FR3039444A1 - OPTIMIZED LASER-ARC HYBRID WELDING PROCESS - Google Patents

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Abstract

Le procédé est destiné au soudage de deux plaques (12) d'épaisseurs (E) supérieures à 8 mm, et présentant des bords latéraux de soudure (12C) parallèles entre eux. Le cordon de soudure est réalisé au moyen d'un outil de soudage hybride (24) comportant : un émetteur laser (26) émettant un laser (28) le long d'un axe d'émission (A), avec un point focal (36) disposé dans l'épaisseur des plaques, et une torche de soudage MAG (29), comportant une buse (30) de diffusion de gaz et au moins un fil d'apport (32) s'étendant jusqu'à une extrémité libre (34). En considérant un plan de projection parallèle aux surfaces supérieures (12A), la projection orthogonale du point focal (36) et la projection orthogonale de l'extrémité libre (34) du fil d'apport (32) sur ce plan de projection sont espacées d'une distance (D) supérieure ou égale à 15 mm.The method is for welding two plates (12) of thicknesses (E) greater than 8 mm, and having weld side edges (12C) parallel to each other. The weld bead is made by means of a hybrid welding tool (24) comprising: a laser emitter (26) emitting a laser (28) along a transmission axis (A), with a focal point ( 36) disposed in the thickness of the plates, and a MAG welding torch (29), having a gas diffusion nozzle (30) and at least one filler wire (32) extending to a free end (34). Considering a projection plane parallel to the upper surfaces (12A), the orthogonal projection of the focal point (36) and the orthogonal projection of the free end (34) of the filler wire (32) on this projection plane are spaced apart a distance (D) greater than or equal to 15 mm.

Description

Procédé optimisé de soudage hybride laser-arcOptimized laser-arc hybrid welding process

La présente invention concerne un procédé de soudage hybride laser-arc, pour l’assemblage de deux plaques d’acier entre elles.The present invention relates to a laser-arc hybrid welding process for assembling two steel plates together.

Plus particulièrement, l’invention concerne un procédé de soudage de deux plaques d’acier d’épaisseurs supérieures à 8 mm.More particularly, the invention relates to a method of welding two steel plates with thicknesses greater than 8 mm.

De telles plaques d’acier sont assemblées par exemple pour former ensemble des parois de grandes dimensions, par exemple pour la fabrication de structures navales.Such steel plates are assembled for example to form together large walls, for example for the manufacture of naval structures.

On connaît déjà, dans l’état de la technique, un procédé de soudage hybride laser-arc, pour l’assemblage de deux plaques d’acier entre elles le long d’une ligne de soudure, dans lequel : - les deux plaques présentent respectivement des surfaces supérieures sensiblement coplanaires et des surfaces inférieures sensiblement coplanaires, - les surfaces supérieure et inférieure de chaque plaque définissent entre elles une épaisseur supérieure à 8 mm, - les plaques présentent chacune un bord latéral de soudure, les bords latéraux des plaques étant disposés en regard l’un de l’autre, et étant sensiblement parallèles entre eux, un cordon de soudure étant réalisé, le long de la ligne de soudure, au niveau de ces bords latéraux de soudure, et - le soudage étant réalisé au moyen d’un outil de soudage hybride comportant : • un émetteur laser, propre à émettre un laser le long d’un axe d’émission, ledit laser présentant un point focal disposé entre les surfaces supérieures et inférieures dans la direction de l’axe d’émission (A), et • une torche de soudage MAG, comportant une buse de diffusion de gaz et au moins un fil d’apport logé dans la buse de diffusion et s’étendant jusqu’à une extrémité libre.Already known in the state of the art, a laser-arc hybrid welding process, for the assembly of two steel plates together along a weld line, wherein: - the two plates present respectively substantially coplanar upper surfaces and substantially coplanar lower surfaces, - the upper and lower surfaces of each plate define between them a thickness greater than 8 mm, - the plates each have a side edge weld, the lateral edges of the plates being arranged facing each other, and being substantially parallel to each other, a weld bead being formed along the weld line at these side weld edges, and - the welding being carried out by means of a hybrid welding tool comprising: a laser emitter, capable of emitting a laser along an emission axis, said laser having a focal point disposed between the upper and lower surfaces in the direction of the emission axis (A), and • a MAG welding torch, comprising a gas diffusion nozzle and at least one filler wire housed in the diffusion nozzle and extending to a free end.

Un procédé de soudage hybride laser arc est défini par de nombreux paramètres qui doivent être pris en considération pour une bonne qualité du soudage. Des exemples de paramètre sont répertoriés ci-dessous.A hybrid laser arc welding process is defined by many parameters that must be taken into consideration for good welding quality. Parameter examples are listed below.

