FR3048905A1

FR3048905A1 - Amelioration des procedes de soudage laser avec une buse a jet dynamique

Info

Publication number: FR3048905A1
Application number: FR1670118A
Authority: FR
Inventors: Karim Chouf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-03-21
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2017-09-22
Also published as: WO2017162929A1

Abstract

L'invention concerne un procédé de soudage mettant en œuvre un générateur de faisceau laser et un gaz de protection dynamique capable d'influer sur le procédé de soudage et d'en améliorer les performances. Le faisceau laser focalisé est issu d'un générateur laser suffsamment puissant pour permettre le processus de soudage (CO2, YAG, fibre, diode...) ; le gaz ou le mélange gazeux de protection est distribué au voisinage de la zone d'interaction du faisceau laser focalisé et les tôles métalliques à souder ; le déplacement du capillaire de vapeur résultant, au niveau du plan de joint à souder, donne lieu au cordon de soudure après solidification ; il se forme à l'embouchure du capillaire une plume de plasma métallique ou un panache de vapeur métallique. Le jet de gaz délivré par la buse est orienté en direction de la plume, dans l'axe de déplacement du faisceau laser, de manière à ce que le gaz impacte sur le cordon de soudure, à l'arrière du bain de métal en fusion sans interagir avec ce dernier. Le jet de gaz incline la plume, afin qu'elle se couche sur la surface de métal solide à l'avant faisceau laser, permettant ainsi des transferts d'énergie entre la plume et le métal à souder. Ce préchauffage des tôles à souder par la plume permet d'améliorer les performances du procédé de soudage laser. La solution peut être utilisée avec les gaz usuels des procédés de soudage.

Description

La présente invention concerne un procédé de sondage laser mettant en œuvre un générateur faisceau laser de .soudage et un gaz de protection d> namtque capable d’influer sur le procédé de soudage et d'en améliorer les performances.

Le soudage laser est un procédé industriel d'assemblage de pièces métalliques " performant compare aux procédés de soudage conventionnels, tels que le soudage Plasma, le soudage MIG (Métal Inert G as ) ou le soudage TIG (Tungsten Inert Gasj. Les fortes densités de puissances laser localisées, généralement supérieures a 10” W/cm\ à la surface des tôles métalliques, au mseau du plan de joint des pièces à souder, permettent d'obtenir des cordons de soudure plus étroits et profonds à des vitesses de soudage beaucoup plus rapides. Ces conditions opératoires particulières permettent aussi de limiter les déformations thermiques des tôles soudées.

Le procédé de soudage laser a d'autres incom enients, comme notamment sa faible tolérance aux défauts de positionnements et ou de plaquages. Cela s’explique par le fait que Γopération de soudage consiste à déplacer le faisceau laser focalisé dans le plan de jonction des tôles afin de fondre localement les arêtes de chacune des tôles de manière à ce que te bains métalliques générés se mélangent et se solidifient en un cordon de soudure. Or, le diamètre de la tache focale du faisceau laser focalisé, qui provoque la fusion des arêtes des tôles, est de très petite dimension, généralement compris entre 100 μιη et 500 pm, ce qui rend difficile son positionnement et son alignement sur le plan de joint. Pour avoir un couplage efficace entre le faisceau laser focalisé et le métal, les défauts du plan de joint (jeux, désalignements, etc.) doivent être inférieurs au diamètre du faisceau laser focalisé. En soudage par faisceau laser, il est nécessaire de soigner la préparation des arêtes des tôles, les accostages et plaquages des tôles (bord à bords, transparence, clins, etc.) et ]’alignement du faisceau laser focalisé.

Le procédé de soudage par faisceau laser peut être décrit comme suit :

Le faisceau laser focalisé concentre une forte densité de puissance laser à la surface de la tôle, ce qui entraîne réchauffement de la surface du métal, sa fusion et sa vaporisation. La detente de la vapeur métallique dans l’atmosphère ambiante s'accompagne de l'exercice d'une force de recul qui pousse sur le bain de métal en fusion présent sur la tôle et l'onlbnce. Par continuité de l'irradiation laser, il se forme un capillaire de vapeur étroit et profond, dans l’épaisseur de la tôle, appelé "keyhole". Le faisceau laser focalisé peut alors pénétrer dans la matière à travers le capillaire de vapeur. Les réflexions du faisceau laser sur les parois du capillaire de vapeur permettent de distribuer la puissance laser en profondeur dans le métal. Une zone de métal en fusion se développe autour du capillaire. Le déplacement du capillaire de vapeur et du bain de métal en fusion qui l’entoure, au niveau du plan de joint à souder, provoque la fusion partielle et locale des arêtes de chacune des tôles et le mélange des bains de métal en fusion de «s arêtes donne lieu au cordon de soudure après solidification. A la surface de la tôle apparaît une « plume » de vapeur métallique qui n’est autre que l’extension de la vapeur métallique s’échappant hors du capillaire, qui se détend dans l’atmosphère. Les dimensions de cette plume dépendent des caractéristiques du faisceau laser focalisé à la surface de la tôle (puissance laser, longueur focale, longueur d’onde, etc.) et des caractéristiques du milieu gazeux environnant (gaz, pression ambiante, etc.). Les frontières de la « plume » correspondent à la zone d’équilibre entre la pression induite par le jet de vapeur métallique hors du capillaire et la pression de l’atmosphère ambiant environnant.

