Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02296753 2002-11-22
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Procédé de sc.~udage laser de tôles en chevauchement
et caz sse dE. c h iét l e_i e rz ov7 ai _ecorrespondante .
La présente inventlon concerne un procédé de soudage
laser d' au moins deux t.5, ler ï.e ong d' une zone de
chevauchement ent:rc-:, les Jet.ix tôles .
L'inverrtïon s'applique eri particulier au soudage, par
transparence et entre elles, de tôles d'habillage extérieur
de caisses de véhicules ferroviaires en acier.
Le soudage laser par transparence permet de souder
des pièces métallique,,,, au niveau de leurs surfaces en regard
dans une zone de chevauchement.
Pour former une sot_idure entre ces surfaces en regard
dans cette zone où elles sont inaccessibles, le faisceau
laser incident sur l'urie des pièces traverse complètement
cette pièce et vient, fonc:Yre localement l'autre pièce. Le
métal fondu se solidifie après le passage du faisceau laser
pour constituer un cordon de soudure.
L'utilisation de cet:te tec:hnique de soudage par
transparence implique que le ;;jeu entre les surfaces en regard
des pièces à souder soit inférieur à 10% de l'épaisseur
totale de la zone de chevauchement.
Cette contrainte de _jeu pose des problèmes pour
appliquer cette technique de soudage aux tôles d'habillage de
véhicules ferroviaires du fait des gr.-andes longueurs sur
lesquelles elles doivent être soudées, -,~~es longueurs pouvant
atteindre typiquement 30 m.
Afin de respecter cette contrairite de jeu on utilise,
dans d'autres domaines et pour des pièces de petites
dimensions, des véri:ns régulièrement espacés les uns des
autres et qui viennerrt serrer les deux pièces l'une contre
l'autre, sur toute la longueur à souder de la zone de
chevauchement.
Cependant, cette solution serait particulièrement
coûteuse pour souder entre elles des t:ôles d'habillage sur
des longueurs relativement. grandes du fait de la
multiplication du nombre des vérins.
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~~
..
L' invention a pIDur but r~_e rcsoudre~, ce problème en
fournissant un proc..é,fF': c~l,i p~ r me .. ;fF% souder de manière
relativement simple et (_JE~~s -,c,les au niveati d'une
zone de chevauchement x.elativé-_ri:erit L.rlc~lïc
A cet. ef fet , 1 ' i nveni::i.on apour- obj et un procédé de
soudage laser d' au rroï.r.s deux tc1e~~., lw 1oi-ig d'une zone de
chevauchement de ces tôles, caractÉfri:,Ã en c:e qu'au moins
une première des t6less, conlpre.-,d <iu va.: sinage de la. zone de
chevauchement des moyens de cation adaptés pour
résister à la flexion de la 1e Long de la zone de
chevauchement, en ce que l'on place en p,:Drte-â-faux au moins
une région de la x,re:- n_LÉ:re tôl e dans la zone de
chevauchement, les moyerls de r.igidific~ation étant disposés
au voisinage de cette région en port:.e-à-i-aux, en ce que l'on
vient appuyer un mécani.srcle d' appui d' une iristallation de
soudage laser sur une autre tôle pour nta.ïntenir les tôles en
contact au niveau de la zone de chevauchement, et en ce que
l'on soude grâce à:1' installation de soudage laser :Les tôles
le long de la zone de chevauchement.
Suivant des modes particul_Ler:j de réalisation, le
procédé peut comprendre de préférence l'une ou plusieurs des
caractéristiques suivantes, pri'ses isolérnent ou selon toutes
les combinaisons techniquement possible,.=:, :
- les moyens de rigi.difi.cati.on comprennent urie partie
profilée venue de matière avec la t61..e ;
- la partie prof:ilée est formée par pliage de la tôle
vers l'extérieur de la zone cie chevaucr,ement au voisinage de
la zone de celle-ci ; et
- la partie prof ilée est une partie de surépa:isseur de
la tôle ;
- un faisceau laser émis par ;l. installation de soudage
traverse l'autre tôle pour venir souder celle-ci avec la
tôle au niveau de leurs surfaces en rE~gard dans la zone de
chevauchement, le procédé cor.istituant ainsi un procédé de
soudage laser par transparence.
