WO2016207030A1 - Procede de soudage laser avec generateur laser a solide et jet de gaz dynamique - Google Patents

Procede de soudage laser avec generateur laser a solide et jet de gaz dynamique Download PDF

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WO2016207030A1
WO2016207030A1 PCT/EP2016/063652 EP2016063652W WO2016207030A1 WO 2016207030 A1 WO2016207030 A1 WO 2016207030A1 EP 2016063652 W EP2016063652 W EP 2016063652W WO 2016207030 A1 WO2016207030 A1 WO 2016207030A1
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metal
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PCT/EP2016/063652
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Christophe Bertez
Philippe Lefebvre
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L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • a laser beam is generated by means of a laser generator
  • the method of the invention may include one or more of the following features:
  • this nozzle 4 a role of this nozzle 4 is to generate a fast flow or jet of gas, oriented so as not to have a direct influence on the welding process, such as the capillary 2, the molten metal bath 3 or the feather 1 of metal vapor.
  • This jet of gas is sent in the vicinity of the vapor 1 of metal plasma so as to touch the top of the pen 1 of metal vapor.
  • the jet of gas used according to the process of the invention is not intended to blow directly on the metal vapor, fumes and / or particles projected but serves to limit the expansion of the feather of metallic vapor above the capillary. It has thus been found during welding tests that the height of the metal vapor feather above the surface of the parts to be welded was reduced by approximately 75 to 99% with respect to the height of the feather without the need for welding. the jet of gas according to the invention, all conditions being equal.
  • the surface of the cords is smoother and there is a more regular penetration on the reverse side of the cords. Thanks to this regular penetration, the stops accidentals in the welding installation, which usually result from the detection of a lack of penetration, are avoided

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Abstract

L'invention concerne un procédé de soudage laser d'une ou plusieurs pièces métalliques (7) positionnées l'une contre l'autre selon un plan de joint, dans lequel on génère un faisceau laser (9) au moyen d'un générateur laser, on alimente une buse (4) avec un gaz ou un mélange gazeux et on distribue, au moyen de ladite buse (4), un jet de gaz de protection formé dudit gaz ou mélange gazeux en direction du plan de joint, on opère, au moyen du faisceau laser (9), une fusion et une vaporisation du métal constitutif des pièces métalliques (7) conduisant à la formation, dans l'épaisseur de la ou des pièces (7) et au niveau dudit plan de joint, d'un capillaire (2) de vapeur métallique, et où le générateur laser est du type laser à solide et en ce que la vapeur métallique, en se propageant hors du capillaire (2), forme une plume de vapeur métallique au dessus du plan de joint, le jet de gaz de protection étant orienté en direction de la plume de vapeur métallique de manière à ce qu'il vienne effleurer le sommet de ladite plume et impacter l'une ou les pièces (7) à un endroit où le métal constitutif des pièces n'a pas été fondu par le faisceau laser (9).

Description

PROCEDE DE SOUDAGE LASER AVEC GENERATEUR LASER A SOLIDE ET
JET DE GAZ DYNAMIQUE
La présente invention concerne un procédé de soudage laser mettant en œuvre un générateur laser du type laser à solide générant un faisceau laser ayant une longueur d'onde d'environ 1 μιη et un jet de gaz de protection.
Le soudage par faisceau laser est un procédé d'assemblage très performant car il permet d'obtenir, à des vitesses élevées, des profondeurs de pénétration très importantes si on les compare à d'autres procédés plus traditionnels, tel le soudage plasma, le soudage MIG (Métal Inert Gas) ou le soudage TIG (Tungsten Inert Gas).
Ceci s'explique par les fortes densités de puissances mises en jeu lors de la focalisation du faisceau laser au niveau du plan de jonction des pièces à souder, par exemple des densités de puissance pouvant dépasser 106 W/cm2.
Ces fortes densités de puissance provoquent une forte vaporisation de métal à la surface des pièces à souder qui, en se détendant vers l'extérieur, induit un creusement progressif du bain de soudage et conduit à la formation d'un capillaire de vapeur étroit et profond, appelé "keyhole" en anglais (= "trou de serrure") dans l'épaisseur des pièces, c'est-à- dire au niveau du plan de joint. Ce capillaire permet un dépôt direct de l'énergie du faisceau laser en profondeur dans l'épaisseur des pièces et ce, par opposition avec les procédés de soudage à l'arc conventionnels où le dépôt d'énergie est localisé à la surface.