La nature de la « vapeur » contenue dans le capillaire évolue en fonction du type de rayonnement laser focalisé : a) Pour des faisceaux laser dont la longueur d’onde est dans le proche Infra-Rouge, autour de 1 μΐη (Nd-YAG à 1,06 μΐη, Fibre Ytterbium à 1,07 μΐη, Diodes laser à 1 uni, etc.) l’élément gazeux contenu dans le capillaire s’apparente à une vapeur métallique chaude dont la température électronique avoisine 5000 K. Cette \apeur métallique peut contenir des agrégats dont les tailles varient avec les conditions opératoires (puissance, composition du métal, etc ). La plume visible à la surface de la tôle à l’embouchure du capillaire est appelée « panache de vapeur métallique» et elle émet principalement dans le visible et dans Γinfra-rouge.

Le panache de vapeur métallique perturbe peu la propagation du faisceau laser focalisé. Seuls les agrégats contenus dans la vapeur métallique, peuvent provoquer un léger phénomène de diffraction du faisceau laser focalisé, élargir légèrement son diamètre et donc de diminuer la densité de puissance focalisée sur le métal. Toutefois, cet effet de diffraction reste limité et il affecte peu le procédé de soudage par faisceau laser. L’argon est le gaz de protection qui est généralement utilisé pour le soudage par faisceau laser avec des longueurs d’onde proche de Ιμπι. A ces longueurs d’onde, le gaz de protection sert essentiellement de couverture gazeuse pour éviter toutes pollutions atmosphériques qui affecteraient la métallurgie du cordon de soudure. Néanmoins, pour limiter les effets de diffraction du faisceau focalisés, certains opérateurs préconisent de chasser mécaniquement le panache de vapeur métallique avec un jet d’air comprimé et ou d’argon, b) Pour des faisceaux laser dont la longueur d’onde est dans le moyen Infra-Rouge, tels que les lasers COj à 10,6 um, l’élément contenu dans le capillaire s’apparente à un plasma métallique, c’est à dire à une vapeur métallique dont des éléments ont été ionisés. Le plasma métallique est composé d’atomes, d’ions et d'électrons. La température électronique du plasma métallique dans le capillaire et dans la plume de plasma est supérieure à 10000 K. La plume visible à la surface de la tôle a une couleur bleutée caractéristique, correspondant à une forte émission dans l’Ultraviolet, le visible et l’infrarouge. Ce plasma métallique a la particularité d’absorber le faisceau laser CO2 incident 11 affecte fortement les dépôts d’énergie dans le capillaire et la profondeur de pénétration des cordons de soudure.

En soudage a\ ce un faisceau laser C( K la plume de plasma métallique visible à la surface de la tôle peut être à l’origine d'un autre effet parasite qui apparaît généralement au niveau de son interlace avec le milieu gazeux environnant: (‘ionisation de la plume de plasma métallique s'étend au milieu gazeux environnant et crée un nouveau plasma parasite juste au-dessus de la plume de plasma métallique. Lorsqu'il se crée, ce plasma parasite absorbe l'essentiel du faisceau laser focalisé incident et empêche le couplage laser métal et donc l'opération de soudage. Ce « phénomène de claquage » dans, le gaz de protection est connu en soudage laser, il est propre aux rayonnement'} CO2dont la longueur d’onde est de 10,6 pm. L’ionisation du gaz de protection et la propagation de cette ionisation par un effet d’avalanche ne sont possibles qu’avec la participation des photons du faisceau laser incident. Ce phénomène physique qui fait intervenir trois corps (ions, électrons et photons), est connu sous le nom de « Bremsstrahhmg inverse, » Le plasma parasite ne peut donc se dé\elopper que le long du faisceau laser, juste au-dessus de la plume de plasma métallique.