Un premier paramètre est la vitesse de soudage, c’est-à-dire la vitesse à laquelle l’outil de soudage hybride est déplacé le long de la ligne de soudure. D’autres paramètres concernent l’émetteur laser, à savoir : la puissance du laser, le diamètre de fibre optique, le rapport optique, la longueur focale, le diamètre de spot, la mise en forme faisceau comprenant le nombre de spots et le delta entre les spots, la répartition de puissance et l’oscillation du faisceau, la qualité des optiques, le type d’optique (lentille, miroir), la longueur d’onde, le mode de faisceau, la qualité de faisceau et la polarisation. D’autres paramètres concernent la torche de soudage MAG, à savoir le mode de courant (continu, pulsé ou CMT), la tension, le courant haut, le courant bas, la fréquence, le temps de pulsation, le fil d’apport notamment son type (fil massif ou fil fourré), le diamètre du fil d’apport, la distance de dépassement du fil depuis l’extrémité de la buse de diffusion, le nombre de fils d’apport et la distance entre les fils d’apport, la matière du fil d’apport, et des paramètres concernant le gaz diffusé, notamment sa composition, le diamètre de la buse et le débit de diffusion. D’autres paramètres du procédé sont la position du point focal du laser par rapport à la surface supérieure des plaques, la position du laser par rapport à la ligne de soudure, la distance entre le point focal du laser et l’extrémité libre du fil d’apport (distance laser/MAG), la position de l’émetteur laser et de la torche de soudage l’un par rapport à l’autre dans le sens de déplacement de l’outil de soudage, l’angle entre l’axe d’émission du laser et la surface supérieure des pièces à souder, l’angle de la torche de soudage par rapport à la surface supérieure des pièces à souder, l’angle d’avance tiré/poussé, le procédé de découpe des bords latéraux qui a été réalisé, la forme des bords latéraux (droits ou en V), le jeu avant soudage, le matériau à souder, l’épaisseur des plaques d’acier, etc.A first parameter is the welding speed, i.e. the speed at which the hybrid welding tool is moved along the weld line. Other parameters concern the laser emitter, namely: the laser power, the optical fiber diameter, the optical ratio, the focal length, the spot diameter, the beam shaping comprising the number of spots and the delta between spots, power distribution and beam oscillation, optical quality, optical type (lens, mirror), wavelength, beam mode, beam quality and polarization. Other parameters concern the MAG welding torch, namely the current mode (continuous, pulsed or CMT), the voltage, the high current, the low current, the frequency, the pulsation time, the filler wire in particular. its type (solid wire or flux-cored wire), the diameter of the filler wire, the distance the wire protrudes from the end of the diffusion nozzle, the number of filler wires and the distance between the filler wires , filler wire material, and parameters relating to the diffused gas, including its composition, nozzle diameter, and diffusion rate. Other parameters of the method are the position of the focal point of the laser with respect to the upper surface of the plates, the position of the laser with respect to the weld line, the distance between the focal point of the laser and the free end of the wire the laser transmitter and welding torch relative to each other in the direction of movement laser emission axis and the upper surface of the parts to be welded, the angle of the welding torch relative to the upper surface of the parts to be welded, the angle of advance pulled / pushed, the cutting process of the edges the lateral edges (straight or V-shaped), the play before welding, the material to be welded, the thickness of the steel plates, etc.

Il est à noter que l’invention concerne un procédé de soudage de deux plaques d’acier dont les bords latéraux de soudure sont sensiblement parallèles entre eux. De tels bords latéraux parallèles entre eux sont également appelés « bords droits », en opposition à des « bords en V » c’est-à-dire des bords latéraux formant un angle entre eux. En effet, il apparaît que, pour la réalisation de pièces industrielles de grandes dimensions, de tels bords en V ne permettent pas d’obtenir une qualité de soudage satisfaisante et/ou un soudage suffisamment homogène et/ou reproductible.It should be noted that the invention relates to a method of welding two steel plates whose side edges of welding are substantially parallel to each other. Such parallel side edges between them are also called "straight edges", as opposed to "V-shaped edges" that is to say side edges forming an angle between them. Indeed, it appears that, for the production of industrial parts of large dimensions, such V-shaped edges do not provide a satisfactory welding quality and / or a sufficiently homogeneous and / or reproducible welding.

Un procédé de soudage de bords droits est très différent d’un procédé de soudage de bords en V, et ne donne pas les mêmes résultats. Plus particulièrement, l’application d’un procédé de soudage de bords en V à des bords droits ne donne pas de bons résultats, et vice-versa.A straight edge welding process is very different from a V-edge welding process, and does not give the same results. More particularly, the application of a method of welding V edges to straight edges does not give good results, and vice versa.

Par ailleurs, il est à noter que l’invention se destine à une exploitation industrielle, notamment à être appliquée à des tôles de plusieurs mètres, de masse de l’ordre d’au moins une tonne. Un procédé de soudage pour une telle application industrielle doit être envisagé différemment d’un procédé de soudages d’échantillons de moindre dimensions, si bien que le paramétrage d’un procédé de soudage de tels échantillons ne donne pas d’enseignement pour le paramétrage d’un procédé de soudage de niveau industriel. Plus particulièrement, un paramétrage efficace pour un procédé de soudage d’échantillons ne donne généralement pas de bons résultats pour une application industrielle pour des tôles de grandes dimensions, et vice-versa. L’invention a notamment pour but d’optimiser un procédé de soudage hydride laser arc pour des plaques d’épaisseurs supérieures à 8 mm et de grandes dimensions, présentant des bords latéraux de soudure droits. A cet effet, certains paramètres de soudage ont été modifiés à l’encontre des enseignements classiques de l’état de la technique concernant la configuration de procédés de soudage hybride pour l’assemblage de plaques d’épaisseurs supérieures à 8 mm, à bord latéraux droits. A cet effet, l’invention a notamment pour objet un procédé de soudage hybride laser-arc, pour l’assemblage de deux plaques d’acier entre elles le long d’une ligne de soudure, dans lequel : - les deux plaques présentent respectivement des surfaces supérieures sensiblement coplanaires et des surfaces inférieures sensiblement coplanaires, - les surfaces supérieure et inférieure de chaque plaque définissent entre elles une épaisseur supérieure à 8 mm, - les plaques présentent chacune un bord latéral de soudure, les bords latéraux des plaques étant disposés en regard l’un de l’autre, et étant sensiblement parallèles entre eux, un cordon de soudure étant réalisée le long de la ligne de soudure, au niveau de ces bords latéraux de soudure, et - le cordon de soudure est réalisé au moyen d’un outil de soudage hybride comportant : • un émetteur laser, propre à émettre un laser le long d’un axe d’émission, ledit laser présentant un point focal disposé entre les surfaces supérieures et inférieures dans la direction de l’axe d’émission, et • une torche de soudage MAG, comportant une buse de diffusion de gaz et au moins un fil d’apport logé dans la buse de diffusion et s’étendant jusqu’à une extrémité libre, et dans lequel, en considérant un plan de projection parallèle aux surfaces supérieures, la projection orthogonale du point focal et la projection orthogonale de l’extrémité libre du fil d’apport sur ce plan de projection sont espacées d’une distance supérieure ou égale à 15 mm.Furthermore, it should be noted that the invention is intended for industrial use, particularly to be applied to sheets of several meters, mass of the order of at least one ton. A welding process for such an industrial application has to be considered differently from a process of welding smaller samples, so that the parameterization of a welding process of such samples does not give any teaching for the parameterization of an industrial level welding process. More particularly, efficient parameterization for a sample welding process generally does not give good results for industrial application for large size sheets, and vice versa. The object of the invention is in particular to optimize an arc laser hybrid welding process for plates with thicknesses greater than 8 mm and of large dimensions, with straight lateral edges of welding. For this purpose, certain welding parameters have been modified contrary to the conventional teachings of the state of the art concerning the configuration of hybrid welding processes for the assembly of plates with thicknesses greater than 8 mm, with side edges. rights. For this purpose, the subject of the invention is in particular a hybrid laser-arc welding method, for assembling two steel plates together along a weld line, in which: the two plates present respectively substantially coplanar upper surfaces and substantially coplanar lower surfaces, - the upper and lower surfaces of each plate define between them a thickness greater than 8 mm, - the plates each have a lateral weld edge, the lateral edges of the plates being arranged in facing each other, and being substantially parallel to each other, a weld bead being made along the weld line, at these lateral weld edges, and - the weld bead is made by means of a hybrid welding tool comprising: a laser emitter, capable of emitting a laser along an emission axis, said laser having a focal point available between the upper and lower surfaces in the direction of the emission axis, and • a MAG welding torch, comprising a gas diffusion nozzle and at least one filler wire housed in the diffusion nozzle and extending to a free end, and wherein, considering a projection plane parallel to the upper surfaces, the orthogonal projection of the focal point and the orthogonal projection of the free end of the filler wire on this projection plane are spaced apart a distance greater than or equal to 15 mm.