On connaît des procédés de soudage laser mettant en œuvre des lasers de type C02 générant un faisceau laser de longueur d'onde égale à 10.6 μιη.
Lors du soudage de pièces métalliques par faisceau laser C02, le capillaire de vapeur est constitué d'un mélange de vapeur métallique et de plasma de vapeur métallique, c'est-à- dire de vapeur métallique ionisée, dont la particularité est d'absorber le faisceau laser et donc de piéger l'énergie au sein du capillaire même.
La propagation du plasma métallique hors du capillaire donne lieu à une plume de plasma métallique chaude et rayonnante. Afin de limiter ce phénomène, mais aussi d'éviter la contamination du cordon de soudage par des impuretés atmosphériques, il est usuel de distribuer un gaz de couverture, ou gaz de protection, au niveau de la zone de soudage.
Un problème connu en soudage laser C02 est la formation d'un plasma parasite dans le gaz de protection. En effet, le plasma de vapeur métallique, en ensemençant en électrons libres le gaz de couverture ou gaz de protection, peut déclencher une ionisation dans ce dernier. L'ionisation du gaz de protection peut être entretenue par le faisceau laser incident et conduire à la formation d'un plasma de grande dimension dans le gaz de couverture juste au-dessus de la plume de plasma métallique. Ce plasma parasite absorbe fortement le faisceau laser incident, ce qui est préjudiciable au couplage laser-matière et donc à l'opération de soudage.
Pour limiter l'effet parasite du plasma de gaz de couverture en soudage laser avec générateur laser de type C02, on utilise généralement comme gaz de couverture de l'hélium. Le haut potentiel d'ionisation de l'hélium permet de se prémunir de l'apparition du plasma parasite. L'hélium a cependant l'inconvénient d'être un gaz onéreux.
De manière alternative, il a été proposé dans le document WO2010-A-034916 d'envoyer un jet de gaz au voisinage de la plume de plasma métallique de manière à venir effleurer le sommet de ladite plume. On limite ainsi l'ensemencement en électrons libres du gaz de couverture, qui pourrait déclencher l'apparition d'un plasma parasite dans ce dernier. Il est alors possible d'effectuer un soudage laser C02, et ce quelque soit la puissance laser, avec un gaz de protection dépourvu d'hélium ou ne contenant qu'une faible proportion d'hélium.
Par ailleurs, il est connu d'opérer un procédé de soudage avec des lasers à solides tels que les lasers Nd : YAG, les lasers à fibres, les lasers à disques ou à diodes. Ces lasers émettent en général dans le proche infrarouge, à une longueur d'onde située autour de 1 μιη.
En particulier, les lasers à fibres, à disques ou à diodes représentent une alternative prometteuse aux lasers C02. Ils combinent des puissances allant jusqu'à 25 kW avec d'excellents facteurs de qualité de faisceau. Une concentration de puissance élevée peut être obtenue sur les pièces, conduisant à des vitesses de soudage élevées. Comparativement aux lasers C02, les lasers à solides offrent aussi un encombrement réduit, une plus grande fiabilité et la possibilité de convoyer le faisceau laser par fibre optique.
Un autre avantage avec les lasers à solide de longueur d'onde autour de 1 μιη est que le soudage peut être opéré sans gaz de protection. En effet, à cette longueur d'onde, la vapeur métallique présente dans le capillaire de soudage n'est pas ionisée, de sorte qu'il n'y a pas de plume de plasma métallique surmontant ledit capillaire.
Ceci résulte du fait que le seuil de densité de puissance à partir duquel un plasma apparaît dans le capillaire dépend du potentiel d'ionisation de la vapeur métallique et est inversement proportionnel au carré de la longueur d'onde du faisceau laser. Les lasers à solide ayant une longueur d'onde environ 10 fois plus courte que celle des lasers C02, il s'ensuit que le problème d'apparition d'un plasma parasite au-dessus du capillaire n'existe généralement pas en soudage par laser à solide, ou du moins se manifeste à des puissances laser plus élevées qu'en laser C02.
De plus, les lasers à solide ont une longueur d'onde mieux absorbée par les matériaux métalliques que celle des lasers C02, si bien que l'éventuelle apparition d'un plasma parasite ne perturbe le couplage laser-matière que dans une moindre mesure.
Toutefois, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence un problème spécifique au soudage laser mettant en œuvre un générateur de type laser à solide.
Lorsque le faisceau laser vient frapper les pièces à souder, une partie du métal constitutif des pièces métalliques est vaporisée, conduisant à la formation d'un capillaire surmonté d'une plume de vapeur métallique.