Le seuil de densité de puissance à partir duquel le plasma apparaît dans le gaz de protection dépend de la longueur d’onde du faisceau laser focalisé, de la densité de puissance laser disponible au-dessus de la plume de plasma métallique et surtout du potentiel d'ionisation du ga/ de protection en\ironnant Ainsi, avec des làisceaux laser de type Ci g de puissance supérieure à 4kYY. on préférera utiliser comme gaz de protection de l'hélium car c'est le gaz qui possède le plus haut potentiel d'ionisation. On utilise Γhélium comme gaz protection jusqu’à des puissances laser supérieures à 20kW. L'utilisation d'autres gaz usuels du soudage (argon, CO2. azote, etc.) provoque la formation d'un plasma parasite dans le gaz de protection.

Neanmoins,-l’hélium a un inconvénient majeur, celui d’être un des gaz les plus onéreux. Les utilisateurs sont constamment à la recherche de nouvelles solutions permettant d’utiliser d’auto gaz ou mélanges gazeux qui permettraient de limiter l'apparition du plasma de gaz de protection et d’obtenir des résultats de soudage similaires à ceux obtenus avec l’hélium mais à un coût moindre.

De là, un problème qui se pose est de pouvoir améliorer te performances du précédé de soudage par faisceau laser déli\ ré par un générateur laser quelconque, en limitant les effets perturbateurs pour le faisceau laser induit par le panache de vapeur métallique ou par le plasma métallique, afin de permettre un plus grand transfert d'énergie vers le matériau à souder, [/augmentation de l'énergie transférée au matériau soudé contribue à .augmenter les performances de soudage, à savoir la profondeur de pénétration des cordons de soudure et/ou la v itesse de soudage. L’amélioration du procède de soudage laser doit se faire sans dégradation de la qualité des cordons de soudure, est termes d’aspect et de métallurgie (porosités, etc.), et de la qualité des conditions de soudage ι fumees. projections, etc.).

Une solution selon l’invention est alors un procédé de soudage laser d’une ou plusieurs pièces métalliques positionnées Tune contre l’autre selon un plan de joint, dans lequel : on génère un faisceau laser au moyen d’un générateur laser de soudage, de type COz, YAG, fibre, diode, etc., suffisamment puissant, que l’on focalise à la surface de la tôle avec un système de miroirs, un système de lentilles ou un système de fibres ; on distribue un gaz ou un mélange gazeux au voisinage de la zone d’interaction entre le faisceau laser focalisé et le plan de joint des tôles à souder, au moyen d’une buse, pour former un jet de gaz de protection efficace afin éviter tout phénomène parasite ; on réalise, au moyen du faisceau laser focalisé, un cordon de soudure dans le plan de joint entre les tôles métalliques, à savoir la fusion et la vaporisation d’une partie du métal constitutif des arêtes desdites pièces métalliques, afin de former dans l’épaisseur de la ou des pièces un capillaire étroit et profond rempli de vapeur métallique, avec ou sans formation concomitante d’un plasma, entouré d’un bain de métal en fusion qui. en se propageant hors du capillaire, forme une plume de plasma métallique ou un panache de vapeur métallique au dessus du plan de joint, caractérisé en ce qu'on oriente le jet de gaz de protection délivré par la buse en direction de la plume de plasma métallique ou du panache de vapeur métallique se formant au dessus du plan de joint, dans l’axe de déplacement du faisceau laser.

Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

Le rayonnement laser peut être issu d’un générateur laser CO? avec une longueur d'onde de 10,6 μιη, d’un générateur laser Y AG avec une longueur d’onde de 1,06 pm, d’un générateur laser fibre avec une longueur d’onde de 1,07 pm, d’un générateur laser diode avec une longueur d'onde autour de 1 pm. ou tout autre type de dispositif permettant de générer un faisceau laser ayant une puissance suffisante pour, qu’une fois focalisé, il permette la vaporisation du métal et l'opération de ,, soudage.

La puissance laser est d’au motos 2 kW, de préférence entre 4 kW et 20 kW.

La buse est positionnée dois l’axe de déplacement du faisceau laser de manière à ce qu’elle précède le faisceau laser et que le jet de gaz impacte précisément le cordon de soudure solidifié, au-delà du bain de métal en fusion formé au cours du procédé de soudage par faisceau laser, sans interagir avec le dit bain de métal en fusion.

Le jet de gaz de protection incline la plume visible en surface, le panache de vapeur métallique ou le plasma métallique, de manière à ce qu’elle se couche sur la surface de métal solide à l’avant du faisceau laser, favorisant ainsi des échanges thermiques entre la plume et le matériau à souder.

