WO1989005209A1 - Procede de soudage au moyen d'un faisceau laser, notamment applicable au soudage de pieces en verre - Google Patents

Procede de soudage au moyen d'un faisceau laser, notamment applicable au soudage de pieces en verre Download PDF

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WO1989005209A1
WO1989005209A1 PCT/FR1988/000589 FR8800589W WO8905209A1 WO 1989005209 A1 WO1989005209 A1 WO 1989005209A1 FR 8800589 W FR8800589 W FR 8800589W WO 8905209 A1 WO8905209 A1 WO 8905209A1
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welding
zone
glass
transparent
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Pierre Maitre
Jean-Pascal Valentin
Masahinro Kazahaya
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Otic Fischer & Porter S.A.
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    • B29K2995/0037—Other properties
    • B29K2995/0072—Roughness, e.g. anti-slip

Definitions

  • the present invention is in the field of welding techniques and more particularly of welding by means of laser beams and it relates to a method of this welding, these particular applications of this method and the products resulting from the method and its applications.
  • the technique of welding by means of laser beams is known, according to which a laser beam is focused in a docking zone of two materials weldable to one another; to obtain welding in a reasonable time, it is necessary to use high power beam generators.
  • a carbon dioxide laser which generates light with a wavelength of 10.6 ⁇ m for which transparent materials such as glass are opaque. It is therefore possible to weld using such a beam parts made of transparent materials.
  • the fusion zone can be quite deep, and it will start, always on the surface of the material.
  • the purpose of the present invention is to provide a method of welding an assembly of parts having a surface contact area remote from the external parts of the assembly, which normally is not possible with the techniques known from the application. se, such as CO 2 Laser welding techniques, since the fusion would start at the point of impact of the beam, on the external part of the assembly.
  • a method of welding an assembly of at least two parts having a surface contact area, by means of a coherent light beam is generally characterized in that, the at least one of said parts being transparent to the light of the beam, the beam is focused in an opacity zone close to the contact zone. More particularly at least one of said parts being made of glass, said coherent light has a wavelength in the range 0.1 to 1.5 ⁇ m; the generators producing a light can be solid state laser such as ruby laser.
  • the opacity zone can result from a surface addition of opaque material such as metal, black smoke, etching of one of the surfaces in contact, etc. .: being a metal, it can advantageously have been deposited by the vacuum metallization process.
  • the opacity zone may result from the fact that, one of the parts being transparent, the other part will be opaque to the beam: this will for example be Ie case of a "clear glass” (meaning by clear the complete transparency to the light perceived by the eye on a colored glass, of a "clear glass” on a metal. etc.
  • a first application of the method relates to the manufacture of pressure measuring cells, cells comprising a hollow body provided with a peripheral rim in glass or ceramic crown and a glass or sapphire membrane (A1 2 0 3 ) applied against said ledge; in this case of application, the welding area. itself in a ring, is close to the periphery of the recess of said hollow body.
  • a variant of this first applicator relates to the manufacture of said cells, cells comprising a body transparent to the laser beam, hollowed out and provided with a peripheral rim in a crown, and a membrane being transparent to said beam provided with a zone of opacity at 'place of welding, is opaque to said beam for example a ceramic membrane.
  • a second application relates to the watertight fixing of a watch glass on a watch case; in this case the watch glass will be welded to the case according to a ring welding zone.
  • - Fig.1 illustrates a process of the prior art for welding an assembly of two parts
  • FIG. 2 illustrates the method of the invention applied to the welding of an assembly of parts similar to those of FIG. 1,
  • FIG. 3 illustrates a particular form of implementation of the method of FIG. 2,
  • FIG. 4 illustrates the application of the method of the invention to the manufacture of a differential pressure measuring cell
  • - Fig.5 illustrates the application of the process of the invention to the welding of a glass of watch on a watch case.
  • two pieces 1 and 2 for example cylindrical, must be welded to each other.
  • a known way of welding them is to split the peripheral part of their faces in contact by means of a Laser beam 3.