Cette plume de vapeur métallique peut s'étendre jusqu'à une hauteur de 20 à 30 cm, voire jusqu'à 50 cm, au-dessus des pièces à souder, en particulier lorsqu'aucun gaz de protection n'est distribué au niveau de la zone de soudage.
Bien que cela ne soit pas ou peu préjudiciable au couplage laser-matière, une quantité importante de fumées est générée du fait de la condensation des vapeurs métalliques sous forme de fines particules solides, composées essentiellement d'oxydes des métaux constitutifs des pièces assemblées. Ces fumées se déposent sur les optiques de protection et de focalisation du dispositif de soudage, ce qui impose de procéder à leur nettoyage régulier et donc d'arrêter la production.
La plume de vapeurs métallique est également très lumineuse et aveugle les systèmes optiques de suivi de joint ce qui conduit à l'apparition de défauts dans les cordons.
Enfin, la présence d'une plume de vapeur métallique surmontant le capillaire perturbe le bain de métal fusion, ce qui conduit à des cordons dont la surface est irrégulière (défaut de humping) et génère des projections de métal fondu. Ces projections forment des surépaisseurs de métal sur les éléments de bridage des pièces à souder, ce qui perturbe leur fonctionnement.
Ces phénomènes sont totalement différents de ceux rencontrés en laser C02 puisqu'en laser C02, la plume de plasma métallique surmontant le capillaire limite l'expansion de la vapeur métallique hors du capillaire. Ainsi, on constate qu'en laser C02, il y a très peu de fumées générées, et que celles-ci se déposent directement à la surface des pièces soudées, du fait de leur confinement par la plume de plasma.
Il s'ensuit qu'il est difficile d'utiliser des lasers à solide dans des lignes de fabrication industrielles où les interventions de maintenance doivent être les moins fréquentes possibles, puisqu'il n'est pas possible de souder plus de quelques centaines de mètres de joint sans générer de défaut au niveau du cordon de soudure. Ceci est particulièrement problématique lorsqu'il s'agit de souder des joints en continu sur de grandes distances, typiquement de plusieurs centaines de mètres à quelques kilomètres, comme c'est le cas avec des pièces issues de grandes bobines de feuillards, et qui ne sont découpées qu'après soudage dans un souci d'économie de matière.
La présente invention vise à pallier tout ou partie des inconvénients mentionnés ci- dessus, notamment à proposer un procédé de soudage par faisceau laser généré par un générateur laser à solide, qui permette de limiter la quantité de fumées et de projections générées lors de l'opération de soudage, et/ou qui ne conduise pas à une dégradation de la qualité de soudage, en termes d'aspect et de qualité métallurgique, dans le cordon de soudure et ce, préférentiellement lors du soudage en continu de grandes longueurs de joints, typiquement plusieurs centaines de mètres voire quelques kilomètres de joint.
Une solution selon l'invention est alors un 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
b) on alimente une buse avec un gaz ou un mélange gazeux et on distribue, au moyen de ladite buse, un jet de gaz de protection formé dudit gaz ou mélange gazeux en direction du plan de joint,
c) on opère, au moyen du faisceau laser, une fusion et une vaporisation du métal constitutif des pièces métalliques conduisant à la formation, dans l'épaisseur de la ou des pièces et au niveau dudit plan de joint, d'un capillaire de vapeur métallique,
caractérisé en ce que le générateur laser est du type laser à solide et en ce que la vapeur métallique, en se propageant hors du capillaire, forme une plume de vapeur métallique au dessus du plan de joint, le jet de gaz de protection étant orienté en direction de la plume de vapeur métallique de manière à ce qu'il vienne effleurer le sommet de ladite plume et impacter l'une ou les pièces à un endroit où le métal constitutif des pièces n'a pas été fondu par le faisceau laser.
Par générateur laser de type laser à solide, on entend un dispositif ou une source d'énergie mettant en œuvre un milieu amplificateur (ou milieu à gain) à l'état solide tel un cristal, un verre ou un semi-conducteur, permettant de générer un faisceau laser par pompage optique ou électrique dudit milieu.
Par « une ou des pièces métalliques », on entend deux pièces métalliques distinctes l'une de l'autre, ou une seule pièce avec elle-même, par exemple les deux bords longitudinaux d'une feuille métallique mise en forme de O, puis soudée de manière à obtenir un tube soudé, ou encore deux éléments d'une même pièce qui sont soudés entre eux.
Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le capillaire est constitué essentiellement de vapeur métallique non ionisée.