Le jet de gaz de protection est orienté de manière à ce que la distance (d) entre le point d’impact de l’axe du jet de gaz à la surface du cordon de soudure et l’axe du faisceau laser focalisé soit supérieure ou égale à 8 fois le diamètre (d5) interne de la buse délivrant le jet de gaz. - L’extrémité du diamètre intérieur de la buse (d’) par rapport à la surface supérieure des pièces est positionnée à une hauteur qui est comprise entre 1 mm et 30 mm.

La buse est positionnée par rapport à la surface supérieure des pièces, de telle sorte que l'angle (a) de l'axe du jet de gaz ou de la buse soit compris entre 5° et 40° par rapport à la surface supérieure des pièces, de préférence de l’ordre de 15° à 25°.

La buse possède un ou plusieurs orifices de distribution de gaz.

La buse a un diamètre interne (d*) compris entre 0.5 mm et 15 mm, de préférence entre 1 m et 3 mm.

Le gaz de protection peut être de l’hélium, de l’argon de l’azote, de l’oxygène, du dioxyde de carbone ou tout autres mélanges constitués par un ou plusieurs de ces gaz.

La vitesse du jet de gaz à la sortie de la buse est comprise entre 10 et 3000 m/s et/ou à une pression comprise entre 1 et 15 bar.

Le type de métal des pièces soudées peut être : de l’aluminium ou un alliage d’aluminium, du titane ou un alliage de titane, du magnésium ou un alliage de magnésium, de l’Inconel, de l’acier ou de l’acier inoxydable, en particulier de l’acier revêtu de zinc, de polymère, d’alliage d’aluminium, ou plusieurs éléments organiques, notamment de peinture.

Les configurations de soudage traitées impliquent deux pièces métalliques distinctes Tune de l'autre, ou une seule pièce avec elle-même, par exemple les deux ï bords longitudinaux d'une feuille métallique mise en tonne de O, puis soudés de manière à obtenir un tube soudé, .ou encore deux éléments d’une même pièce qui sont soudés entre eux.

La ou les pièces â souder ont une épaisseur comprise entre 0.1 mm et 20 mm, suivant l’application considérée, de préférence entre I mm et 8 mm. J - Pour les tôles épaisses, c'est-à-dire d‘au moins 8 mm, différentes préparations de bords pement être considérées, comme la réalisation de chanfreins particuliers (en « V », en « Y en « U », en « tulipe ». etc. î. de talons, etc Dans ce dernier cas, l’épaisseur du talon doit être comprise dans la plage d'épaisseurs entre 0.1 mm et 20 mm, de préférence entre 1 et 8 mm.

La description suivante d’un mode de réalisation de l’invention est faite en références aux Figures illustratives annexées et aux exemples donnés ci-après.

Les Figures 1 à 2 illustrant le principe d’un procédé de soudage laser selon un mode de réalisation de l’invention, dans lequel on soude ensemble deux pièces ) métalliques (1) et (la) positionnées l’une contre l’autre, en bord à bord, de manière à obtenir un plan de joint (2) au niveau duquel vient frapper le faisceau laser focalisé (3 ! Le faisceau laser est obtenu au moyen d’un générateur laser et est focalisé à la surface des pièces (1) et (la) par un système optique composé de miroirs ou de lentilles ou de fibres. 5 Le faisceau laser est focalisé au niveau du plan de joint (2) de manière à interagir avec une partie des arêtes métalliques de chacune des deux pièces (1) et(la) et â provoquer une fusion et une vaporisation partielle du métal de chaque pièce (!) et ( 1 a) conduisant à ta formation, dans l'épaisseur du métal et au niveau dudit plan de joint (2), d'un capillaire de vapeur métallique (4) ou kevhole ; la formation ) concomitante d'un plasma métallique aura lieu dans le cas de l’utilisation d’un faisceau laser CO; à 10,6 pm. Le mélange du métal en fusion de chacune des arêtes donnera lieu à un bain de métal en fusion (5) à l’arrière du capillaire qui, après solidification, formera le cordon, de soudure (6).

La vapeur métallique ou le plasma métallique, en se propageant hors du capillaire ( 4), forme une plume (7) au dessus du plan de joint (2).

Afin d’obtenir un procédé de soudage laser efficace, il est necessaire d’utiliser un jet de gaz de protection au voisinage de la zone d’interaction du faisceau laser focalisé (3). Un gaz ou un mélange gazeux de protection est distribué, via une buse (8) de distribution de gaz, en direction de la zone de soudage. L’objet de la distribution de ce gaz est de limiter les effets parasites liés à l’interaction entre l’environnement gazeux de la zone d’interaction et la plume de plasma métallique ou panache de vapeur métallique, mais aussi la contamination du bain de soudage et donc du cordon de soudure qui en résulte, par des impuretés atmosphériques.