Alors que l’état de la technique, et même le principe habituel de la soudure hybride, préconise une synergie laser-arc avec une distance laser-arc courte, comprise entre 2 et 5 mm, pour une épaisseur d’acier de l’ordre de 10 mm, l’invention prévoit un effet séquentiel de l’émetteur laser et de la torche de soudage plutôt qu’un effet simultané tel qu’enseigné par l’état de la technique, en prévoyant une distance entre l’émetteur laser et la torche supérieure ou égale à 15 mm.While the state of the art, and even the usual principle of hybrid welding, recommends a laser-arc synergy with a short laser-arc distance, between 2 and 5 mm, for a steel thickness of the order of 10 mm, the invention provides a sequential effect of the laser transmitter and the welding torch rather than a simultaneous effect as taught by the state of the art, by providing a distance between the laser transmitter and torch greater than or equal to 15 mm.

Les inventeurs ont constaté qu’une telle distance permet de limiter les risques d’effondrement du bain de soudure de la torche de soudage entre les bords latéraux tout en assurant une liaison entre le bain de soudure de la torche de soudage et le bain de soudure de l’émetteur laser. On garantit ainsi une stabilité des bains de soudure sur une grande longueur de cordon de soudure.The inventors have found that such a distance makes it possible to limit the risks of collapse of the welding bath of the welding torch between the lateral edges while ensuring a connection between the weld pool of the welding torch and the weld pool of the laser transmitter. This guarantees a stability of the solder bath over a long length of weld bead.

Le procédé de soudage selon l’invention permet en outre d’éviter les reprises sur les zones de soudage, et présente une précision et une efficacité de niveau industriel.The welding method according to the invention also makes it possible to avoid reworking on the welding zones, and has a precision and efficiency of industrial level.

Un procédé de soudage selon l’invention peut présenter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou selon toutes combinaisons techniquement envisageables : - Ladite distance est comprise entre 15 et 20 mm. - La distance entre les surfaces supérieures et le point focal, dans la direction de l’axe d’émission, est comprise entre 2 et 6 mm, de préférence égale à 4 mm. - L’outil de soudage est déplacé le long de la ligne de soudure avec une vitesse comprise entre 1 et 2,5 mètres par minute (m/min), de préférence sensiblement égale à 1,5 m/min. - L’outil de soudage étant déplacé dans un sens de déplacement le long de la ligne de soudure, l’émetteur laser précède la torche de soudage dans ce sens de déplacement. - Le laser a une puissance comprise entre 8 et 12 kW. - Le fil d’apport est un fil fourré, de préférence un fil à poudre métallique ou un fil rutile. - Le laser est déplacé le long de la ligne de soudure en oscillant autour de cette ligne de soudure, avec une amplitude d’oscillation comprise entre 1 et 3 mm, de préférence sensiblement égale à 2 mm, la fréquence d’oscillation du laser autour de la ligne de soudure étant de préférence sensiblement égale à 500 Hz. - Les bords latéraux de soudure sont préalablement réalisés par un procédé de découpe laser d’une extrémité latérale de chaque plaque. - Le procédé comporte une étape préalable de sélection de paramètres de soudage en fonction de caractéristiques des plaques à souder. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 représente un dispositif de soudage de deux plaques d’acier entre elles, pour l’application du procédé de soudage selon l’invention ; - la figure 2 représente schématiquement un outil de soudage du dispositif de soudage de la figure 1.A welding method according to the invention may also have one or more of the following characteristics, taken alone or in any technically feasible combination: Said distance is between 15 and 20 mm. The distance between the upper surfaces and the focal point, in the direction of the emission axis, is between 2 and 6 mm, preferably equal to 4 mm. - The welding tool is moved along the weld line with a speed between 1 and 2.5 meters per minute (m / min), preferably substantially equal to 1.5 m / min. - The welding tool being moved in a direction of movement along the weld line, the laser emitter precedes the welding torch in this direction of movement. - The laser has a power between 8 and 12 kW. - The filler wire is a cored wire, preferably a metal powder wire or a rutile wire. - The laser is moved along the weld line oscillating around this weld line, with an oscillation amplitude of between 1 and 3 mm, preferably substantially equal to 2 mm, the oscillation frequency of the laser around the weld line is preferably substantially equal to 500 Hz. - The side weld edges are previously made by a laser cutting method of a lateral end of each plate. - The method comprises a prior step of selecting welding parameters according to characteristics of the plates to be welded. The invention will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of example and with reference to the appended figures, in which: FIG. 1 represents a device for welding two steel plates between them, for the application of the welding method according to the invention; - Figure 2 shows schematically a welding tool of the welding device of Figure 1.

On a représenté sur la figure 1, un dispositif 10 de soudage hybride laser arc, pour l’assemblage de deux plaques d’acier 12 entre elles.FIG. 1 shows a hybrid laser arc welding device 10 for assembling two steel plates 12 together.

