu'il est difficile d'ôter la latte qui est fermement liée aux pièces à souder. De plus, cela nécessite d'avoir un accès à l'envers de la soudure. Or, un tel accès n'est pas toujours disponible. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de soudage laser en pénétration totale qui remédient à ces inconvénients.

Selon le procédé de soudage laser en pénétration totale d'une première pièce à une seconde pièce à souder de forte épaisseur, on utilise un laser focalisé sur un diamètre inférieur à 400 pm. Grâce à cette caractéristique la zone fondue est très étroite, ce qui limite sa propension à couler. On réduit donc l'apparition de caniveau à l'endroit de la soudure et de bourrelet à l'envers de la soudure. La longueur de la zone de Rayleigh du faisceau laser est supérieure ou égale à 20 mm, cette longueur ZRétant égale à 4A/n(F/D)2 dans laquelle : - À est la longueur d'onde du faisceau laser ; - D est le diamètre du faisceau au niveau d'une lentille de sortie du laser ; - F la distance focale de la lentille. 4 Etant donné que la longueur de la zone de Rayleigh est beaucoup plus importante que dans l'art antérieur, la position des pièces à souder par rapport au laser est beaucoup moins critique. Cette position peut être réglée, par exemple, à plus ou moins deux millimètre près. Le réglage est donc facilité et le procédé est robuste. De préférence la puissance du laser est choisie suffisante pour que le faisceau laser provoque dans la première et la seconde pièce un trou de vapeur débouchant à l'envers desdites première et seconde pièces. Lorsque le trou de vapeur n'est pas débouchant, le faisceau laser est instable, ce qui provoque l'apparition de trous. Au contraire, lorsque le trou de vapeur est ouvert à l'endroit et à l'envers, le procédé est stable et les fluctuations de pénétration sont évitées.

Divers systèmes de contrôle de procédé placés en avant du joint et scrutant le trou de vapeur existent. Ces systèmes permettent de vérifier en temps réel la permanence de la pénétration totale sur les joints réalisés. L'invention permet de s'affranchir de ces systèmes complexes en prévoyant, pour le faisceau laser, une puissance minimale supérieure de 5% à l'énergie nécessaire pour obtenir une pénétration totale. On garantit ainsi la pénétration totale de soudage. En général, cette énergie transmise en face envers du joint est perdue.

Selon une réalisation préférée du procédé, on dispose une latte à l'envers desdites premières et secondes pièces, cette latte étant espacée d'une distance d de l'envers des premiere et seconde pieces. 5 La distance d est par exemple de 0,5 mm environ. La latte présente une épaisseur faible comprise entre 3 mm et 5 mm. Grâce à cette caractéristique une partie du faisceau laser est réfléchie sur la latte. Elle vient participer à la fusion en racine du joint, limitant ainsi les caniveaux généralement observés en face envers des pièces à souder. De plus, par effet radiatif, ce faisceau jour le rôle de léger maintien du bain fondu par effet de pression de recul sur le bain liquide. Un effet de support radiatif du bain fondu est ainsi généré. Par ailleurs, l'invention concerne un dispositif de soudage qui comprend: - un laser ; une première et une seconde pièces à souder de forte épaisseur. Le laser présente une aptitude à être focalisé sur un diamètre inférieur à 400 pm. De préférence, la longueur de la zone de Rayleigh du faisceau est supérieure ou égale à 20 mm, cette longueur de zone de Rayleigh ZR étant égal à 4À/n(F/D)2 dans laquelle : - À est la longueur d'ondes du faisceau laser ; - D est le diamètre du faisceau au niveau d'une lentille de sortie du laser ; 6 F est la distance focale de la lentille du laser. Dans une réalisation particulière le dispositif de soudage comporte une latte à l'envers desdites première et secondes pièces, cette latte étant espacée d'une distance d de l'envers des première et seconde pièces. La distance d est de 0,5 mm environ. La latte présente une épaisseur comprise entre 3 mm et 5 mm. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront encore à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif en référence aux figures annexées.