Selon un mode de réalisation de l’invention, la buse (8) est positionnée à l’avant du faisceau laser focalisé (3), de manière à précéder le faisceau laser lorsqu’il se déplace le long du plan de joint (2) au cours du processus de soudage. La buse (8), caractérisée par son axe de symétrie (9), est orientée de manière à ce que le jet de gaz délivré soit parfaitement aligné a\ ce le plan de joint (2) et que l’axe de symétrie (9) et le plan de joint 12 ) soient dans le même plan vertical.

Le jet de gaz délivré est orienté en direction de la plume (7) et vient impacter la surface du cordon de soudure solidifié à l’arrière du bain de meta! en fusion sans que le jet de gaz n'interagisse avec le bain métal en fusion (5).

Le jet de gaz dynamique issu de la buse (8) est orienté de manière à influer sur l'orientation de la plume de plasma (7) et sur son expansion spatiale hors du capillaire (4|. Le jet de gaz est envoyé au voisinage de la plume (7) de manière à former une sorte de « barrière gazeuse » dynamique qui limite l’expansion verticale de la plume (7> depuis le capillaire (4) et Γoblige à s’incliner vers l’avant de la zone d’interaction. La plume (7) se couche alors sur la surface du métal encore solide, au niveau du plan de joint (2), a Lavant du faisceau laser focalisé (3), comme illustré en Figure 1. L’inclinaison de la plume (7) sur le métal encore solide, par le jet de gaz rapide issu de la buse (8), contribue au transfert d’une partie de l’énergie thermique de la plume (7) vers le mêlai à l’avant du faisceau laser (3) et à une élévation de la température au niveau, du plan de joint (2), juste avant le passage du faisceau laser.

Le préchauffage du plan de joint (2) par la plume (7) permet l’amélioration des performances de soudage, telles que la profondeur de pénétration des cordons ou la vitesse de soudage ou la largeur de cordons de soudure.

Le jet de gaz rapide limite aussi les effets parasites liés à l’interaction de la plume avec le milieu environnant et le faisceau laser : dans le cas des lasers dont la longueur d'onde est voisine de à 1 pm, le jet de gaz dynamique déplace les agrégats contenus dans la plume, qui ne peuvent plus interagir avec le faisceau laser focalisé en le ditractant. Dans le cas de faisceaux laser CO2, dont la longueur d’onde est voisine de 10,6 pm, l'ensemencement en électrons libres du gaz de protection, qui pourrait déclencher l’apparition d’un plasma parasite, n’est plus effectif car les particules de gaz de protection potentiellement ionisées par la plume de plasma métallique sont entraînées par le jet de gaz rapide délivré par la buse (8) hors de la zone du faisceau laser focalisé (3), et le phénomène parasite de Bremsstrahlung Inverse ne peut plus se produire. Aucun plasma parasite ne peut alors se développer.

De préférence» la distance (d) entre l'axe du faisceau laser focalisé et l’axe (9) de la buse (§) ou du jet de gaz, doit au mois être égale à 8 fois le diamètre interne de la buse (8), Il est nécessaire de veiller à ce que le point d’impact du jet gazeux soit bien sur la surface de cordon de soudure solidifié (6) et qu’il n’interagisse pas avec le bain de métal en fusion (5). L’orientation de l’axe (9) du jet de gaz issu de la buse (8) est nécessairement dans Taxe au cordon de soudure (6), c'est-à-dire parallèle au plan de joint (2) et au sens de soudage V, Le plan de joint (2) et l’axe (9) du jet de gaz sont nécessairement dans un même plan vertical.

La section de sortie de la buse (8) peut prendre différente forme, comme par exemple : circulaire, ovoïde, carrée, rectangulaire, etc, La buse peut aussi comporter plusieurs orifices de sortie de gaz. On utilisera préférentiellement une buse cylindrique à section circulaire, comme représenté dans la figure 1.

Le diamètre interne de la buse utilisée est avantageusement compris entre environ 0.5 mm et 15 mm, de préférence d’au moins 1 mm et d’au plus 10 mm, préférentiellement d’au plus 4 mm environ, mesurée au niveau de l’extrémité de sottie de la buse (8) par laquelle sort le jet gazeux. L’angle d’inclinaison (a) de la buse (8) par rapport à la surface de la ou les tôles {1 )et (la)est compris entre 5V et 40°, de préférence 15" à 25

La hauteur de la partie inférieure de la buse par rapport à la surface de la ou des tôles est comprise entre environ î et 30 mm. de préférence d’au moins 5 mm et/ou d’au plus 10 mm, préférentiellement d’au plus 8 mm.