  • the Laser 3 beam is produced by a carbon dioxide (CO 2 ) generator when it is transparent parts.
  • CO 2 carbon dioxide
  • the parts 1 and 2 have been grooved at their periphery to leave two protruding ribs on the contact line of which the beam focusing point is applied; thanks to this latter arrangement, the irregularities resulting from welding will not disturb the cylindrical size of the assembly, which will be advantageous if the assembly must be housed in a precise bore.
  • analogous parts 1 ′, 2 ′ must also be assembled by welding, but preferably in an internal zone such as for example a crown zone to which a point 5 belongs.
  • a Laser beam 4 of the type of laser beams produced by solid-state lasers rubber, Yag, neodymium glass, semiconductor
  • another condition will however be necessary for the fusion of the materials at the focusing point, this condition being that at this point the beam meets one or more zones of opacity according to its degree of convergence: each zone of opacity can result or a deposit of this opaque material, scit of the fact that the part 2 ′ is itself opaque to the bundle 4.
  • FIG. 3 a stack of parts has been placed in a sealed chamber 9 provided with a window 10 transparent to a beam 4 of coherent light coming from a laser generator of the solid type having a wavelength, including between 0.1 and 1.5 ⁇ m, and provided with an evacuation conduit 11. Via the conduit 11, the pressure in the chamber 9 is brought to a value less than 1 hPa. Through the window 10, the laser beam 4 is made to penetrate it to focus it in an area 11,12; zone 12 is an opaque zone, or an opaque link, in bundle 4: the scubus is operated by the fusian which takes place in zone 12 and, thanks.
  • the opacity of zone 12 can result either from an opaque material decode on one or more of the surfaces in contact, or from the relative opacity of zone 7. or the absolute relative opacity cu of the zone 8 furthest from the point of impact of the beam on the assembly.
  • the zone between parts 6 and 12 is made transparent by the effect of the first welding, this gives the possibility of welding one or more other opaque zones which are located between parts 7 and 8 at provided that the part 7 is transparent to the beam.
  • a differential pressure measurement cell formanapplication of a process described above; such a cell is essentially consists of two hollow bodies 13, two membranes 13 and an intermediate body 14: a peripheral rim 15 surrounds the recess 16 with each hollow body; the hollowed-out bodies and the intermediate body are provided with a channel 19 opening into the recesses on the one hand and at the periphery of the assembly on the other hand.
  • the membranes 13 and the hollow body are made of glass (the choice of such a material for at least the membrane or the hollow body was the subject of a patent application by the present Applicant) and it is therefore acts to fix the membranes on the hollowed-out bodies; cn could either proceed with this fixing according to the welding technique of fig.1 or paste the membranes on the edges; both of these techniques are suitable but have drawbacks.
  • a sealed fixing of a watch glass 20 is shown on a watch case 21, a peripheral rim 22 of which has a rebate suitable for receiving the edge of the watch glass; prior to the scudage, a metallic deposit was made on the periphery of the internal face of the watch glass, for example by vacuum metallization; in accordance with the invention, and after having placed the glass this watch in the rebate of the case and thus creating a contact surface in a crown 23, a beam 4 of laser of the sclid type is focused through the periphery of the watch glass and the beam is made to traverse the periphery of the glass for this watch: it will result from this that the glass for this watch will be welded to the case according to a zone of welding in the internal crown of the assembly.

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Abstract

L'invention est du domaine du soudage au moyen de faisceaux laser. Un procédé de soudage conforme à l'invention est caractérisé en ce que, l'une (13) au moins desdites pièces étant transparente à la lumière du faisceau (4), on focalise le faisceau dans une zone d'opacité (17) voisine de la zone de contact; la zone d'opacité peut résulter d'un apport superficiel de matière opaque, ou encore de ce que l'une des pièces étant transparente, l'autre pièce est opaque aux faisceaux laser; la matière d'opacification peut être un métal déposé en couche mince par métallisation sous vide. Le procédé de l'invention trouve son application par exemple dans la fabrication de cellules de mesure de pression constituées d'un corps évidé et d'une membrane appliquée contre un rebord périphérique du corps, la membrane ou le corps étant d'un matériau transparent; suivant l'invention la zone de soudage est voisine de la périphérie de l'évidement du corps évidé; suivant une autre application, un verre de montre est soudé à son boîtier suivant une zone de soudage en couronne interne.

