Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02460094 2004-03-09
WO 03/022512 PCT/FR02/02719
Procédé de soudage hybride laser-arc avec ajustage des débits de gaz
La présente invention concerne un procédé et une installation de soudage
hybride combinant un faisceau laser et un arc électrique, en particulier un
arc plasma,
utilisant des gaz ou mélanges gazeux particuliers en tant que gaz d'amorçage
de l'arc
électrique et gaz d'assistance du faisceau laser, et son application au
soudage de tubes
ou de flancs raboutés (tailored blanks), notamment utilisables dans
l'industrie
automobile.
En soudage à l'arc plasma, opérer un amorçage correct et efficace de l'arc, en
début d'une opération de soudage, est primordial et indispensable puisque, si
l'amorçage
ne se fait pas du tout, le soudage ne peut avoir lieu faute d'arc électrique,
alors que s'il
se fait de manière incorrecte, il peut en résulter des détériorations de
certains éléments
de la tête de soudage, par exemple de la tuyère.
Actuellement, il existe différentes façons de procéder pour obtenir
l'amorçage d'un arc dans une torche à arc électrique, à savoir
amorçage par étincelle pilote résultant de la mise en oeuvre soit d'une
tension
élevée , typiquement de 2000 à 5000 volts, soit d'une haute fréquence, par
exemple de
10 à 50 kHz . Toutefois, cette façon de faire présente l'inconvénient d'être à
l'origine de
perturbations électromagnétiques par voie hertzienne ou par conduction, ce qui
entraîne
un risque de détérioration de matériel électrique ou électronique .
amorçage par arc pilote avec création d'un arc électrique de faible puissance
entre l'électrode et la tuyère de la torche. Cette technique présente
l'avantage de
n'entraîner aucune perturbation radioélectrique.
Dans les deux cas, lorsque l'arc est amorcé, celui-ci est ensuite transféré
sur la
ou les pièces à souder.
Cependant, quelle que soit la technologie retenue, l'amorçage de l'arc se fait
préférentiellement dans un gaz à faible potentiel d'ionisation qui doit, par
ailleurs, être
neutre pour ne pas entraîner une contamination ou une détérioration de
l'électrode ou
bien réagir négativement avec le métal fondu.
Comme visible sur le tableau suivant, l'argon répond à ces conditions car il
est
neutre et présente un potentiel d'ionisation relativement faible et ce
contrairement, à
l'azote ou au C02 qui, bien qu'ayant des potentiels d'ionisation encore plus
faibles,
peuvent réagir avec le métal fondu avec par exemple formation de nitrures pour
l'azote
et détérioration de l'électrode en tungstène pour le COz.
CA 02460094 2004-03-09
WO 03/022512 PCT/FR02/02719
2
Gaz Potentiel d'ionisation
(eV)
He 24,46
Ar 15,6
Nz 15,51
COz 14,4
En outre, en soudage à l'arc plasma, il est habituel d'utiliser des gaz
plasmagènes contenant principalement de l'argon.
En d'autres termes, en soudage à l'arc plasma, on n'utilise de l'argon ou un
gaz à
base d'argon pour amorcer l'arc, puis ensuite pour réaliser l'opération de
soudage
proprement dite.
Par ailleurs, en soudage par faisceau laser, en particulier avec des sources
laser
de type gazeux CO=, du fait des puissances spécifiques élevées mises en
oeuvre, en
général de plusieurs kilowatts, la réalisation de la soudure repose sur des
phénomènes
de fusion localisée de la matière au point d'impact du faisceau laser où il se
forme un
capillaire rempli de vapeurs métalliques ionisées à haute température, appelé
keyhole
(trou de serrure). Les parois de ce capillaire sont formées de métal en
fusion.
~e r~nillaire a yn rnle imnnrtant far :l nerm'et de tranëférer l'énargia
Piirertament
4r "r r
au coeur du matériau.
Le bain de fusion ainsi formé et entretenu est déplacé progressivement entre
les
pièces à assembler, en fonction du déplacement relatif du faisceau laser par
rapport aux
pièces à souder, et le métal du joint de soudure se solidifie, après le
passage du faisceau
laser, en assurant l'assemblage jointif des pièces.