- la longueur d'onde du faisceau laser est comprise entre 0.9 μιη et 1.10 μιη.
- le générateur laser est du type laser à fibres, de préférence à fibres contenant de l'ytterbium (Yb).
- le générateur laser est du type laser à disques, de préférence à disque Yb : YAG ou Nd : YAG.
- le générateur laser est du type laser à diodes.
- le générateur laser est du type laser Nd : YAG.
- le facteur de qualité (BPP) du faisceau laser est compris entre 1 et 50 mm.mrad.
- le facteur de qualité (BPP) du faisceau laser est supérieur ou égal à 4 mm.mrad, de préférence supérieur ou égal à 8 mm.mrad.
- le facteur de qualité (BPP) du faisceau laser est inférieur ou égal à 25 mm.mrad, de préférence inférieur ou égal à 12 mm.mrad.
- le faisceau laser est focalisé sur la ou les pièces métalliques au moyen d'une tête de focalisation, ledit faisceau laser étant convoyé jusqu'à ladite tête de focalisation au moyen d'une fibre optique de convoyage.
- la fibre optique de convoyage a un diamètre compris entre 50 et 600 μιη.
- on oriente le jet de gaz de manière à ce que la distance (D) entre l'axe dudit jet de gaz et l'axe du faisceau laser, mesurée entre les points d'impact dudit jet de gaz et dudit faisceau laser sur la surface supérieure des pièces à souder, soit supérieure ou égale à 1.5 fois le diamètre (D') interne de la buse délivrant le jet de gaz.
- on positionne la buse par rapport à la surface supérieure des pièces de telle sorte que l'angle (Θ) de l'axe du jet de gaz ou de la buse soit compris entre 5° et 70° par rapport à la surface supérieure des pièces.
- on positionne l'extrémité du diamètre intérieur de la buse (D') par rapport à la surface supérieure des pièces à une hauteur qui soit comprise entre 1 mm et 50 mm.
- la ou les pièces sont en d'aluminium ou alliage d'aluminium, en titane ou alliage de titane, magnésium ou alliage de magnésium, en Inconel, en acier ou en acier inoxydable, en particulier en acier revêtu de zinc, d'alliage d'aluminium, de polymère ou plusieurs éléments organiques, notamment de peinture.
- la ou les pièces à souder ont une épaisseur comprise entre 0.1 et 20 mm, suivant l'application considérée, de préférence entre 1 et 10 mm.
- la ou les pièces à souder ont une épaisseur différente.
- la ou les pièces à souder sont positionnées bords à bords.
- pour les tôles épaisses, c'est-à-dire d'au moins 8 mm, différentes préparations de bords peuvent être considérées, comme la réalisation de chanfreins particuliers, de talons... 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 10 mm.
- la puissance laser est comprise entre 1 et 25 kW, de préférence d'au moins 2 kW, de préférence entre 4 kW et 16 kW.
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 3 illustrent le principe d'un procédé de soudage laser selon un mode de réalisation de l'invention, dans lequel on soude ensemble deux pièces 7 métalliques distinctes l'une de l'autre. Les pièces 7 à souder sont d'abord positionnées l'une contre l'autre de manière à obtenir un plan de joint 8 au niveau duquel viendra frapper le faisceau laser 9 pour fondre le métal qui se re-solidifïera ensuite en donnant un cordon de soudure.
Le faisceau laser 9 est obtenu au moyen d'un générateur laser de type laser à solide puis convoyé, avantageusement via une fibre optique de convoyage, jusqu'à une tête de focalisation comprenant un ou plusieurs dispositifs optiques de focalisation, tel que lentilles ou miroirs optiques, destinés à focaliser le faisceau dans l'épaisseur des pièces 7 à souder, au niveau de leur plan de joint 8.
En fait, le faisceau laser 9 vient frapper les pièces 7 à souder et engendre alors une fusion et une vaporisation d'une partie du métal constitutif des pièces métalliques 7 conduisant à la formation, dans l'épaisseur des pièces 7 et au niveau dudit plan de joint 8, d'un capillaire de vapeur métallique 2 ou keyhole.
Ces vapeurs métalliques se propagent hors du capillaire de vapeur 2 métallique, et forme une plume 1 de vapeur métallique au dessus du plan de joint 8 et donc du bain de métal en fusion 3.
De préférence, le capillaire 2 est essentiellement constitué de vapeur métallique non ionisées, c'est-à-dire qu'il ne contient pas ou quasiment pas de vapeur métallique ionisée, Dit autrement, le capillaire de vapeur métallique se forme avantageusement sans formation concomitante d'un plasma métallique.