Description

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"PROCEDE DE SOUDAGE AU MOYEN D'UN FAISCEAU LASER, NOTAMMENT
APPLICABLE AU SOUDAGE DE PIECES EN VERRE"
La présente invention est du domaine des techniques de soudage et plus particuliérement du soudage au moyen de faisceaux Laser et elle a pour objet un procédé ce soudage, ces applications particulières de ce procédé et les produits résultant du procédé et de ses applications.
On connaît la technique de sou- dage au moyen de faisceaux Laser suivant laquelle un faisceau Laser est focalisé dans une zone d'accostage de deux matériaux soudables l'un à l'autre ; pour obtenir un soudage dans un temps raisonnable, il est nécessaire d'uti- liser des générateurs de faisceaux de forte puissance. Dans le cas des matériaux transparents à la lumière visible, on peut mettre en oeuvre un laser à gaz carbonique qui génère une lumière d'une longueur d'onde de 10,6 μm pour laquelle les matériaux transparents tels que le verre sont opaques. On peut donc souder à l'aide d'un tel faisceau des pièces constituées de matériaux transparents. La zone de fusion peut être assez profonde, et elle débutera, toujours à la surface du matériau. Le but de laprésente invention est de proposer un procédé de soudage d'un assemblage de pièces ayant une zone superficielle de contact éloignée des parties externes de l'assentlage, ce qui normalement n'est pas possible avec les techniques, connues de la Demanderes- se, telles que les techniques de soudage au Laser à CO2, puisque la fusion commencerait au point d'impact du faisceau, sur la partie externe de l'assemblage.
Selon la présente invention un procédé de soudage d'un assemblage d'au moins deux pièces ayant une zone superficielle de contact, au moyen d 'un faisceau de lumière cohérente (Laser) est caractérisé d'une manière générale en ce que, l'une au moins desdites pièces étant transparente à Ia lumière du faisceau, on focalise le faisceau dans une zone d'opacité voisine de la zone de contact. Plus particulièrement l'une au moins desdites pièces étant en verre, ladite lumière cohérente a une longueur d'onde comprise dans Ia fourchette 0.1 à 1.5 μm ; les générateurs produisant une teIle Iumière peuvent être des Laser à solides tel que Laser à rubis. Laser Yag. Laser verre-néodyme ou encore Laser à solides semi-conducteurs : de tels générateurs pourraient être utilisés soit en puissance continue, soit de préférence en puissance impulsion- nelle.
Suivant un premier mode de mise en oeuvre du procédé de I ' invention, la zone d'opacité peut résulter d'un apport superficiel de matière opaque telle que métal, noir de fumée, dépolissage de l'une dessurfaces en contact, etc... : s'agissant d'un métal,celui-cipourra de manière avantageuse avoir été déposé par Ie procédé de métallisation sous vide. Suivant un second mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention, la zone d'opacité pourra résulter de ce que, I ' une des pièces étant transpa- rente, l'autre pièce sera opaque au faisceau : ce sera par exemple Ie cas d'un ''verre clair" (entendant par clair la transparence complète à la lumière perçue par l'oeil sur un verre coloré, d'un "verre clair" sur un métal. etc..