L'apparition du capillaire s'accompagne de la formation d'un plasma de vapeurs
2 0 métalliques, c'est-à-dire d'un milieu gazeux ionisé, électriquement neutre
et à une
température de plusieurs milliers de degrés.
Le plasmâ de vapeurs métalliques résulte d'un bon couplage entre fe faisceau
laser et la piëce, et il est donc inévitable. Ce type de plasma absorbe une
faible quantité
de l'énergie incidente et n'engendre pas de modïfication notable de la largeur
et de la
profondeur du cordon de soudure.
Dans certaines conditions de puissance, vitesse, épaisseur, nature et
composition
du gaz, configuration..., le plasma de vapeurs métalliques transfert une
partie de son
énergie au gaz de protection utilisé pour protéger la zone de soudage d'une
contamination de celle-ci par des impuretés atmosphériques, et il y a alors un
risque de
formation d'un autre plasma issu du gaz de protection.
Or, la création d'un tel plasma du gaz de protection peut absorber l'énergie
du
faisceau .laser incident et, dans ce cas, le cordon de soudure devient plus
large en
surface et pénètre beaucoup moins dans l'épaisseur des pièces à souder.
CA 02460094 2004-03-09
WO 03/022512 PCT/FR02/02719
3
Pour remédier à la formation du plasma du gaz de protection, il faut utiliser
un
gaz à fort potentiel d'ionisation et il s'avère que l'hélium est le gaz le
plus approprië pour
limiter l'apparition de ce type de plasma.
Depuis quelques années, se dëveloppe en parallèle des procédés de soudage
susmentionnés, un procédé de soudage appelé soudage hybride arc-laser basé sur
une
combinaison d'un faisceau laser et d'un arc électrique.
Des procédés de soudage hybrides arc et laser ont été décrits notamment dans
les documents EP-A-793558 ; EP-A-782489 ; EP-A-800434 ; US-A-5,006,688 ; US-A-
5,700,989 ; EP-A-844042 ; Laser GTA'Welding of aluminium alloy 5052, TP
Diebold et CE
Albright, 1984, p. 18-24 ; SU-A-1815085, US-A-4,689,466 ; Plasma arc augmented
laser
welding, RP Walduck et J. Biffn, p.172-i76, 1994; ou TIG or MIG arc augmented
laser
welding of thick mild steel plate, Joining and Materials, de J Matsuda et al.,
p. 31-34,
1988.
De façon générale, un procédé de soudage hybride plasma-laser, ou plus
généralement laser-arc, est un procédé de soudage combiné ou mixte qui associe
le
soudage à l'arc électrique à un faisceau laser. Le procédé arc-laser consiste
à générer un
arc électrique entre une électrode, fusible ou non fusible, et la piëce à
souder, et à
focaliser un faisceau laser de puissance, notamment un laser de type YAG ou de
type
CO~, dans la zone d'arc, c'est-à-dire au niveau ou dans le plan de joint
obtenu par
2 0 réunion bord-à-bord des parties à souder entre elles.
Un tel procédé hybride permet d'améliorer considérablement les vitesses de
soudage par rapport au soudage laser seul ou au soudage à l'arc ou au plasma
seul, et
permet, en outre, d'accroître notablement les tolérances de positionnement des
bords
avant soudage ainsi que le jeu toléré entre tes bords à souder, en particulier
par rapport
au soudage par faisceau laser seul qui exige une précision importante de
positionnement
des parties à souder à cause de la petite taille du point focal du faisceau
laser.
La mise en oeuvre d'un procédé de soudage hybride arc-laser requiert
l'utilisation
d'une tête de soudage qui permet de combiner le faisceau laser et son
dispositif de
localisation, ainsi qu'une électrode de soudage adaptée.