Les plaques d’acier 12 sont réalisées dans des aciers de limite d’élasticité supérieure à 350 MPa par exemple des aciers de nuance DH36, ou de nuance proche.The steel plates 12 are made of steels of yield strength greater than 350 MPa, for example steels of shade DH36, or of a close grade.

Le dispositif de soudage 10 est adapté pour l’assemblage de plaques d’acier 12 présentant chacune une épaisseur E supérieure à 8 mm. Chaque plaque d’acier 12 présente une surface supérieure 12A et une surface inférieure 12B, les surfaces supérieures 12A des deux plaques 12 étant sensiblement coplanaires entre elles, et les surfaces inférieures 12B des plaques 12 étant également sensiblement coplanaires entre elles. L’épaisseur E de chaque plaque 12 est définie comme étant la distance entre sa surface supérieure 12A et sa surface inférieure 12B. Cette épaisseur E est par exemple de 10 mm.The welding device 10 is suitable for assembling steel plates 12 each having a thickness E greater than 8 mm. Each steel plate 12 has an upper surface 12A and a lower surface 12B, the upper surfaces 12A of the two plates 12 being substantially coplanar with each other, and the lower surfaces 12B of the plates 12 are also substantially coplanar with each other. The thickness E of each plate 12 is defined as the distance between its upper surface 12A and its lower surface 12B. This thickness E is for example 10 mm.

Chaque plaque 12 présente un bord latéral de soudure 12C, les bords latéraux 12C des deux plaques 12 étant disposés en regard l’un de l’autre.Each plate 12 has a lateral weld edge 12C, the side edges 12C of the two plates 12 being arranged facing one another.

Les plaques d’acier 12 sont de grandes dimensions, c’est-à-dire que leurs bords latéraux 12C présentent une longueur supérieure à 1 mètre.The steel plates 12 are large, that is to say that their side edges 12C have a length greater than 1 meter.

Conformément à la configuration du procédé selon l’invention, ces bords latéraux de soudure 12c sont sensiblement parallèles entre eux. De tels bords sont appelés « bords droits ».According to the configuration of the method according to the invention, these lateral welding edges 12c are substantially parallel to each other. Such edges are called "straight edges".

Les plaques d’acier 12 sont assemblées entre elles au niveau de ces bords latéraux de soudure 12C, en formant, entre ces bords latéraux de soudure 12C, un cordon de soudure, s’étendant le long d’une ligne de soudure 14.The steel plates 12 are assembled together at these lateral weld edges 12C, forming, between these lateral weld edges 12C, a weld bead extending along a weld line 14.

Afin de maintenir les plaques 12 pendant le procédé de soudage, le dispositif de soudage 10 comporte deux plateaux de support 16 et 18.In order to maintain the plates 12 during the welding process, the welding device 10 comprises two support plates 16 and 18.

Avantageusement, l’un des plateaux de support 16 est fixe, et l’autre des plateaux de support 18 est mobile le long d’une direction transversale sensiblement perpendiculaire à la ligne de soudure 14, pour se rapprocher ou s’éloigner du support fixe 16.Advantageously, one of the support plates 16 is fixed, and the other of the support plates 18 is movable along a transverse direction substantially perpendicular to the weld line 14, to move towards or away from the fixed support 16.

Le dispositif de soudage 10 comporte des moyens 20 de serrage, propres à appliquer une force de rapprochement ou d’éloignement du plateau mobile 18 par rapport au plateau fixe 16. Ces moyens de serrage 20 comportent par exemple des tiges filetées passant à travers le plateau fixe 16 et le plateau mobile 18, le serrage étant effectué par vissage de ces tiges filetées.The welding device 10 comprises clamping means 20 capable of applying a force for bringing the moving plate 18 closer to or away from the fixed plate 16. These clamping means 20 comprise, for example, threaded rods passing through the plate. fixed 16 and the movable plate 18, the tightening being performed by screwing these threaded rods.

Le plateau de support fixe 16 comporte une première butée 21, et le plateau de support mobile 18 comporte une seconde butée 22. Les première 21 et seconde 22 butées sont disposées en regard l’une de l’autre dans la direction transversale, et sont destinées à recevoir entre elles les plaques d’acier 12.The fixed support plate 16 has a first stop 21, and the mobile support plate 18 has a second stop 22. The first 21 and second 22 stops are arranged opposite one another in the transverse direction, and are intended to receive between them the steel plates 12.

Ainsi, chaque plaque d’acier 12 est disposée sur l’un respectif des plateaux fixe 16 et mobile 18, chacune en contact avec l’une des butées 21, 22 respective, et leurs bord de soudage 12C l’un en regard de l’autre dans la direction transversale. Ces bords de soudage 12C sont ainsi susceptibles d’être serrés l’un contre l’autre lorsque les moyens de serrage 20 sont activés.Thus, each steel plate 12 is disposed on a respective one of the fixed plates 16 and mobile 18, each in contact with one of the abutments 21, 22 respectively, and their welding edge 12C one facing the other in the transverse direction. These welding edges 12C are thus able to be clamped against each other when the clamping means 20 are activated.

Le dispositif de soudage 10 comporte par ailleurs des moyens de bridage 23 pour le maintien de chaque plaque 12 sur le plateau fixe 16 ou mobile 18 correspondant. Ces moyens de bridage 23 comportent par exemple des électroaimants ou en variante des vis de pression.The welding device 10 further comprises clamping means 23 for holding each plate 12 on the fixed plate 16 or mobile 18 corresponding. These clamping means 23 comprise for example electromagnets or alternatively pressure screws.