La pression du gaz en sortie de buse doit être comprise entre environ 1 bar et 15 bar de préférence entre 2 bar et 5 bar, préférentiellement d'au plus 4 bar environ, ^ La vitesse du gaz en sortie de buse doit être comprise entre 50 et 3000 nvsee. de préférence d’au moins 150 m sec environ et/ou d’au plus 500 m/sec, préférentiellement d’au plus 250 nvsee.

La nature du gaz utilisé dans la buse (8) peut être de l'hélium, de l’argon de l’azote, de l’oxygène, du dioxyde de carbone ou tout autre mélange constitué par un ou plusieurs de ces gaz. . i

Grâce au procédé de l'invention, il est désormais possible de changer Γorientation de la plume résultant du procédé de soudage par faisceau laser de manière à Γincliner à la surface de la tôle ou des tôles métalliques à souder, et 1 permettre la redistribution d’une partie de l’énergie de la plume à la surface du métal, avant le passage du faisceau laser. Les échanges thermiques résultant conduisent à une élévation de la température du métal à souder et donc à une amélioration du couplage laser/métai. Il en découle une augmentation des performances de soudage.

La nature du rayonnement focalisé importe peu. Les gains sont néanmoins plus visibles avec des faisceaux laser de type COj, dont la longueur est voisine de 10,6 pm, car les plumes de plasma métallique sont plus chaudes (> 10000 K), ce qui favorise les transferts thermiques avec la tôle métallique à souder.

De même, la nature du gaz utilisé avec la buse a peu d’importance, seules compte la vitesse du gaz et la pression du gaz en sortie de buse.

Il est à noter que les gaz comburants de type Ha, CH4 etc., ne peuvent pas être utilisés en mélange avec les gaz précédent au-delà de leurs seuils de détonation et d’inflammabilité pour des raisons évidentes de sécurité.

Exempta

Afin de vérifier Γefficacité du procédé de soudage laser de l’invention, des tests de validité ont été réalisés. L’expérimentation est conduite comme illustré dans les Figure 1 et Figure 2, avec une buse cylindrique de diamètre interne 2 mm, inclinée d’un angle a=20° par rapport à la surface de la tôle métallique avec une hauteur entre le bas de la buse et la surface de tôle à souder de 10 mm, une distance entre le faisceau et la partie supérieure de la buse de 6 mm. La distance entre l’axe du faisceau laser focalisé et le point d’impact de l’axe de la buse avec la surface de la tôle est de 20 mm environ, soit quelques millimètres derrière le bain de métal en fusion, sur le cordon de soudure.

Des tests on été fait avec une source laser de type CO;, dont la longueur d’onde est voisine de 10,6 pm, délivrant une puissance maximale de 6 kW en continu, avec un faisceau laser focalise par un miroir en cuivre parabolique de distance focale de 200 mm. D'autres tests on été réalisé avec une source laser de type fibre, dont la longueur d'onde est voisine de 1,07 μιο, délivrant une puissance maximale de 5 kW avec une fibre de 400 pm de diamètre, et avec un faisceau laser focalisé par des lentilles en silice revêtues, pour une distance focale de 200 mm.

Des pièces d'acier et d'acier re\ôtu de zinc ont été soudées dans des configurations bord à bord sans jeu (tôles prédécoupées au laser).

Dans tous les cas, le jet de gaz de protection est délivré par la buse suivant l’invention et la plume de plasma a été observée comme s’inclinant vers Γavant du faisceau laser, au dessus du plan de joint entre les pièces à souder ensemble. Les tôles ont été soudées en utilisant chacun des gaz suivants :

Ar délivré à 30 1 min et 50 1 min N2 délivré à 30 1/min et 50 1 min CO2 délivré à 30 1. min et 50 1 min

Chaque cordon a clé comparé à son référentiel réalisé dans les conditions usuelles d'utilisation, classique de l’art .antérieurà savoir en utilisant une buse cylindrique de diamètre U) mm avec 30 l/min» orientée à 45”' par rapport à la surface de la tôle et dont l’axe coïncide avec le point d’impact du faisceau laser focalisé. De l’hélium a été utilisé avec le faisceau laser C02 et de l’argon a\ ce le faisceau laser fibre.