Selon l'invention, un gaz ou un mélange gazeux de protection est distribué, via une buse 4 de distribution de gaz, en direction de la zone de soudage, c'est-à-dire la zone du plan de joint où le faisceau laser interagit avec le métal en fusion 3, de manière à y opérer une protection gazeuse et éviter la contamination du bain de soudure et donc du cordon de soudage qui en résulte, par des impuretés atmosphériques.
Selon l'invention, la buse 4, c'est-à-dire son axe 5, est orientée de manière à ce que le jet de gaz qu'elle délivre soit orienté en direction de la plume 1 de vapeur métallique se formant au dessus du plan de joint 8 mais vienne impacter la surface supérieure 7a d'une ou des tôles 7 en un endroit 6 où le métal n'est pas fondu.
En fait, un rôle de cette buse 4 est de générer un écoulement ou jet de gaz rapide, orienté de manière à ne pas influer directement sur le processus de soudage, tel que le capillaire 2, le bain de métal 3 en fusion ou la plume 1 de vapeur métallique. Ce jet de gaz est envoyé au voisinage de la vapeur 1 de plasma métallique de manière à venir effleurer le sommet de la plume 1 de vapeur métallique.
En d'autres termes, le jet de gaz mis en œuvre selon le procédé de l'invention n'a pas pour vocation de souffler directement sur la vapeur métallique, les fumées et/ou particules projetées mais sert à limiter l'expansion de la plume de vapeur métallique au-dessus du capillaire. Il a ainsi été constaté lors d'essais de soudage que la hauteur de la plume de vapeur métallique au-dessus de la surface des pièces à souder était réduite d'environ 75 à 99% par rapport à la hauteur de la plume sans mise en œuvre du jet de gaz selon l'invention, toutes conditions étant égales par ailleurs.
Le jet de gaz permet donc de confiner la plume de vapeur métallique à proximité de la surface des pièces à souder, typiquement à quelques millimètres de la surface des pièces. Dès lors, la quantité de fumées et de projections de soudage est grandement réduite. La stabilité du bain de fusion est également améliorée, de sorte qu'il y a moins de vaguelettes à la surface du bain et que les cordons de soudage obtenus ont un aspect plus lisse.
En outre, les essais de soudage ont permis de constater une augmentation de l'ordre de 10 à 25 % de la profondeur de pénétration du fait de la limitation de la plume de vapeur métallique.
Dans le cadre de l'invention, le générateur laser peut être du type laser Nd : YAG, laser à fibres, laser à disques ou laser à diodes. De préférence, la longueur d'onde du faisceau laser est comprise entre 0.9 et 1.1 μιη. De préférence encore, la longueur d'onde du faisceau laser est supérieure ou égale à 1.03 μιη et inférieure ou égale à 1.07 μιη.
Avantageusement le générateur laser est du type laser à disques. Ce type de laser met en œuvre des milieux amplificateurs à base de disques minces dont la fine épaisseur offre une grande stabilité thermique et de là d'excellents facteurs de qualité de faisceau. Le pompage s'effectue avec des diodes laser. Le laser peut être à disque de cristal de grenat aluminium yttrium dopé ytterbium (Yb: YAG) ou néodyme (Nd: YAG). Dans le cas d'un dopage à Pytterbium, la longueur d'onde du faisceau laser est d'environ 1031 nm. Dans le cas d'un dopage au néodyme, la longueur d'onde du faisceau laser est d'environ 1064 nm.
Selon une variante de réalisation, le générateur laser est du type laser à fibres. Là encore, la compacité du milieu amplificateur offre un meilleur refroidissement du générateur et donc une excellente qualité de faisceau. On utilise avantageusement des fibres en silice fondue dopées à Pytterbium en tant que milieux amplificateurs. La longueur d'onde du faisceau laser est typiquement d'environ 1070 nm (généralement à ±10 nm). Le pompage s'effectue avec des diodes laser.
Selon une autre variante de réalisation, le générateur laser est du type laser à diodes. Les milieux amplificateurs sont des matériaux semi-conducteurs et le pompage s'effectue avec un courant électrique.
Le faisceau laser peut être focalisé sur la ou les pièces métalliques au moyen d'une tête de focalisation, ledit faisceau laser étant convoyé jusqu'à ladite tête de focalisation au moyen d'une fibre optique de convoyage ayant un diamètre compris entre 50 et 600 μιη.