Le dispositif de soudage 10 comporte par ailleurs un outil de soudage hybride 24, représenté plus en détail sur la figure 2. L’outil de soudage 24 comporte un émetteur laser 26, propre à émettre un laser 28 le long d’un axe d’émission A. On notera que, dans l’exemple décrit, l’axe d’émission A est sensiblement perpendiculaire au plan des surfaces supérieures 12A. L’outil de soudage 24 comporte par ailleurs une torche de soudage de type MAG 29, comportant une buse 30 de diffusion de gaz et un fil d’apport 32 logé dans la buse de diffusion 30 et s’étendant jusqu’à une extrémité libre 34. Avantageusement, la torche de soudage 29 est inclinée avec un angle d’attaque du fil d’apport 32 compris entre 20 et 30° par rapport à la surface supérieure 12A, afin de favoriser la dépose du bain de soudure en largeur.The welding device 10 also comprises a hybrid welding tool 24, shown in more detail in FIG. 2. The welding tool 24 comprises a laser emitter 26, capable of emitting a laser 28 along an axis of FIG. emission A. Note that, in the example described, the transmission axis A is substantially perpendicular to the plane of the upper surfaces 12A. The welding tool 24 also comprises a MAG-type welding torch 29, comprising a gas diffusion nozzle 30 and a filler wire 32 housed in the diffusion nozzle 30 and extending to a free end 34. Advantageously, the welding torch 29 is inclined with an angle of attack of the filler wire 32 between 20 and 30 ° relative to the upper surface 12A, to promote the removal of the weld pool in width.

Ce dispositif de soudage permet de réaliser un procédé de soudage hybride laser arc selon l’invention, paramétré pour une qualité de soudage optimale.This welding device makes it possible to produce a hybrid laser arc welding method according to the invention, parameterized for optimum welding quality.

Par exemple, l’émetteur laser 26 est choisi pour émettre un laser de longueur d’onde sensiblement égale à 1030 nanomètres. Cet émetteur laser 26 comporte par exemple une fibre optique de diamètre compris entre 400 pm et 600 pm, de longueur sensiblement égale à 30 m. Le laser a une puissance avantageusement comprise entre 8 et 12 kw.For example, the laser emitter 26 is chosen to emit a laser of wavelength substantially equal to 1030 nanometers. This laser transmitter 26 comprises, for example, an optical fiber having a diameter of between 400 μm and 600 μm, with a length substantially equal to 30 μm. The laser has a power advantageously between 8 and 12 kw.

Le laser présente un point focal 36 dont la position par rapport aux surfaces supérieures 12A des deux plaques 12 est un paramètre du procédé de soudage. Avantageusement, la distance DF entre le plan des surfaces supérieures 12A et le point focal 36, dans la direction de l’axe d’émission A, est comprise entre 2 et 6 mm, de préférence égale à 4 mm.The laser has a focal point 36 whose position relative to the upper surfaces 12A of the two plates 12 is a parameter of the welding process. Advantageously, the distance DF between the plane of the upper surfaces 12A and the focal point 36, in the direction of the transmission axis A, is between 2 and 6 mm, preferably equal to 4 mm.

Un tel point focal disposé à cette distance DF de 4 mm est optimal pour une bonne qualité de soudure. L’outil de soudage est destiné à être déplacé le long de la ligne de soudure 14, dans un sens de déplacement S. Conformément à un autre paramètre du procédé de soudage selon l’invention, l’émetteur laser 26 précède la torche de soudage 28 dans ce sens de déplacement S. Ainsi, le bain de soudure présente un mouillage optimal avec un cordon plat.Such a focal point disposed at this distance DF of 4 mm is optimal for a good quality of welding. The welding tool is intended to be moved along the weld line 14 in a direction of displacement S. According to another parameter of the welding process according to the invention, the laser transmitter 26 precedes the welding torch 28 in this direction of displacement S. Thus, the weld pool has optimum wetting with a flat bead.

Un autre paramètre du procédé de soudage selon l’invention est la sélection du type du fil d’apport 32. Avantageusement, le fil d’apport 32 est un fil fourré, de préférence un fil à poudre métallique (par exemple le fil fourré Métal Core Oerlikon FLUXOFIL M8) ou un fil rutile (par exemple le fil fourré Rutile Welding Alloys ROBOFIL KX71T1). Ces types de fil permettent d’obtenir des morphologies de cordon de soudure côté endroit satisfaisante, répondant à la norme NF EN ISO 12932 de juillet 2013. Ces fils d’apport permettent d’optimiser le mouillage du cordon de soudure.Another parameter of the welding process according to the invention is the selection of the type of the filler wire 32. Advantageously, the filler wire 32 is a cored wire, preferably a metal powder wire (for example the cored wire Metal Core Oerlikon FLUXOFIL M8) or a rutile thread (eg Rutilated Welding Alloys ROBOFIL KX71T1 cored wire). These types of wire make it possible to obtain satisfactory weld side bead morphologies, meeting the NF EN ISO 12932 standard of July 2013. These filler wires make it possible to optimize the wetting of the weld bead.

Afin de garantir la fusion dans le cordon de soudure sur toute la longueur de la ligne de soudure 14, le laser touche les deux plaques 12 à souder. A cet effet, plusieurs paramètres de soudage, permettant d’élargir la zone fondue, notamment pour obtenir une largeur de 2 mm de cette zone fondue, sont envisageables.In order to guarantee the fusion in the weld bead along the entire length of the weld line 14, the laser touches the two plates 12 to be welded. For this purpose, several welding parameters, making it possible to widen the melted zone, in particular to obtain a width of 2 mm of this melted zone, are conceivable.

Il est en particulier envisageable d’augmenter le diamètre de spot laser, d’effectuer une soudure laser bi-spot, ou d’effectuer une oscillation du laser autour de la ligne de soudure (wobbling).In particular, it is possible to increase the laser spot diameter, to perform a bi-spot laser welding, or to perform an oscillation of the laser around the weld line (wobbling).

La présente invention propose d’optimiser le choix de ce paramètre, en réalisant une oscillation de l’émetteur laser 26 autour de la ligne de soudure 14, avec une amplitude d’oscillation comprise entre 1 et 3 mm, de préférence sensiblement égale à 2 mm. En outre, avantageusement, la fréquence d’oscillation de l’émetteur laser 26 autour de la ligne de soudure 14 est sensiblement égale à 500 hertz.The present invention proposes to optimize the choice of this parameter, by performing an oscillation of the laser emitter 26 around the weld line 14, with an oscillation amplitude of between 1 and 3 mm, preferably substantially equal to 2 mm. In addition, advantageously, the oscillation frequency of the laser emitter 26 around the weld line 14 is substantially equal to 500 hertz.