Exemple 1 : Tôles en acier revêtu de zinc de même épaisseur avec un faisceau laser CO2

Des pièces en acier revêtu d’épaisseurs 1.2 ram, présentant un revêtement de zinc de 10 pm d'épaisseur, ont été soudées dans une configuration de soudage bord à bord, avec un jeu négligeable ente te pièces. Cette configuration de soudage s’apparente à celle utilisée dans Γindustrie automobile pour le soudage laser de fans raboutés (ou « tailored blanks » en anglais.)

Les paramètres opératoires sont : I aisceau laser CO2 d’une puissance de 6 kW incidente et une focalisation de 200mm - La vitesse de soudage de 6.5 m min.

Exemple 2 : Tôles en acier revêtu de zinc de "même épaisseur avec un faisceau laser fibre

Les conditions opératoires de l'Exemple 2 sont analogues à celles de l'Exemple L mis à part que le faisceau laser utilisé est un faisceau laser fibre de longueur d’onde 1.07 pm. d’une puissance de 4 kW incidente et une focalisation de 200 mm.

La vitesse de soudage optimale est de 5 m/min,

Exemple 3 : Tôles en acier revêtu de zinc d’épaisseurs différentes avec un faisceau laser CO2

Les conditions opératoires de réalisation de l’Exemple 3 sont identiques à celles décrites dans l'Exemple î, mis à part que t les 2 tôles d’acier revêtu zinc ont des épaisseurs de 0,7 mm et 1,2mm

Le faisceau laser est focalisé dans le plan de joint, mais très légèrement décalé sur la marche supérieure, à savoir sur la tôle la plus épaisse. - la vitesse de soudage est de 7 m/mïn.

Exemple 4 : Tôles en acier revêtu de zinc d’épaisseurs différentes avec un faisceau laser fibre

Les conditions opératoires de ΓExemple 4 sont analogues à celles de l’Exemple 3, mis à part que :

Le faisceau laser utilisé est un faisceau laser fibre de longueur d’onde 1,07 μ«η, d’une puissance de 4 kW incidente et une focalisation de 200 mm.

Le faisceau laser est focalisé dans le plan de joint, mais très légèrement décalé sur la marche supérieure, à savoir sur la tôle; la plus épaisse.

La vitesse de soudage optimale est de 6 tn/min.

Lxemplc 5 ; Tôles en acier doux de 5 mm recouvertes de peinture avec un

faisceau laser CXL

Les pièces à souder sont en acier doux, de même épsjsseur 5 mm, recouvertes de peinture du type de celle qui est typiquement utilisée dans la fabrication de navires sur les chantiers navals.

Les conditions de ces essais sont : - Une puissance laser de 6 kW,

Une vitesse de soudage de 2 m min,

Exemple 6 ; Tôles en acier doux de 5 mm. recouvertes de peinture avec un faisceau laser fibre ' Les conditions opératoires de l’Exemple 6 sont analogues à celles de l’Exemple 5, mis à part que ; - "Le faisceau laser utilisé est un faisceau laser fibre de longueur d’onde 1,07 pm, d’une puissance de 4 kW incidente et une focalisation de 200 mm.

La vitesse de soudage est de 1,8 m/min

Les Tableau 1, Tableau 2 et Tableau 3 résument les résultats obtenus lors de des essais par comparaison avec un soudage par faisceau laser opéré avec un procédé standard servant de référence, sous hélium pour le faisceau laser de type CO2 et sous argon pour le faisceau laser de type Fibre. Légende 1 0 = résultat équivalent ; (++)= meilleur résultat ; (—) ~ moins ton résultat

Tableau 1

Tableau 2

Tableau 3

Les cordons de soudure obtenus, lors des essais réalisés dans le cadre des exemples ci-dessus avec différents gaz (Ai, N2, CCT) à 30 1/min et 50 l/inin, ont été examinés visuellement. Il a été constaté que :

Dans un très grand nombre de configurations traitées, les profondeurs de pénétration des cordons de soudure sont supérieures ou plus franches (++) que celles obtenues avec les protocoles de référence réalisés dans les conditions usuelles classique de l’art antérieur. Au pire, elles sont équivalentes (0). Ce résultat confirme que l’inclinaison de la plume sur la surface de la tôle à souder par le procédé de l’invention, contribue au préchauffage des pièces à souder et à la distribution d’une partie de l’énergie de la plume, ce qui améliore globalement les performances du procédé de soudage. la qualité des cordons obtenus avec le procédé de l’invention, c'est-à-dire l’aspect des cordons du côte endroit et du côté envers, est équivalent (0) à celle obtenue avec le protocole de référence.