Plusieurs configurations de têtes sont décrites dans les documents ci-dessus
mentionnés et l'on peut dire, en résumé, que le faisceau laser et l'arc
électrique ou fe jet
de plasma peuvent être délivrés par une seule et même tête de soudage, c'est-à-
dire
qu'ils sortent par le même orifice, ou alors par deux têtes de soudage
distinctes, l'une
délivrant le faisceau laser et l'autre l'arc électrique ou le jet de plasma,
ceux-ci se
réunissant dans la zone de soudage, comme par exemple enseigné par les
documents
WO-A-01/05550 ou EP-A-1084789.
Les procédés hybrides arc-laser sont réputés parfaitement adaptés au soudage
des flancs raboutés (ou tailored blanks) pour l'industrie automobile, car ils
permettent
d'obtenir un cordon de soudure bien mouillé et exempt de caniveaux, comme le
rappelle
CA 02460094 2004-03-09
WO 03/022512 PCT/FR02/02719
4
les documents EP-A-782489 ou Laser plus arc eguals power, Industrial Laser
Solutions,
February 1999, p.28-30.
Lors de la réalisation du joint de soudure, il est indispensable d'utiliser un
gaz
d'assistance pour assister le faisceau laser et protéger la zone de soudage
des
agressions extérieures et un gaz pour l'arc électrique, en particulier un gaz
plasmagène
servant à créer le jet de plasma d'arc dans le cas d'un procédé arc-plasma.
De là, on comprend aisément que, lorsque l'on couple une source laser avec un
dispositif de soudage à l'arc plasma pour mettre en oeuvre un procédé de
soudage
hybride arc plasma-laser, le problème ci-avant devient alors très complexe car
il faut
alors non seulement éviter la formation du plasma du gaz de protection au
niveau du
bain de fusion mais aussi pouvoir obtenir un amorçage correct de l'arc généré
par
l'électrode.
Comme expliqué précédemment, le gaz plasmagène doit contenir
essentiellement de l'argon pour permettre un amorçage efficace de l'arc.
Or, au contact du plasma de vapeur métallique généré par l'impact du faisceau
laser sur le matériau à souder, un gaz plasmagène riche en argon peut être
facilement
ioniser et entrainer la formation d'un plasma absorbant pour le faisceau laser
et donc
néfaste pour la qualité de soudure car diminuant la profondeur de pénétration
du
faisceau.
2 0 A l'inverse, le gaz de protection du bain de fusion doit contenir
majoritairement
de l'hélium pour éviter la formation d'un plasma absorbant.
Or, si l'extrémité de l'électrode se trouve entouré et au contact d'hélium en
Forte
proportion, l'arc plasma ne pourra s'amorcer correctement.
Le but de la présente invention est alors de proposer un procédé de soudage
hybride arc- laser ne posant pas ces problèmes, c'est-à-dire un procédé de
soudage
hybride arc- laser, en particulier arc plasma-laser, à amorçage efficace et
absence ou
quasi-absence de formation de plasma absorbant.
La solution de l'invention est alors un procédé de soudage hybride arc-laser
d'une ou plusieurs pièces métalliques à souder par réalisation d'aû moins un
joint de
soudure entre des bords à souder portés par la ou lesdites pièces métalliques,
ledit joint
de soudure étant obtenu par mise en oeuvre d'au moins un faisceau laser et
d'au moins
un arc électrique se combinant l'un à l'autre de manière à obtenir une fusion
puis une
solidification subséquente du métal le long desdits bords à souder, dans
lequel on opère
comme suit
(a) amorçage d'au moins un arc pilote entre une électrode et une tuyère d'une
tête de soudage hybride, ladite électrode alimentée en courant électrique et
étant mise
au contact d'un premier gaz introduit dans ladite tête de soudage hybride,
ledit premier
gaz ayant une composition gazeuse apte à favoriser l'amorçage de l'arc pilote,
CA 02460094 2004-03-09
WO 03/022512 PCT/FR02/02719
(b) transfert subséquent à l'étape (a) de l'arc pilote ainsi amorcé vers les
bords
de la ou desdites pièces à souder,
(c) alimentation de ladite tête de soudage hybride avec un deuxième gaz de
manière à obtenir une atmosphère gazeuse de protection formée d'un mélange du
5 premier gaz et du deuxième gaz, ladite atmosphère gâzeuse de protection
étant
expulsée vers la zone de soudage par ladite tête de soudage hybride et
permettant de
protéger au moins une partie de la zone de soudage durant le soudage du joint
de
soudure par combinaison du faisceau laser et de l'arc électrique, le débit
volumique du
premier gaz (Qi) et le débit volumique du deuxième gaz (Q2) étant ajustés tels
que
0<Q1<Q2.
Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des
caractéristiques techniques suivantes
- à l'étape (a), le premier gaz formant la composition gazeuse d'amorçage
contient plus de 50% en volume d'argon, de préférence de 70 à 100 % en volume
d'argon.
- à l'étape (a), le premier gaz formant la composition gazeuse d'amorçage
contient, par ailleurs, au moins un composé additionnel non oxydant choisi
parmi
l'hëlium, Hz, et Nz en une teneur de 0.05 à 30% en volume.
1~ +. I~.\ I A~ ''~ c g ~nr~tiçnt oy mnin~ 4~10~ en ~inlyme ~i~hn~'liym de
~ '~tap°v. Via.), Wm,üxia.nim. az m ~ u
2 0 préférence de 50 à 100 % en volùme d'hélium.
- à l'étape (c), le deuxième gaz contient, en outre, au moins un composé
additif
choisi parmi l'argon, Hz, Oz, COz et Nz en une teneur de 0.05 à 30% en volume.
- le débit volumique du premier gaz (Q1) et le débit volumique du deuxième gaz
(Q2) sont ajustés tels que : 2 < Q2 / Q1 < 55.
- le débit volumique du premier gaz (Qi) et le débit volumique du deuxième gaz
(Q2) sont ajustés fiels que : 3 < Q2 / Q1 < 50, de préférence 10 < Q2 / Q1 <
40.
-.à l'étape (c), le faisceau laser et l'arc plasma sont délivrés, en étant
combinés
ensemble, par le même orifice d'une buse de soudage.
- l'atmosphère gazeuse de protection formée d'un mélange du premier gaz et du
3 0 deuxième gaz obtenue à !'étape (c) contient de l'hélium et de l'argon, la
proportion
volumique d'hélium étant supérieure à la proportion volumique d'argon.
- la ou les pièces à souder ont une épaisseur comprise entre 0,1 et 70 mm, de
préférence entre 0,3 et 50 mm,
- là ou les pièces à souder sont des flancs raboutés (tailored blanks) formant
des
éléments d'une carrosserie automobile.
- la ou tes pièces à souder sont en un métal ou un alliage métallique choisi
parmi
les aciers revêtus ou non-revêtus, en particulier les aciers d'assemblage, les
aciers à
CA 02460094 2004-03-09
WO 03/022512 PCT/FR02/02719
6
haute limite élastique, les aciers au carbone, les aciers comportant en
surface une
couche d'alliage de zinc, les aciers inoxydables, les aluminium ou alliages
d'aluminium.
- à l'étape (c), l'atmosphère gazeuse de protection contient de l'argon et
plus de
60% d'hélium et éventuellement un ou plusieurs composés choisis parmi Hz, O2,
COZ et
Nz,
- l'ajustage des débïts volumiques respectifs desdits premier et deuxième gaz
est
opérée pendant le transfert de l'étape (b) ou immédiatement après transfert de
l'arc
pilote, de préférence après le transfert de ('arc pilote
- la pièce à souder est soudée de manière à obtenir un tube.
- le rapprochement de la tête de soudage de la ou des pièces à souder de façon
à créer .un arc-plasma est opéré après détection d'un arc' pilote, de
préférence ledit
rapprochement est opéré quasi-simultanément à l'envoi de l'atmosphère gazeuse
de
protection contenant au moins 50% en volume d'hélium à l'étape (c).
- le faisceau laser est émis simultanément ou subséquemment à la formation de
l'arc plasma de manière à ce que ledit faisceau se combine avec le plasma
d'arc.