Il est à noter que l’oscillation du laser 28, qui est optimale en ce qui concerne la largeur de la zone fondue, est également optimale pour les jeux de soudure. Ainsi, ce procédé selon l’invention permet d’effectuer un soudage même en cas d’un jeu de 0,4 mm entre les bords latéraux de soudure 12C, tout en respectant les critères de qualité.It should be noted that the oscillation of the laser 28, which is optimal with regard to the width of the melted zone, is also optimal for the solder games. Thus, this method according to the invention makes it possible to carry out a welding even in the case of a clearance of 0.4 mm between the lateral weld edges 12C, while respecting the quality criteria.

Par ailleurs, la vitesse de soudage retenue, c’est-à-dire la vitesse à laquelle l’outil de soudage 24 se déplace le long de la ligne de soudure est choisie entre 1 et 2,5 m par minute, et de préférence sensiblement égale à 1,5 m par minute.Furthermore, the welding speed adopted, that is to say the speed at which the welding tool 24 moves along the weld line is chosen between 1 and 2.5 m per minute, and preferably substantially equal to 1.5 m per minute.

La vitesse de soudage de 1,5 m par minute retenue permet de garantir une largeur de soudure de 2 mm dans la zone laser afin d’augmenter la tolérance au jeu et la stabilité du bain de fusion côté envers. En outre, cette vitesse de soudage limite les duretés maximales de la zone affectée thermiquement à 400 Hv environs. L’un des paramètres les plus importants en soudage hybride est la distance D entre le laser 28 et la torche de soudage MAG 29. Conformément à l’invention, et contrairement aux enseignements classiques de l’état de la technique, cette distance D, qui correspond, en considérant un plan de projection parallèle aux surfaces supérieures 12A, à la distance entre la projection orthogonale du point focal 36 et la projection orthogonale de l’extrémité libre 34 du fil d’apport 32 sur ce plan de projection, est supérieure ou égale à 15 mm. De préférence, cette distance D est comprise entre 15 et 20 mm.The welding speed of 1.5 m per minute hold ensures a weld width of 2 mm in the laser zone to increase the playability and stability of the melt on the reverse side. In addition, this welding speed limits the maximum hardness of the heat affected zone to around 400 Hv. One of the most important parameters in hybrid welding is the distance D between the laser 28 and the MAG welding torch 29. According to the invention, and contrary to the conventional teachings of the state of the art, this distance D, which corresponds, considering a projection plane parallel to the upper surfaces 12A, to the distance between the orthogonal projection of the focal point 36 and the orthogonal projection of the free end 34 of the filler wire 32 on this projection plane, is greater or equal to 15 mm. Preferably, this distance D is between 15 and 20 mm.

Cette distance D permet de limiter les risques d’effondrement du bain de soudure de la torche de soudage 29 dans le fond du cordon laser, tout en assurant une liaison entre les deux bains de soudure.This distance D makes it possible to limit the risks of collapse of the welding bath of the welding torch 29 in the bottom of the laser bead, while ensuring a connection between the two solder baths.

Il apparaît que le procédé de soudage de l’invention permet une qualité optimale de la soudure. En particulier, le cordon de soudure obtenu présente une bonne compacité et aucune fissure n’est observée en macrographie. Plus particulièrement, l’emploi d’une distance D importante, supérieure ou égale à 15 mm permet de maîtriser la qualité du cordon côté envers, en limitant la chute du bain de soudure.It appears that the welding process of the invention allows an optimal quality of the weld. In particular, the weld bead obtained has a good compactness and no crack is observed in macrography. More particularly, the use of a large distance D, greater than or equal to 15 mm makes it possible to control the quality of the cord on the back side, by limiting the fall of the solder bath.

Ces soudures sont réalisées suivant les critères d’acceptation de la norme 13919-1 (norme de soudage laser) et non la norme 5817 (norme de soudage MAG), les soudures répondant aux critères de sévérité le plus strict.These welds are made according to the acceptance criteria of the standard 13919-1 (laser welding standard) and not the norm 5817 (MAG welding standard), the welds meeting the strictest severity criteria.

Afin d’améliorer la qualité d’accostage entre les plaques 12 préalablement au soudage, et ainsi améliorer la qualité du soudage, les bords latéraux de soudure 12C sont avantageusement préparés, préalablement au soudage, par un procédé de découpe laser. Grâce à ce procédé de découpe laser, il est possible de maîtriser le jeu entre les plaques 12 à souder, afin de garantir un jeu constant, pour ne pas pénaliser les paramètres de soudage.In order to improve the quality of docking between the plates 12 prior to welding, and thus to improve the quality of the welding, the lateral weld edges 12C are advantageously prepared, prior to welding, by a laser cutting process. With this laser cutting method, it is possible to control the clearance between the plates 12 to be welded, in order to guarantee constant play, so as not to penalize the welding parameters.

Ce procédé de découpe laser est par exemple réalisé au moyen des plateaux de support fixe 16 et mobile 18 décrits précédemment. Les plaques d’acier 12 sont mises en place sur ces plateaux de support 16, 18, et maintenus par les moyens de bridage 24. Leurs extrémités en regard sont alors découpées au moyen d’un outil de découpe laser pour former les bords latéraux 12C. Par exemple, les découpes laser des deux plaques sont réalisées l’une après l’autre avec le même outil de découpe laser.This laser cutting process is for example carried out by means of the fixed support platforms 16 and mobile 18 previously described. The steel plates 12 are put in place on these support plates 16, 18 and held by the clamping means 24. Their opposite ends are then cut by means of a laser cutting tool to form the lateral edges 12C. . For example, the laser cuts of the two plates are made one after another with the same laser cutting tool.

Les moyens de bridage 24 sont maintenus activés après la découpe, jusqu’à la fin du soudage, pour limiter toute détente des plaques 12 lors du relâchement des contraintes thermomécaniques dues à la découpe.The clamping means 24 are kept activated after the cutting, until the end of the welding, to limit any expansion of the plates 12 during the relaxation of the thermomechanical stresses due to cutting.

De manière connue en soi, la découpe par laser est réalisée au moyen d’un faisceau laser focalisé sur la plaque à découper. La forte densité de puissance provoque une montée en température très rapide de la matière, qui passe alors à l’état liquide. Sous l’action d’un gaz, actif (oxygène) ou neutre (azote), le métal fondu s’évacue du côté opposé à l’énergie laser, créant la saignée de coupe.In a manner known per se, laser cutting is performed by means of a laser beam focused on the plate to be cut. The high power density causes a very rapid rise in temperature of the material, which then passes to the liquid state. Under the action of a gas, active (oxygen) or neutral (nitrogen), the molten metal is evacuated on the opposite side to the laser energy, creating the cutting bleed.