Sur ces figures : - la figure 1 est une vue en perspective illustrant le procédé de soudage par laser ; - la figure 2 est une vue en coupe d'une soudure conforme à l'art antérieur ; - la figure 3 est une vue en coupe d'une soudure conforme à l'art antérieur dans laquelle on a utilisé une latte à l'envers du joint; - la figure 4 est un schéma qui explique la zone de Rayleigh ; - la figure 5 est un schéma qui illustre la focalisation d'un laser de soudage ; - la figure 6 est un schéma qui illustre le procédé de soudage de l'invention. On a représenté sur la figure 1 une vue en perspective illustrant le procédé de soudage par laser en général. Une première pièce 2 peut être assemblée à 7 une seconde pièce 4. Les pièces 2 et 4 sont jointives par un plan de joint 6. Les pièces 2 et 4 sont des pièces de forte épaisseur. Un faisceau laser 8 est appliqué suivant le plan de joint 6 à l'interface entre les deux pièces. La vitesse d'avance du faisceau laser, schématisée par la flèche 10, est importante, supérieure à 1 mètre par minute. Le faisceau laser 8 provoque l'apparition d'un bain de métal fondu 12. A l'arrière du faisceau laser le métal se solidifie, comme représenté dans la zone 14. Dans la zone fondue le faisceau laser génère un trou de vapeur 16. A l'endroit du trou de vapeur, la température générée par l'apport d'énergie du faisceau laser est si élevée (plus de 2000°K) que le métal se vaporise sur une certaine profondeur. Le trou de vapeur présente généralement une forme conique. Il peut traverser ou non l'épaisseur des deux pièces 2 et 4. On a représenté sur la figure 2 une vue en coupe d'une zone de métal solidifiée après soudage par laser selon un procédé de l'art antérieur. Dans ce procédé, la zone fondue 14 est large. En conséquence le métal liquide à tendance à couler. Ceci a pour conséquence l'apparition d'un caniveau 18 à l'endroit du cordon de soudure et d'un bourrelet 20 à l'envers de la soudure. La profondeur du caniveau 18 et la hauteur du bourrelet 20 peuvent atteindre plusieurs mm, par exemple 5 mm. Il est par conséquent nécessaire d'usiner la pièce pour éliminer le caniveau 18 sur une épaisseur au moins égale à la profondeur du caniveau 18. De la même manière il est nécessaire d'usiner la pièce à son 8 envers afin de faire disparaitre le bourrelet 20. On conçoit aisément que ces opérations prennent du temps et sont coûteuse. La rentabilité du procédé de soudage est donc dégradée.

On a représenté sur la figure 3 un procédé de soudage dans lequel on a appliqué une latte 22 à l'envers de la soudure 24. La latte 22 est plaquée sans jeu sur les pièces 2 et 4. L'épaisseur de la latte est par exemple comprise entre 5 mm et 30 mm. Comme on le constate l'énergie du faisceau laser est telle que ce dernier traverse entièrement les pièces 2 et 4 et pénètre dans la latte 22. De ce fait, on supprime l'écoulement du métal liquide hors du joint de telle sorte que le caniveau 18 (voir figure 2) est supprimé.

Toutefois ce procédé présente l'inconvénient que la latte 22 est soudée aux pièces 2 et 4 et qu'il est ensuite très difficile de l'enlever. De plus, afin de pouvoir enlever la latte 22, il est nécessaire d'avoir un accès à l'envers de la soudure ce qui n'est pas toujours le cas. De plus, des porosités apparaissent dans le métal au pied du cordon de soudure. Ces porosités sont des espaces libres dans le métal dont le diamètre peut atteindre 1 mm.