Avantageusement. on pourra Iors du soudage, placer les pièces soudées dans une chanbre vidée de son atmosphère, à une pression inférieure à 1 hPa. Avantageusement encore, et de préférence cumulativement avec Ia disposition précécente, les pièces seront appliquées l'une contre l'autre avec une force supérieure à 1 kgp (soit encore 9,81 N) par cm2 de zone superficielle de contact. On pourra reconnaître un assem- blage de pièces, l'une des pièces étant en verre, soudées selon le procécé de I ' invention par Ie fait que Ia composi- tion d'au moins ladite pièce de verre au voisinage de la zone de soudage, celle-ci étant une zone interne de l 'assem- blage, diffère de la composition d'une zone plus éloignée. A titre indicatif et non res- trictif, il est indiqué deux applications intéressantes, du procédé de l'invention.
Une première application du pro- cédé concerne la fabrication de cellules de mesure de pressions, cellules comprenant un corps évidé pourvu d ' un rebord périphérique en couronne en verre ou céramique et une membrane en verre ou saphir (A1203) appliquée contre ledit rebord ; dans ce cas d ' application, la zone de soudage. elle-même en couronne, est voisine ce la périphérie de l' évidement dudit corps évidé. Une variante de cette première applicatien concerne la fabrication desdites cellules, cellules comprenant un corps transparent au faisceau laser, évidé et pourvu d'un rebord périphéricue en couronne, et une membrane soit transparente au dit faisceau munie d'une zone d'opacité à l 'endroit de la soudure, soit opaque au dit faisceau par exemple une membrane en céramique.
Une seconde application concerne la fixation étanche d'un verre de montre sur un boitier de montre ; dans ce cas le verre de montre sera soudé au boitier suivant une zone de soudage en couronne.
La présente invention sera mieux comprise et des détails en relevant apparaîtront à la description qui va être faite tant du procédé en général, que de ses applications, en relation avec les figures de la planche unique annexée dans laquelle :
- la fig.1 illustre un procédé de l'art antérieur pour souder un assemblage de deux pièces,
- la fïg.2 illustre le procédé de l'invention appliqué au soudage d'un assemblage de pièces semblables à celles de la fig.1,
- la fig.3 illustre une forme particulière de mise en oeuvre du procédé de la fig.2,
- la fig.4 illustre l 'applica- tion du procédé de l'invention à la fabrication d'une cellule de mesure de pression différentielle, et
- la fig.5 illustre l 'applica- tion du procédé de l ' invention au soudage d 'un verre de montre sur un boitier de montre.
Sur la fig.1, deux pièces 1 et 2 par exemple cylindriques, doivent être soudées l'une à l ' au- tre. Une façcn connue de les souder consiste à fendre la partie périphérique de leurs faces en contact au moyen d'un faisceau Laser 3. Tel que cela est connu de l'art antérieur. le faisceau Laser 3 est produit par un générateur au gaz carbonique (CO2) lorsqu'il s'agit de pièces transparentes. Pour mener à bien cette opération de soudage, les pièces 1 et 2 ont été rainurées à leur périphérie pour laisser subsister deux nervures en saillie sur la ligne de contact desquelles est appliqué le point de focalisation du faisceau ; grâce à cette dernière disposition, les irréguIarités, résultant du soudage ne perturberons pas l 'encombrement cylindrique de l'assemblage, ce qui sera avantaeeux si l'assemblage doit être logé dans un alésage précis. On notera cependanτ que, suivant cette façon connue, il n'est pas possible de les souder dans une zone interne, par exemple centrale, puisque même si ces pièces sont en verre, elles ne sont pas transparentes au faisceau du Laser CO2 dont la longueur d'onde est de l'ordre de 10,6 μm.
Sur Ia fîg.2 des pièces analo- gues 1',2' doivent elles aussi être assemblées par soudage, mais de préférence dans une zone interne telle par exemple qu'une zone en couronne à laquelle appartient un point 5.