L'invention concerne, par ailleurs, un procédé de fabrication d'éléments de
carrosserie automobile, dans lequel des pièces formant des éléments d'une
carrosserie
automobile sont soudées ensemble par mise en oeuvre d'un procëdé de soudage
hybride
Selon t~invention; ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tube soudé,
longitudinalement
2 0 ou en spirale, dans lequel les bords du tube sont soudës ensemble par mise
en oeuvre
d'un procédë de soudage hybride selon l'invention.
- le mélange de gaz contenant lesdits premier et deuxïème gaz contient une
proportion du premier gaz telle qu'il ne se forme pas un plasma gazeux issu de
ce gaz au
contact du plasma de vapeurs métalliques,
~5 L'invention est illustrée sur la figure anhexée où l'on voit une partie
d'une
installation de soudage hybride selon l'invention comportant habituellement un
oscillateur laser à gaz (laser de type COz) produisant un faisceau 3
monochromatique
cohérent de haute énergie, un chemin optique équipé de miroirs de renvois
permettant
d'amener le faisceau laser 3 vers une tête de soudage située en regard du tube
à
3 0 souder.
La tête de soudage comprend classiquement une lentille ou un ou plusieurs
miroirs de focalisation de façon à focaliser le faisceau 3 laser en un ou
plusieurs points de
focalisation dans (épaisseur des pièces 10, 11 à souder et au niveau du plan
de joint 9
obtenu par réunion, bord-à-bord, à clin ou dans une autre configuration,
des~bords des
35 pièces à assembler.
En outre, un jet de plasma d'arc est obtenu au moyen d'une électrode 1 et d'un
gaz plasmagène 4.
Le faisceau laser 3 et le jet de plasma se combinent dans la téte de soudage
de
manière à être expulsés ensemble par l'orifice unique de la tuyère 2 de façon
à
CA 02460094 2004-03-09
WO 03/022512 PCT/FR02/02719
7
concentrer localement suffisamment de densité de puissance pour fondre les
bords des
pièces à souder.
II a été mis en évidence par les inventeurs de la présente invention que, pour
obtenir un amorçage efficace et assurer ensuite un soudage de qualitë, il est
nécessaïre
- durant la phase d'amorçage, d'utiliser en tant que premier gaz de l'argon
pur
ou un mélange gazeux contenant essentiellement de l'argon, typiquement de 70 à
100
en volume d'argon et le reste pouvant être de l'hélium, de l'hydrogène ou tout
autre
gaz ou mélange de gaz non oxydant approprië. Cette composition gazeuse
d'amorçage,
provenant de la source 4, est intrôduite dans la tête de soudage à proximité
immédiate
et/ou autour de l'électrode 1 de façon à amorcer efficacement l'arc pilote
entre ladïte
électrode 1 non-fusible et fa tuyère 2. Ensuite, lorsque cet arc pilote est
amorcé, it est
transféré aux pièces à souder ensemble en étant expulsé par l'orifice unique
de tuyère 2
de la tête de soudage.
- au moment du soudage, de procéder à une alimentation additionnelle de la
tête
hybride avec un deuxième gaz, issu d'une source de gaz 5, de manière à obtenir
un
mélange des premier et deuxiëme gaz en un gaz de protection sèrvant à,protêger
le bain
de métal en fusion résultant de la combinaison de l'arc plasma et du faisceau
laser,
r_'açf_-â-rfira_ le joint r_IP gnyr_fyrP, f e r~eu_x_ièrne aaz est formé
d'hélium pur ou un mélange
é 0 gazeux à base d'hélium, lequel contient préférentiellement de 50 à 100 %
en volume
d'hélium, le reste pouvant être de l'argon, de l'hydrogène, de l'azote, du
dioxyde
carbone, de l'oxygène ou tout autre gaz ou mélange gazeux approprié.