La figure 4 est un schéma qui explique la zone de Rayleigh. La distance de Rayleigh, appelée ZR, est la distance entre la plus petite partie du faisceau laser 26, appelée col, au plan P dans lequel le paramètre du faisceau est égal au diamètre dB au niveau du col 26 multiplié par un facteur 1,414. La distance 9 entre les deux plans P est égale à 2ZR avec ZR égal à 4A/n (F/D) 2. Plus la longueur de la zone de Rayleigh est importante, moins le procédé est sensible à une variation de la distance entre la lentille 28 et les pièces à souder (non représentées sur la figure). On a illustré sur la figure 5 la focalisation d'un laser de soudage. Le faisceau est issu d'une fibre optique 30 de diamètre D. Le faisceau 32 est divergent. Ce faisceau traverse une lentille de collimation 34 dont le faisceau ressort parallèle, comme schématisé en 36. Ce faisceau parallèle est envoyé sur une lentille de focalisation 28. La lentille 28 focalise le faisceau 38 en une zone 40 de diamètre c. A titre d'exemple, pour un diamètre D égal à 600 microns, pour une lentille de collimation ayant une longueur focale de 200 mm et une lentille de focalisation ayant une distance focale de 150 mm à 200 mm, le diamètre cl) de la zone 40 est de l'ordre de 450 microns à 600 microns. Pour un laser ayant un diamètre D compris entre 150 microns et 200 microns, pour une lentille 34 ayant une distance focale de 100 mm et une lentille de focalisation 28 ayant une distance focale comprise entre 300 mm et 400 mm, le diamètre cl) de la zone focale 40 est compris entre 150 microns et 200 microns. Dans ce cas, la longueur de la zone de Rayleigh est importante, par exemple 20 mm. Plus le diamètre cl) de la zone focale 40 est petit, et plus la zone de Rayleigh est grande. C'est pourquoi, conformément à l'invention, on utilise un 10 laser dans lequel le diamètre D est aussi faible que possible. On a représenté sur la figure 6 un schéma qui illustre une variante préférée du procédé de soudage de la présente invention. Conformément à ce procédé on a disposé une latte 42 à l'envers de la soudure des pièces 2 et 4. La latte 42 est située à l'opposé du faisceau laser 38. Elle absorbe le faisceau laser transmis. Une distance faible d est imposée entre la latte 42 et les pièces à souder. Ce jeu faible permet de maintenir un effet énergétique du faisceau laser transmis à travers le tube de vapeur. Ce dernier se réfléchit en partie sur la latte et est renvoyé vers la face envers du joint à souder. Cette partie de faisceau réfléchie sur la latte vient participer à la fusion en racine du joint, limitant ainsi les caniveaux généralement observés en face envers. De plus, par effet radiatif, ce faisceau joue le rôle de léger maintien du bain fondu par effet de pression de recul sur le bain liquide. Un effet de support radiatif du bain fondu est ainsi généré. Dans le cas où le faisceau laser 38 est suffisamment énergétique pour réaliser un tube de vapeur ou une fusion d'une partie de l'épaisseur de la latte 42 l'effet miroir se produit sur le bain liquide ou le plasma du trou de vapeur produit dans la latte. De plus, la chaleur générée par la formation de la latte 42 est retransmise par rayonnement du fait du faible jeu entre la latte et les pièces 2 et 4.

L'aspect esthétique de la face envers est amélioré en réalisant une passe de soudage en face envers qui a 11 pour effet de lisser la surface et de limiter les gradients thermiques trop importants lors de la solidification. Dans ce but, l'épaisseur de la latte est fine (inférieure ou égale à 5 mm) pour éviter la déperdition thermique par conduction dans la latte. La latte ne joue pas ainsi le rôle de radiateur de pompage des calories pour évacuer l'énergie dégagée dans les pièces à souder par le dispositif de soudage. Elle absorbe et restitue l'énergie rayonnée par les pièces en cours de soudage à cette dernière par rayonnement en face envers. Elle est isolée thermiquement de l'outillage de bridage. Elle peut apporter de l'énergie supplémentaire aux joints à souder si elle est chauffée par induction ou résistance chauffante dans le cas de matériaux à fort risque de fissuration à chaud ou à froid. Le matériau constituant la latte 42 peut être ou non le même que celui des pièces à souder selon la criticité des effets métallurgiques des matériaux à souder. Les 5% à 10% de l'énergie de soudage laser généralement perdue sont ainsi renvoyées en tout ou en partie dans la zone de réalisation du joint. La latte joue également un autre effet lors de l'opération de soudage. Elle assure le maintien en position du bain de soudage tant que la solidification ne s'est pas réalisée. Pour le soudage en forte épaisseur (- à 3 mm), les volumes de bain fondu sont importants et la gravité fait couler le bain liquide provoquant des trous ou des caniveaux importants. Le bain liquide doit être maintenu en position pendant l'opération de soudage. C'est le rôle de la latte support 42. Afin de limiter les effondrements de bain et des caniveaux en 12 surface, un faible jeu entre la latte support est aménagé. Ce jeu est inférieur ou égal à 0,5 mm. Les volumes de bain liquide s'écoulant à l'interface sont ainsi très limités.