Dans le cas de la découpe sous gaz actif, notamment sous oxygène, une réaction exothermique est générée. L’oxygène est alors responsable de 50 à 70% de l’énergie de coupe.In the case of cutting under active gas, in particular under oxygen, an exothermic reaction is generated. Oxygen is then responsible for 50 to 70% of the cutting energy.

Dans le cas de la découpe sous gaz neutre, le gaz n’a principalement que deux actions, à savoir protéger le champ de coupe à l’état liquide de l’oxydation, et chasser très rapidement le métal fondu par effet mécanique.In the case of cutting under a neutral gas, the gas mainly has only two actions, namely to protect the cutting field in the liquid state of the oxidation, and to quickly expel the molten metal by mechanical effect.

Avantageusement, pour obtenir des bords latéraux 12C de forme optimale, le procédé de découpe laser selon l’invention est une découpe par laser YAG (grenat d'yttrium-aluminium) sous oxygène.Advantageously, in order to obtain lateral edges 12C of optimum shape, the laser cutting method according to the invention is a YAG laser cut (yttrium-aluminum garnet) under oxygen.

En variante, le procédé peut être une découpe par laser YAG sous azote, une découpe par laser C02 sous oxygène, ou tout autre procédé de découpe laser envisageable.Alternatively, the method may be YAG laser cutting under nitrogen, CO2 laser cutting under oxygen, or any other laser cutting method possible.

On notera que l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation précédemment décrit, et pourrait présenter diverses variantes.Note that the invention is not limited to the embodiment described above, and could have various variants.

Le procédé selon l’invention est optimisé pour le soudage de plaques d’épaisseurs supérieures à 8 mm et à bords droits. Plus particulièrement, le procédé est optimisé pour des plaques d’acier de nuance DH36 d’épaisseurs sensiblement égales à 10 mm.The method according to the invention is optimized for welding plates with thicknesses greater than 8 mm and with straight edges. More particularly, the method is optimized for DH36 grade steel plates with thicknesses substantially equal to 10 mm.

Toutefois, le procédé selon l’invention est applicable à d’autres matériaux et à d’autres épaisseurs de plaques, au contraire des procédés connus de l’état de la technique qui sont généralement limités à un type de matériau précis, à une épaisseur précise et/ou à une application précise, un tel procédé de l’état de la technique ne permettant pas de souder plusieurs matériaux et plusieurs épaisseurs avec le même équipement. L’invention prévoit d’augmenter la versatilité du procédé, à l’aide des étapes suivantes. a) Tout d’abord, on prévoit une étape de sélection des paramètres de soudage en fonction des applications, des paramètres d’entrée et des paramètres cibles de sortie, de la géométrie des pièces à souder (bord à bord, T ...), et/ou des métaux à souder. Cette étape de sélection utilise des moyens de paramétrage dédiés, comprenant notamment une base de données des paramètres de l’assemblage/soudage définis selon les applications (nuances de matériaux, pièces à souder, etc.), et des moyens de modélisation et de simulation, avec les paramètres ainsi déterminés. b) On prévoit ensuite une étape de détermination (automatique) des effecteurs à commander, au cours de laquelle on détermine le nombre et la position des effecteurs (2, 3 ...), le choix des effecteurs associés et le système mécanique/robotique associé de positionnement et de commande, la modularité des effecteurs, la composition des électrodes et des gaz, le choix entre Arc et Laser séquentiels ou simultanés, la tête d’effecteur appropriée adaptable/modulaire/interchangeable, le type de fil utilisé (fourré/rutile ...), la vitesse de défilement, le choix de paramètres sur la source, la puissance, l’orientation, la distance, le système de régulation/vitesse température, etc. c) Enfin, on prévoit une étape d’actionnement et de pilotage des effecteurs à l’aide de moyens/logiciels de pilotage, à l’aide de boucles de contrôle/asservissement, de boucles de test sur zone/échantillon, en prenant en compte le positionnement relatif (au millimètre près) des pièces à souder et des effecteurs de soudage.However, the method according to the invention is applicable to other materials and to other plate thicknesses, contrary to the methods known from the state of the art which are generally limited to a specific type of material, to a thickness precise and / or precise application, such a method of the state of the art does not allow to weld several materials and several thicknesses with the same equipment. The invention provides for increasing the versatility of the method, using the following steps. a) Firstly, a step of selecting the welding parameters according to the applications, the input parameters and the output target parameters, the geometry of the parts to be welded (edge to edge, T ... ), and / or metals to be welded. This selection step uses dedicated parameterization means, including in particular a database of the parameters of the assembly / welding defined according to the applications (material grades, parts to be welded, etc.), and modeling and simulation means. , with the parameters thus determined. b) A step is then made to determine (automatically) the effectors to be controlled, during which the number and position of the effectors (2, 3 ...), the choice of associated effectors and the mechanical / robotic system are determined. associated positioning and control, the modularity of the effectors, the composition of the electrodes and gases, the choice between sequential or simultaneous Arc and Laser, the appropriate effector head adaptable / modular / interchangeable, the type of wire used (poked / rutile ...), the scrolling speed, the choice of parameters on the source, the power, the orientation, the distance, the control system / speed temperature, etc. c) Finally, a step is provided for actuating and controlling the effectors using control means / software, using control / servo loops, zone / sample test loops, taking into account the relative positioning (to the nearest millimeter) of the parts to be welded and the effectors of welding.

Il est à noter que le soudage est de préférence combiné à d’autres étapes permettant d’optimiser le soudage, notamment des étapes de découpe, de convoyage, utilisation de robot/cobot, etc.It should be noted that the welding is preferably combined with other steps to optimize the welding, including cutting steps, conveying, use of robot / cobot, etc.

Enfin, le soudage peut être optimisé suite à des inspections, notamment des contrôles non destructifs (CND), et/ou par des suivis d’image vidéo, en cours de soudage ou sur le produit fini.Finally, the welding can be optimized following inspections, including non-destructive testing (NDT), and / or by video image tracking, during welding or on the finished product.