Cependant, selon l'invention, pour obtenir un soudage efFcace, c'est-à-dire
qu'il
ne se forme pas de plasma néfaste issu du gaz de protection au contact du
plasma de
vapeur métallique et donc qu'il ne se produit pas d'adsorption d'une partie
importante du
faisceau .Jaser 3, il est indispensable de contrôler, ajuster, réguler ou
choisir le débit
volumique du premier gaz (Q1 avec Qi non nul) et le débit volumique du
deuxième gaz
(Q2) de sorte que l'on obtient un débit du deuxiëme gaz nettement supérieur à
celui du
premier gaz (Q2>Q1).
La gestion des flux gazeux se Fait au moyen d'un coffret de pilotage 6
classique
de sorte que, jusqu'à l'obtention d'un amorçage correct, il s'opère une
alimentation de la
tête de soudage avec du gaz plasmagène (4), alors qu'une fois l'arc électrique
pilote
détecté par le coffret de pilotage 6, celui-ci commande une électrovanne (non
montrée)
qui s'ouvre de sorte de délivrer le gaz de protection (5) pour augmenter, par
exemple, la
teneur en hélium dans la tête de manière à passer d'une atmosphère gazeuse
contenant
majoritairement de l'argon utilisée pour amorcer l'arc pilote à une atmosphère
gazeuse
contenant mâjoritairement de fhéüum utilisable pour souder.
Le cycle d'amorçage est par exemple le suivant
CA 02460094 2004-03-09
WO 03/022512 PCT/FR02/02719
8
- ouverture de la vanne (non représentée) contrôlant l'arrivée du gaz
pfasmagène 4 autour de l'électrode, par exemple un débit d'environ 5 I/min
d'argon.
- un courant de faible ampérage est délivré entre l'électrode et la tuyère de
manière à générer un arc pilote et, lorsque l'arc pilote est détecté, la tête
de soudage
est rapprochée des pièces à souder de façon à créer le plasma d'arc qui est
envoyé vers
les bords à souder
- alimentation de fa tête de soudage avec un gaz de protection, de l'hélium
par
exemple, à un débit de 20 I/min de façon à protéger le bain de fusion formé,
- émission du faisceau laser 3 et fixation de l'intensité de l'arc plasma à sa
20 valeur de consigne de soudage. ,
L'invention est applicable notamment au soudage de tubes, en soudage axial ou
hélicoïdal, ou de filants raboutés destinés à constituer àu moins une partie
d'un élément
de carrossérie de véhicule.
L'invention peut être utilisée pour assembler par soudage hybride des pièces
métalliques ayant des épaisseurs égales ou différentes, et/ou des compositions
métallurgiques ou des nuances métallurgiques identiques ou différentes, et/ou
des
épaisseurs égales ou différentes.
De plus, suivant les méthodes et les préparations de soudage utilisées, Ie
joint
â Soüder sc i.âr âWcr iS2 Svü\i~iv p$ '~° d ~nre.~..~..e d°
n::iea:.~ entra lac n~arlÇ ÇIII'~Pr1eI11'Ç
r 1.1111.
r~
2 0 de chacune des pièces à souder conduisant ainsi à la génération d'une
"marche", mais
on peut également rencontrer la situation inverse, à savoir des joints de type
flancs
raboutés dont les plans supérieurs sont alignés mais dont les plans inférieurs
ne sont pas
de même niveau et où la 'marche' est située â l'envers du joint à souder.
On trouve fréquemment ce genre de soudures dans l'industrie automobile où les
pièces, une fois soudées, sont embouties pour leur donner leurs formes
finales, par
exemple les différentes pièces qui entrent dans la fabrication d'une
carrosserie de voiture
et notamment les portières, le toit, (e capot, le coffre ou des éléments de
structure de
l'habitacle.
Bien entendu, dans tous les cas, la ou les pièces à souder et la tête de
soudage
sont animés d'un mouvement de déplacement relatif l'un par rapport à (autre,
c'est-à
dire soit la ou les pièces sont fixes et la tête de soudage se déplace, soit
(inverse.
Par ailleurs, il va de soi que la phase de soudage peut se faire en une ou
plusieurs passes notamment suivant le diamètre et l'épaisseur à souder.