Le jeu est assuré mécaniquement par des cales, par un outillage de bridage, par des inserts sur la latte 42 ou des usinages spécifiques. Avec un volume de bain liquide limité à l'interface et une puissance du laser réglée pour un maximum de 10% de puissance transmise à travers le trou de vapeur, il est très facile de retirer la latte en exerçant un effort modeste, par exemple un tournevis. La limitation de l'énergie induit plutôt un collage du bain fondu à l'interface plutôt qu'une réelle action de soudage ce qui facilite son enlèvement. Il existe des cas spécifiques en soudage sans possibilité d'intervenir après soudage sous la face envers du joint. Dans ce cas particulier la latte peut être laissée en place. On monte la puissance du faisceau incident (supérieure à 10%) et on augmente l'épaisseur de la latte en conservant un jeu ? 0,5 mm. Un soudage sera alors réalisé dans la latte avec les avantages décrits précédemment. Le jeu à l'interface entre les pièces à souder 2,4 et la latte 42 assure également une autre fonction importante. Il permet un dégazage du bain fondu grâce à un trou de vapeur ouvert de la face supérieure à la face inférieure de la pièce à souder. Il n'y a donc pas de manque de bain liquide à la condensation vapeur/liquide/métal. Cela évite toute retassure. Le procédé est rendu particulièrement stable 13 par un trou de vapeur ouvert en permanence. La formation du bain liquide est stable en régime permanent et la solidification s'opère de manière stable. Les conséquences en sont l'absence de défauts du bain dans la zone fondue telles que des porosités et des retassures, présentes régulièrement en soudage laser et parfois en soudage par procédé de faisceau d'électrons. La simulation numérique, confortée par le soudage de diverses éprouvettes et maquettes a démontré que, pour une même épaisseur soudée, le soudage en pénétration totale est moins déformant à minima d'un facteur 5 par rapport au soudage multi-passes ou au soudage de part et d'autre du joint. Cette caractéristique procure un avantage économique et des qualités élevées à l'assemblage des structures. La baisse des contraintes résiduelles permet d'éviter certains traitements thermiques après soudage et améliore la durée de vie des assemblages. La minimalisation de l'énergie de soudage est le second facteur de réduction des déformations de soudage. L'énergie rayonnée par les pièces en cours de soudage est restituée à ces dernières par rayonnement en face envers de la latte de support de bain. De plus, l'assemblage est isolé thermiquement de l'outillage de bridage. Les gradients thermiques sont ainsi réduits pour des zones fondues peu larges comparativement aux procédés traditionnels. Les risques de fissuration à chaud ou à froid sont ainsi fortement réduits. Les propriétés métalliques conférées aux zones fondues et affectées thermiquement procurent ainsi aux 14 joints soudés des propriétés mécaniques élevées. Les matériaux sensibles à ces risques sont ainsi envisageables, permettant l'allègement des structures. Bien que dans l'exemple précédent, on ait décrit l'invention en référence à un faisceau laser, il est entendu que l'invention ne se limite pas à ce procédé. Au contraire, le faisceau laser peut être remplacé par tout autre faisceau à densité d'énergie très élevée (? 104 W/cm2) et notamment par un faisceau d'électrons. Les effets physiques et métallurgiques sont identiques, ainsi que les effets produits. De façon intrinsèque, le procédé par faisceau d'électrons présente naturellement une zone de Rayleigh élevée.15

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de soudage laser en pénétration totale d'une première pièce (2) à une seconde pièce (4) à souder de forte épaisseur, caractérisé en ce que l'on utilise un laser focalisé sur un diamètre inférieur à 400 microns, en ce que la longueur de la zone de Rayleigh du faisceau laser est supérieure ou égale à 20mm, cette longueur étant donné par la formule ZR= 4À/n (F/D)2 dans laquelle : - À est la longueur d'onde du faisceau laser ; - D est le diamètre du faisceau au niveau d'une lentille de sortie du laser ; - F la distance focale de la lentille de sortie du laser.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la puissance du laser est choisie suffisante pour que le faisceau laser provoque dans la première pièce (2) et la seconde pièce (4) un trou de vapeur débouchant à l'envers des première (2) et seconde pièces (4).
3. Procédé de soudage laser la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on dispose une latte (42) à l'envers desdites première et seconde pièces (2,4) cette latte (42) étant espacée d'une distance d de l'envers des première et seconde pièces (2,4) .
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la distance d est de 0,5 mm environ.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que la latte (42) présente une épaisseur comprise entre 3 et 5 mm. 10
6. Dispositif de soudage caractérisé en ce qu'il comprend : - un laser (8) ; une première et une seconde pièces (2,4) à souder, caractérisé en ce que le laser (8) présente une 15 aptitude à être focalisé sur un diamètre inférieur à 400 microns, la longueur de la zone Rayleigh du faisceau laser étant supérieure ou égale à 20 mm, cette longueur ZR étant égale à 4À/n (F/D) 2 dans laquelle : 20 - À est la longueur d'onde du faisceau laser ; - D est le diamètre du faisceau au niveau d'une lentille de sortie du laser ; - F la distance focale de la lentille de sortie du laser. 25
7. Dispositif de soudage selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une latte (42) à l'envers desdites première et seconde pièces, cette latte (42) étant espacée d'une distance d 30 de l'envers des première et seconde pièces (2,4). 5
8. Dispositif de soudage selon la revendication 7, caractérisée en ce que la distance d est de 0,5 mm environ.
9. Dispositif de soudage selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la latte (42) présente une épaisseur comprise entre 3 mm et 5 mm.
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