De préférence, on mettra en œuvre un faisceau laser d'un facteur de qualité ou BPP (pour Beam Parameter Product) compris entre 1 et 50 mm.mrad. Notons que le BPP est un paramètre utilisé couramment pour mesurer le degré de qualité d'un faisceau laser, ce paramètre étant égal au produit du rayon ω au col du faisceau laser par son demi-angle de divergence Θ. On comprend que la qualité du faisceau est d'autant plus grande que le BPP est faible. Un BPP plus faible permet généralement de gagner en vitesse de soudage, grâce à une plus grande densité de puissance sur pièce.
Avantageusement, le BPP du faisceau laser de soudage est supérieur ou égal à 4 mm.mrad, de préférence supérieur ou égal à 8 mm.mrad et/ou inférieur ou égal à 25 mm.mrad, de préférence inférieur ou égal à 12 mm.mrad. De préférence, la distance D entre l'axe 5 du jet de gaz ou de la buse 4, et l'axe du faisceau laser doit au mois être égal à 1.5 fois le diamètre D' interne de la buse 4, comme montré en Figure 1.
A noter que par diamètre interne D', on entend le diamètre interne mesuré à la sortie de la buse, c'est-à-dire l'extrémité de la buse située du côté du faisceau laser. Sur la Figure 1, la buse est de profil interne cylindrique, de sorte que le diamètre interne conserve la même valeur D' sur toute la longueur de la buse.
L'orientation du jet gazeux, donc de la buse 4 selon son axe 5, n'est pas nécessairement dans l'axe du cordon 8 de soudure, c'est-à-dire parallèle au sens de soudage V. En effet, le jet gazeux peut arriver de manière latérale, comme illustré en Figure 2 ou avec une orientation quelconque selon un angle a par rapport à l'axe du cordon de soudure. La seule condition à observer est de veiller à ce que le jet gazeux n'interagisse pas avec le bain de métal 3 en fusion.
L'angle (a) entre l'axe du cordon de soudure et la projection de l'axe de la buse dans le plan de la tôle à souder (figure 2), doit être compris entre +170° et -170° de préférence de +150° à -150°. Il est préférable que cette valeur d'angle soit fixe au cours du procédé de soudage laser. Dans l'idéal, la valeur de cet angle doit être proche de 0, ce qui signifie que le point d'impact du jet de gaz coïncide avec la trajectoire présumée du faisceau laser.
L'angle d'inclinaison Θ de la buse 4 par rapport à la surface de la ou les tôles 7 est, quant à lui, compris entre 5° et 70°, de préférence 40° à 50°.
La hauteur de la partie basse de la buse par rapport à la surface de la ou des tôles est comprise entre environ 1 et 50 mm, de préférence d'au moins 4 mm et/ou d'au plus 10 mm, préférentiellement d'au plus 8 mm.
Un positionnement particulièrement avantageux de la buse est tel jet de gaz impacte la surface supérieure des pièces qui n'a pas encore été fondue à une distance D comprise entre 0.1 et 10 mm, de préférence entre 1 et 6 mm, de l'axe du faisceau laser.
La forme de la section de sortie de la buse 4 n'a pas d'importance, par exemple elle peut être ronde, ovoïde, carrée, rectangulaire, trapézoïdale... Néanmoins, on utilisera préférentiellement une buse cylindrique à section de sortie circulaire.
La buse peut comporter plusieurs orifices de sortie de gaz. Le diamètre interne D' de la buse utilisée est avantageusement compris entre environ 0.5 mm et 20 mm, de préférence d'au moins 1 à 2 mm et d'au plus 10 mm, préférentiellement d'au plus 4 mm environ, mesurée au niveau de l'extrémité de sortie de la buse 4 par laquelle sort le jet gazeux. La vitesse du gaz en sortie de buse est avantageusement comprise entre 40 et 2000 m/sec, de préférence d'au moins 100 à 150 m/sec environ et/ou d'au plus 500 m/sec, préférentiellement d'au plus 250 m/sec. La pression du gaz est comprise entre environ 1 bar et 10 bar, de préférence entre 2 bar et 5 bar, préférentiellement d'au plus 4 bar environ. Le débit de gaz est de préférence compris entre 5 et 100 1/min, de préférence encore entre 10 et 60 1/min. Il existe une plage de fonctionnement en débit caractéristique de l'invention. Ainsi, plus le point d'impact du jet de gaz se rapprochera du point d'impact du laser sur les pièces, plus le débit de gaz sera réduit afin d'éviter le phénomène de vagues à la surface du cordon (humping). Par exemple, pour un jet de gaz impactant la surface supérieure des pièces à 1.5 mm devant le point d'impact du laser, le débit de gaz se situera avantageusement autour de 20 1/min.