Claims (10)

REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage hybride laser-arc, pour l’assemblage de deux plaques d’acier (12) entre elles le long d’une ligne de soudure (14), dans lequel : - les deux plaques (12) présentent respectivement des surfaces supérieures (12A) sensiblement coplanaires et des surfaces inférieures (12B) sensiblement coplanaires, - les surfaces supérieure (12A) et inférieure (12B) de chaque plaque définissent entre elles une épaisseur (E) supérieure à 8 mm, - les plaques (12) présentent chacune un bord latéral de soudure (12C), les bords latéraux (12C) des plaques (12) étant disposés en regard l’un de l’autre, et étant sensiblement parallèles entre eux, un cordon de soudure étant réalisée le long de la ligne de soudure (14), au niveau de ces bords latéraux de soudure (12C), et - le cordon de soudure est réalisé au moyen d’un outil de soudage hybride (24) comportant : • un émetteur laser (26), propre à émettre un laser (28) le long d’un axe d’émission (A), ledit laser (28) présentant un point focal (36) disposé entre les surfaces supérieures (12A) et inférieures (12B) dans la direction de l’axe d’émission (A), et • une torche de soudage MAG (29), comportant une buse (30) de diffusion de gaz et au moins un fil d’apport (32) logé dans la buse de diffusion (30) et s’étendant jusqu’à une extrémité libre (34), caractérisé en ce que, en considérant un plan de projection parallèle aux surfaces supérieures (12A), la projection orthogonale du point focal (36) et la projection orthogonale de l’extrémité libre (34) du fil d’apport (32) sur ce plan de projection sont espacées d’une distance (D) supérieure ou égale à 15 mm.1. Hybrid laser-arc welding process, for assembling two steel plates (12) together along a weld line (14), wherein: - the two plates (12) respectively have substantially coplanar upper surfaces (12A) and substantially coplanar lower surfaces (12B), - the upper (12A) and lower (12B) surfaces of each plate define between them a thickness (E) greater than 8 mm, - the plates (12). ) each have a side weld edge (12C), the side edges (12C) of the plates (12) being arranged facing one another, and being substantially parallel to each other, a weld bead being made along of the weld line (14), at these side weld edges (12C), and - the weld bead is made by means of a hybrid welding tool (24) comprising: • a laser emitter (26) , capable of emitting a laser (28) along an emission axis (A), said laser (28) having a focal point (36) disposed between the upper (12A) and lower (12B) surfaces in the direction of the emission axis (A), and • an MAG welding torch (29), comprising a gas diffusion nozzle (30) and at least one filler wire (32) housed in the diffusion nozzle (30) and extending to a free end (34), characterized in that, in that considering a projection plane parallel to the upper surfaces (12A), the orthogonal projection of the focal point (36) and the orthogonal projection of the free end (34) of the filler wire (32) on this projection plane are spaced apart from each other. a distance (D) greater than or equal to 15 mm. 2. Procédé de soudage hybride selon la revendication 1, dans lequel ladite distance (D) est comprise entre 15 et 20 mm.The hybrid welding method according to claim 1, wherein said distance (D) is between 15 and 20 mm. 3. Procédé de soudage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la distance (DF) entre les surfaces supérieures (12A) et le point focal (36), dans la direction de l’axe d’émission (A), est comprise entre 2 et 6 mm, de préférence égale à 4 mm.Welding method according to claim 1 or 2, wherein the distance (DF) between the upper surfaces (12A) and the focal point (36) in the direction of the emission axis (A) is comprised between 2 and 6 mm, preferably equal to 4 mm. 4. Procédé de soudage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’outil de soudage (24) est déplacé le long de la ligne de soudure (14) avec une vitesse comprise entre 1 et 2,5 mètres par minute (m/min), de préférence sensiblement égale à 1,5 m/min.A welding method according to any one of the preceding claims, wherein the welding tool (24) is moved along the weld line (14) at a speed of between 1 and 2.5 meters per minute ( m / min), preferably substantially equal to 1.5 m / min. 5. Procédé de soudage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’outil de soudage (24) étant déplacé dans un sens de déplacement (S) le long de la ligne de soudure (14), l’émetteur laser (26) précède la torche de soudage (29) dans ce sens de déplacement (S).A welding method according to any one of the preceding claims, wherein the welding tool (24) is displaced in a direction of travel (S) along the weld line (14), the laser transmitter ( 26) precedes the welding torch (29) in this direction of movement (S). 6. Procédé de soudage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le laser (28) a une puissance comprise entre 8 et 12 kW.6. Welding process according to any one of the preceding claims, wherein the laser (28) has a power of between 8 and 12 kW. 7. Procédé de soudage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le fil d’apport (32) est un fil fourré, de préférence un fil à poudre métallique ou un fil rutile.The welding method according to any one of the preceding claims, wherein the filler wire (32) is a flux-cored wire, preferably a metal powder wire or a rutile wire. 8. Procédé de soudage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le laser (28) est déplacé le long de la ligne de soudure (14) en oscillant autour de cette ligne de soudure (14), avec une amplitude d’oscillation comprise entre 1 et 3 mm, de préférence sensiblement égale à 2 mm, la fréquence d’oscillation du laser (28) autour de la ligne de soudure (14) étant de préférence sensiblement égale à 500 Hz.A welding method according to any one of the preceding claims, wherein the laser (28) is moved along the weld line (14) oscillating about this weld line (14), with an amplitude of oscillation between 1 and 3 mm, preferably substantially equal to 2 mm, the oscillation frequency of the laser (28) around the weld line (14) is preferably substantially equal to 500 Hz. 9. Procédé de soudage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les bords latéraux de soudure (12C) sont préalablement réalisés par un procédé de découpe laser d’une extrémité latérale de chaque plaque (12).A welding method according to any one of the preceding claims, wherein the weld side edges (12C) are previously made by a laser cutting method of a lateral end of each plate (12). 10. Procédé de soudage selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une étape préalable de sélection de paramètres de soudage en fonction de caractéristiques des plaques à souder.10. Welding process according to any one of the preceding claims, comprising a prior step of selecting welding parameters according to characteristics of the plates to be welded.
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