Conformément à I ' invention, et bien entendu à la condition qu'au moins la pièce 1' soit en un matériau, verre par exemple, transparent à une lumière d'une longueur d'onde comprise entre 0,1 et 1,5 μm, on focalisera au point 5 un faisceau Laser 4 du type des faisceaux Laser produits par des Lasers à solides (rubis, Yag, verre-néodyme, semi-conducteur) ayant une longueur d'onde comprise en 0,1 et 1.5 μm.Une autre condition sera cependant nécessaire à la fusion des matériaux au point de focalisation, cette condition étant qu'en ce point le faisceau rencontre une ou des zones d'opacité selon son degré de convergence: chaque zone d'opacité pourra résulter soit d'un dépôt ce matière opaque, scit du fait que la pièce 2' est elle-même opacue au faisceau 4.
Sur la fig.3, un empilage de pièces a été disposé dans une chambre étanche 9 pourvue c'un hublot 10 transparent à un faisceau 4 de lumière cohérente issue d'un générateur Laser du type à solides ayant une longueur, d'onde comprise entre 0,1 et 1,5 μm, et pourvue d'un conduit d'évacuation 11. Par le conduit 11, on amène la pression dans la chambre 9 à une valeur inférieure à 1 hPa. A travers le hublot 10, on fait pénétrer le faisceau Laser 4 pour lel focaliser dans une zone 11,12 ; la zone 12 est une zone opaque, ou renoue opacue, au faisceau 4 : le scubsre s'opère par la fusien qui a lieu dans la zone 12 et, grâce. au fait que très peu de gaz se trouve présent entre les parties en contact ces pièces 5,7,3, il n'y a pas lieu de craindre une dilatation néfaste du gaz, ce oui permet d'éviter que la d il atation dudit gaz n'éloigne les deux surfaces à souder l'une de l'autre. La même règle de vide serait aussi bien applicable pour le soudage de ceux pièces au lieu de trois, de même on pourrait souder trois pièces empilées sous pression atmosphérique à condition d'accepter une puissance plus faible, donc un temps de soudage plus long. L'opacité de la zone 12 peut résulter soit d'un décode matière opaque sur une ou plusieurs des surfaces en contact, soit de l'opacité relative ce la zone 7 . soit de l'opacité relative cu absolue de la zone 8 la plus éloignée du point d'impact du faisceau sur l'assemblage.
Dans le cas de zones opacifiées par metallisation, la zone entre les pièces 6 et 12 est rendue transparente par l'effet du premier soudage, ceci donne la possibilité de souder une ou plusieurs autres zones opaques qui se situent entre les pièces 7 et 8 à condition que la pièce 7 soit transparente au faisceau. facon très schematique l'opération de sougage des membranes d'une cellule de mesures de pression differentielle, formanapplication d'un procèdè sus-dècrit ; une telle cellule se compose essentiellement de deux corps évidés 13, de deux membranes 13 et d'un corps intermédiaire 14 : un rebord périphérique 15 entoure l'évidement 16 de chacundes corps évidés ; les corps évidés et le corps intermédiaire sont pourvus d'un canal 19 débouchant dans les évidements d'une part et à la périphérie de l'assemblage d'autre part. On suppose que les membranes 13 et les corps évidéε sont en verre (le choix d'un tel matériau pour au moins la membrane ou le corps évidé a fait l'objet d'une demande de brevet de la présente Demanderesse) et il s'agit dès lors de fixer les membranes sur les corps évidés ; cn pourrait soit procéder à cette fixation suivant la technique de soυdage de la fig.1 soit coller les membranes sur les rebords ; l'une et I 'autre de ces techniques conviennent mais comportent des inconvé- nients. On préférera, conformément à l ' invention, procéder au soudage suivant une zone en couronne voisine de la périphérie de l 'évidement sur chaque point, tel que 17, de laquelle on focalisera successivement, à travers la membrane 13 un faisceau 4 de Laser du type à solides, l'opération peut être répétée pour chacune des membranes ; elle pourrait aussi être appliquée au soudage des corps évidés sur le corps intermédiaire, à Ia manière dont ont été soudées les trois pièces 6,7,8 de la figure précédente : elle pourrait être aussi bien appliquée à une cellule de mesure de pression ne comportant qu'un seul corps évidé. qu'une seule membrane.