Des gaz de protection tel l'hélium, l'air, l'argon, le C02, l'azote, l'oxygène ou mélanges gazeux formés de ou contenant l'un ou plusieurs de ces constituants.
Optionnellement, le procédé selon l'invention peut mettre en œuvre la distribution d'un autre jet de gaz de protection au niveau de la zone de soudage, afin de protéger le bain de soudage contre l'oxydation. La distribution de cet autre jet de gaz pourra s'effectuer selon les méthodes connues, notamment au moyen d'un dispositif de distribution du type « traînard ».
Exemples
Des tests visant à vérifier l'efficacité du procédé de soudage laser de l'invention ont été réalisés avec un générateur laser solide de type laser à disque, délivrant une puissance jusqu'à 16 kW. Le faisceau laser était focalisé sur les pièces à souder au moyen d'une tête de focalisation comprenant une lentille de collimation de distance focale de 200 mm suivie d'une lentille de focalisation de distance focale de 200 mm. Le diamètre de la fibre optique de convoyage était de 300 μιη, conduisant ainsi à un diamètre de faisceau au point focal de 300 μιη.
La buse utilisée était de forme cylindrique de diamètre interne 2 mm.
La hauteur buse/pièces était de l'ordre de 9 mm et son inclinaison (angle Θ) de 45° environ. L'axe de la buse distribuant les gaz a été positionné à l'avant du point d'impact du faisceau laser sur le plan de joint (a=0) à une distance de 3 mm, comme illustré en Figure 1.
Le gaz utilisé était de l'argon.
Les essais de soudage ont été réalisés sur plusieurs types de pièces positionnées, puis soudées bord à bord, selon les Exemples ci-dessous. Dans tous les cas, le jet de gaz de protection est délivré par la buse en direction de la plume de vapeur métallique se formant au dessus du plan de joint entre les pièces à souder ensemble. Exemple 1 : pièces d'épaisseurs différentes
Des pièces en acier doux revêtues de zinc ont été soudées dans une configuration de soudage couramment utilisée dans le secteur de la fabrication de carrosseries de véhicules automobiles, appelée configuration de type « flancs raboutés ».
Plus précisément, des bobines de tôles d'une longueur supérieure à 1000 m et d'épaisseurs différentes ont été déroulées, puis les arêtes des tôles ont été positionnées bord à bord avec un jeu limité entre les pièces.
Les tests ont été d'abord été réalisés sur deux tôles d'épaisseurs 1.7 mm et 1 mm positionnées en bord à bord, puis soudées en mettant en œuvre :
- une puissance laser de 7 kW,
- une vitesse de soudage de 12 m/min,
- une buse tabulaire ayant une inclinaison de 45° par rapport à la surface des tôles, et
- l'impact de l'axe du jet de gaz est à environ 3 mm devant le point d'impact du faisceau. (a=0),
- un jet de gaz distribué avec un débit de 40 1/min
Exemple 2 : pièces d'épaisseurs différentes
D'autres tests ont été réalisés sur des pièces en acier doux revêtues de zinc, dans une configuration similaire à l'exemple 1 mis à part que deux tôles d'épaisseurs 1.6 mm et 1.4 mm étaient positionnées en bord à bord, puis soudées en mettant en œuvre :
- une puissance laser de 6 kW,
- une vitesse de soudage de 7 m/min,
- une buse tubulaire ayant une inclinaison de 45° par rapport à la surface des tôles, et
- l'impact de l'axe du jet de gaz est à environ 3 mm devant le point d'impact du faisceau. (a=0),
- un jet de gaz distribué avec un débit de 40 1/min.
Exemple 3 : pièces de même épaisseur Les conditions des essais réalisés dans le cadre de l'Exemple 2 sont analogues à celles de l'Exemple 1, mis à part que :
- les deux tôles ont une même épaisseur de 5 mm,
- la vitesse de soudage est de 8 m/min.
Le Tableau ci-après résume les résultats obtenus lors de des essais par comparaison avec un soudage laser hors invention, c'est-à-dire opéré avec un procédé standard sans jet de gaz distribué selon l'invention (légende : 0 = résultat équivalent ; 1 = meilleur résultat, 2 = moins bon résultat).