Les cordons de soudure obtenus avec le procédé de l'invention, avec des faisceaux lasers libre, présentent moins de dépôts de fumées (++) de part et d’autre du cordon de soudure. Pour les cordons réalisés avec le faisceau laser CO:, les dépôts de fumées, déjà relativement faibles dans les cas de la référence, sont équivalents (0).

Comme annoncé, le type gaz utilisé n’influe pas vraiment sur la qualité des cordons. Nous recommandons néanmoins Γutilisation de gaz neutre pour limiter les risque d’interaction chimique du gaz avec le métal en fusion. Λ un débit de 50 1/min, le procédé de soudage est plus stable et les résultats globaux plus probants. Pour le procédé selon l’invention, nous recommanderons un débit de 40 1. min.

Par ailleurs, des macrographies montrent que les sections des cordons réalisées en utilisant le procédé de l’invention sont légèrement plus larges sur la partie supérieure du cordon de soudure et la nature du débouchant plus franche.

Claims

REVENDICATIONS ;

1. Procédé de soudage laser d’une ou plusieurs pièces métalliques positionnées l’une contre l’autre selon un plan de joint, dans lequel : a) on génère un faisceau laser au moyen d’un générateur laser de soudage, de type COj, YAG, fibre, diode, etc., suffisamment puissant, que l’on focalise à la surface de la tôle avec un système de miroirs, un système de lentilles ou un système de fibres, b) on distribue un gaz ou un mélange gazeux au voisinage de la zone d’interaction entre le faisceau laser focalisé et le plan de joint des tôles à souder, au moyen d’une buse, pour former un jet de gaz de protection efficace afin d’éviter tout phénomène parasite, c) on réalise, au moyen du faisceau laser focalisé, un cordon de soudure dans le plan de joint entre les tôles métallique, à savoir la fusion et la vaporisation d’une partie du métal constitutif desdites pièces métalliques afin de former dans l'épaisseur de la ou des pièces un capillaire étroit et profond rempli de vapeur métallique et entouré d’un bain de métal en fusion, avec ou sans formation concomitante d’un plasma qui, en se propageant hors du capillaire, forme un panache de vapeur métallique ou une plume de plasma métallique, au dessus du plan de joint, caractérisé en ce qu’on oriente le jet de gaz de protection délivré par la buse en direction de la plume de plasma métallique ou du panache de vapeur métallique, dans l’axe de déplacement du faisceau laser.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’on positionne la buse dans l’axe de déplacement du faisceau laser de manière à ce qu’elle précède le faisceau laser et que le jet de gaz de protection impacte précisément le cordon de soudure solidifié, au-delà du bain de métal en fusion formé, sans interagir avec le dit bain de métal en fusion.
3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le jet de gaz de protection incline la plume visible à l’embouchure du capillaire à la surface des tôles soudées, le panache de vapeur métallique ou la plume de plasma métallique, de manière à ce qu’elle se couche sur la surface de métal solide à l’avant du faisceau laser.
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on oriente le jet de gaz. de protection de manière à ce que la distance (d) entre le point d'impact de l’axe·: du jet de gaz à la surface du cordon de soudure et l'axe du faisceau laser focalisé, soit supérieure ou égale à 8 fois le diamètre· (d*) interne de la buse délivrant le jet de gaz.
5. Procédé selon Tune des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on positionne l’extrémité· du diamètre intérieur de la buse fd\) par rapport à la surface supérieure des ..pièces à souder, à une hauteur qui est comprise entre 1. mm et 30 mm. ·
6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on·positionne la buse par rapport â la surface supérieure des pièces de telle sorte que l’angle (a) de l’axe du jet de gaz ou· de la buse est compris entre 5° et 40°, par rapport à"la surface supérieure des pièces, de préférence entre 15° et 25°,
7. Procédé selon Tune des revendications précédentes, caractérisé en ce que le type de gaz utilisé dans la buse est de l'hélium, de l’argon de l’azote, de l'oxygène, du dioxyde de carbone ou tout autres mélanges constitués par un ou plusieurs de ces gaz.
8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vitesse du gaz en sortie de buse est comprise entre 50 et 3000 m/sec, de préférence d’au moins 150 m/sec environ et/ou d’au plus 500 m/sec, préférentiellement d’au plus 250 m/sec.
9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pièces soudées sont en aluminium ou alliage d’aluminium, en titane ou alliage de titane, en magnésium ou alliage de magnésium, en Inconel, en acier ou en acier inoxydable, en particulier de l’acier revêtu de zinc, de polymère, d’alliage d’aluminium, ou plusieurs éléments organiques, notamment de peinture.