Toujours sur la fig.4, il sera avantageux, lors du soudage de comprimer l'assemblage entre des mâchoires 18 et en même temps de faire le vide à l'intérieur des corps en profitant pour cela du canal 19. Avantageusement aussi, l'assemblage et ses mâchoires pourraient être placés dans une chambre à vide et le soudage effectué à travers un hublot.
Sur la fig.5, et à titre d'il- lustration d'une autre application, on a représenté la fixation étanche d'un verre de montre20 sur un boitier de montre 21 dont un rebord périphérique 22 comportee une feuillure propre à recevoir le bord du verre de montre ; on a procédé, préalablement au scudage, à la périphérie de la face interne du verre ce montre, à un dépot métallique, par exemple par metallisation sous vide ; conformément à l'invention, et après avoir disposé le verre ce montre dans la feuillure du boitier et créé ainsi une surface de contact en couronne 23, on focalise à travers la périphérie eu verre de montre, un faisceau 4 de Laser du type à sclides et on fait parcourir au faisceau la périphérie du verre ce montre : il en résultera que le verre ce montre sera soudé au boitier suivant une zone de soudage en couronne interne de l'assemblage.
Bien que l'on ait décrit et représenté des formes particulières d'application eu procédé de l'invention, il doit être compris que la portée ce cette dernière n'est pas limitée à ces formes mais qu'elle s'étend à toute application du procédé tel que celui-ci est défini plus haut de la manière la plus générale.

Claims

R E V E N D I C A T I O N
1.- Procède ce soudage d'un asserblare c'au moins deux pièces ayant une zone superficielle ce contact, au moyen d'un faisceau de lumière cohérente (Laser), caractérisé : en ce que, l'une (13) au moins desdites pièces étant transparente à la lumière du faisceau (4), en focalise le faisceau dans une zone d'opacité (17) voisine de la zone de contact ; 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé :
résulte d'un apport superficiel de matière opaque :
3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé : en ce que la zone d'opacité résulte de ce que, l'une des pièces étant transparente, l'autre pièce est opaque au faisceau : 4.- Procède selon la revendication 2, caracterisè :
superficiellemen t est un métal :
5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé : en ce que ledit métal est cépcs. en couche mince par metallisation sous vide ;
6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé : en ce eue l' une au moins desdites pièces est un verre, et en ce que ladite lumière conèrente a une longueur d'onde comprise entre 0.1 et 1,5 μm (laser à solides) ;
7.- Procédé selon la reveneication 1. caractérise : en ce que, lors du soudaga. lesdites pièces sont placèes dans une chambre vidèe de son atmosphère à une pression inférieure à 1 hPa ;
8.- Procédé selon la revendication. 1, caractérisé : en ce que les pièces sont appliquées l'une contre l'autre avec une force supérieure 1 kgp (soit encore 9,81 N) par cm2 de zone superficielle de contact ;
9.- Pièces soudèes selon la revendication 6, caractérisées : en ce que, au moins ladite piece de verre au voisinage de la zone de soudage, celle-ci
composition d'une zone plus elcignèe :
10.- Application d'un procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 è 9, à la fabrication ce cellules ce mesure des pressions, lesdites cellules comprenant un corps évidé pourvu d'un rebord périphérique er couronne, et une membrane appliquée centre ledit re- bord, ladite membrane au moins étant en un matériau transparent au dit faisceau eu à l'inverse ledit ecrps évidé lui étant transparent et la mêmerane opaque, caractérisée : en ce que la zone de soudage, elle-même en couronne, est voisine de la périphérie ce l'évidement dudi- corps évidé ;
11. -Application d'un procédé conforme à l'une quelconque ces revendications 1 à 9, à la fixation étanche d'un verre de montre sur un boitier ce montre, caractérisée : en ce que le verre de montre est soudée au boîtier suivant une zone de seudage couronne interne :
12.-Procédé selon la revendication 4 , caractérisé : en ce que ledit métal est prèsente sous la forme d'une feuille mince placèe entre les pièces a souder.
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