Tableau
Figure imgf000014_0001
La surface des cordons de soudure obtenus, lors des essais réalisés dans le cadre des Exemples ci-dessus a été examinée visuellement et il a été constaté que la qualité des cordons obtenus avec le procédé de l'invention, c'est-à-dire que l'aspect des cordons du côté endroit et du côté envers, est meilleur qu'avec un procédé de soudage laser à solide hors invention.
Plus précisément, la surface des cordons est plus lisse et on observe une pénétration plus régulière sur la face envers des cordons. Grâce à cette pénétration régulière, les arrêts intempestifs de l'installation de soudage, qui résultent habituellement de la détection d'un manque de pénétration, sont évités
De plus, les cordons obtenus avec le procédé de l'invention présente moins de dépôts de fumées de part et d'autre du cordon de soudure qu'avec le procédé standard sans gaz de couverture. Une plume de vapeur métallique s'étendant à quelques millimètres seulement au- dessus de la surface supérieure des pièces a pu être observée.
Ces essais montrent que l'on peut mettre en œuvre efficacement un procédé de soudage laser avec générateur de type laser à solide sans nuire à la qualité des cordons de soudage et à la productivité du procédé de soudage.

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
b) on alimente une buse avec un gaz ou un mélange gazeux et on distribue, au moyen de ladite buse, un jet de gaz de protection formé dudit gaz ou mélange gazeux en direction du plan de joint,
c) on opère, au moyen du faisceau laser, une fusion et une vaporisation du métal constitutif des pièces métalliques conduisant à la formation, dans l'épaisseur de la ou des pièces et au niveau dudit plan de joint, d'un capillaire de vapeur métallique,
caractérisé en ce que le générateur laser est du type laser à solide et en ce que la vapeur métallique, en se propageant hors du capillaire, forme une plume de vapeur métallique au dessus du plan de joint, le jet de gaz de protection étant orienté en direction de la plume de vapeur métallique de manière à ce qu'il vienne effleurer le sommet de ladite plume et impacter l'une ou les pièces à un endroit où le métal constitutif des pièces n'a pas été fondu par le faisceau laser, ledit capillaire étant constitué essentiellement de vapeur métallique non ionisée.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capillaire de vapeur métallique se forme en l'absence de toute formation d'un plasma métallique.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur d'onde du faisceau laser est comprise entre 0.9 μιη et 1.10 μιη.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur laser est du type laser à fibres.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le générateur laser est du type laser à disques.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le générateur laser est du type laser à diodes.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le facteur de qualité (BPP) du faisceau laser est compris entre 1 et 50 mm.mrad.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le facteur de qualité (BPP) du faisceau laser est supérieur ou égal à 4 mm.mrad, de préférence supérieur ou égal à 8 mm.mrad.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le facteur de qualité (BPP) du faisceau laser est inférieur ou égal à 25 mm.mrad, de préférence inférieur ou égal à 12 mm.mrad.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau laser est focalisé sur la ou les pièces métalliques au moyen d'une tête de focalisation, ledit faisceau laser étant convoyé jusqu'à ladite tête de focalisation au moyen d'une fibre optique de convoyage ayant un diamètre compris entre 50 et 600 μιη.
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on oriente le jet de gaz de manière à ce que la distance (D) entre l'axe dudit jet de gaz et l'axe du faisceau laser, mesurée entre les points d'impact dudit jet de gaz et dudit faisceau laser sur la surface supérieure des pièces à souder, soit supérieure ou égale à 1.5 fois le diamètre (D') interne de la buse délivrant le jet de gaz.
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on oriente le jet de gaz de manière à ce que la distance (D) entre l'axe dudit jet de gaz et l'axe du faisceau laser, mesurée entre les points d'impact dudit jet de gaz et dudit faisceau laser sur la surface supérieure des pièces à souder, soit comprise entre 1 et 6 mm de l'axe du faisceau laser.
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on positionne la buse par rapport à la surface supérieure des pièces de telle sorte que l'angle (Θ) de l'axe du jet de gaz ou de la buse soit compris entre 5° et 70° par rapport à la surface supérieure des pièces.
14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on positionne l'extrémité du diamètre intérieur de la buse (D') par rapport à la surface supérieure des pièces à une hauteur qui soit comprise entre 1 mm et 50 mm.
15. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les pièces métalliques sont en acier revêtu de zinc, d'alliage d'aluminium, de polymère ou d'un ou plusieurs éléments organiques, notamment de peinture.
16. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on soude des pièces métalliques d'épaisseurs différentes, lesdites pièces étant positionnées bord à bord.
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