CA 02296753 2007-06-21
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L'invention a enfin pour objet un procédé d'obtention
d'une caisse de véhicule ferroviaire comprenant au moins
une ossature de support et un habillage extérieur,
l'habillage extérieur comprenant un assemblage de tôles
soudées entre elles au niveau de zones de chevauchement et
sur l'ossature de support, caractérisée en ce qu'on réalise
des soudures reliant des tôles de l'habillage entre elles
par un procédé tel que défini ci-dessus. L'invention vise
également une caisse de véhicule ferroviaire obtenue avec
le procédé susmentionné.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la
description qui va suivre, donnée uniquement à titre
d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur
lesquels:
- la figure 1 est une vue schématique en élévation
d'une installation de soudage laser selon l'invention;
- la figure 2 est une vue schématique, agrandie et en
coupe prise suivant la ligne II-II de la figure 1,
- la figure 3 est une vue partielle en plan de deux
tôles en chevauchement et qui illustre schématiquement une
utilisation de l'installation de la figure 1,
- la figure 4 est une vue schématique de dessous qui
illustre une variante du mécanisme d'appui de
l'installation de la figure 1,
- la figure 5 est une vue partielle en perspective
avec arrachement d'un ensemble de tôles en chevauchement
selon l'invention,
- la figure 6 est une vue schématique en coupe, prise
suivant la ligne VI-VI de la figure 5, et qui illustre
l'utilisation de l'installation de la figure 1 pour souder
les tôles de la figure 5,
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- la figure 7 est une section schématique d'une caisse
de véhicule ferroviaire selon l'invention, et
- la figure 8 est une vue agrandie en coupe de la
partie cerclée VIII de la figure 7.
La figure 1 représente une installation 2 de soudage
laser permettant de souder deux tôles en acier 4 et 5 qui se
chevauchent le long d'une zone de chevauchement 6. La tôle 4
est disposée au dessus (en haut sur la figure 1) de la tôle 5
dans la zone de chevauchement 6. La surface inférieure 7 (en
bas sur la figure 1) de la tôle 4 est en regard de la surface
supérieure 8 de la tôle 5 dans la zone de chevauchement 6. Les
tôles 4 et 5 sont immobilisées l'une par rapport à l'autre par
des moyens non représentés.
L'installation 2 comprend essentiellement
- un bâti 10 solidaire du sol 12 et surélevé par
rapport à ce dernier,
- une structure de support 14 montée sur le bâti 10,
- une source laser 16 montée sur le bâti 10,
- une tête 18 de focalisation d'un faisceau laser,
couplée optiquement à la source laser 16 par des moyens 19 de
couplage optique (en trait mixte),
- une source 20 de gaz inerte,
- une buse 22 de projection de gaz inerte qui est
portée par la tête 18 et qui est raccordée à la source 20 de
gaz inerte par des moyens 21 de raccordement (en trait mixte à
deux tirets),
- un mécanisme d'appui 24 qui est porté par la
structure 14, et
- un socle 26 de retenue de la deuxième tôle 5 qui est
solidaire du sol 12 et qui est disposé à un niveau inférieur à
celui du bâti 10.
La structure 14 comprend deux tiges 28 et 30
sensiblement orthogonales entre elles, un chariot 32 et un
bloc de montage 34.
La tige 28, sensiblement horizontale, est montée sur
le bâti 10 de manière coulissante selon une direction
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horizontale orthogonale au plan de la figure 1. Le chariot 32
est monté de manière coulissante horizontalement sur la tige
28, comme schématisé par les flèches 36.
La tige 30 s'étend sensiblement verticalement depuis
5 le chariot 32 vers le bas et vers la zone de chevauchement 6.
La tige 30 est montée de manière coulissante verticalement sur
le chariot 32, comme schématisé par les flèches 38.
Le bloc 34 prolonge la tige 30 vers le bas. Ce bloc 34
est monté rotatif sur la tige 30 autour de l'axe X-X de la
tige 30, comme schématisé par les flèches 40.
La structure 14 porte les moyens 19 de couplage
optique et les moyens 21 de raccordement.
La tête 18 et la buse 22, qui entoure la tête 18, sont
coaxiales à la tige 30 et au bloc 34. L'axe X-X de la tige 30
est sensiblement orthogonal à la zone de chevauchement 6 et la
tête 18 et la buse 22 sont orientées vers cette zone 6.
La tête 18, et donc la buse 22, sont montées
coulissantes verticalement sur le bloc 34, comme schématisé
par les flèches 42, alors que le mécanisme d'appui 24 est
solidaire du bloc de montage 34. Ainsi, la tête 18 et la buse
22 peuvent se rapprocher de la zone de chevauchement 6
indépendamment du mécanisme d'appui 24.
Comme illustré plus particulièrement par la fig 2,
le mécanisme d'appui 24 comprend un tube 44 creux à base
circulaire, qui est coaxial à la tige 30 et qui entoure la
tête 18 et la buse 22. Ce tube 44, porté par le bloc 34,
prolonge ce dernier vers le bas et donc vers la zone de
chevauchement 6.
La tranche inférieure 46 de ce tube 44 est munie d'un
chemin de roulement annulaire débouchant 48 dans lequel une
bille 50 est retenue. La bille 50 peut se déplacer librement
dans le chemin 50. Une partie inférieure de la bille 50 est en
saillie vers le bas depuis la tranche 46.
La tranche 46 du tube 44, et le chemin de roulement
48, sont inclinés par rapport à un plan transversal à l'axe X-
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X du tube 44 et sont donc inclinés par rapport à la zone de
chevauchement 6.
La bille 50 est appuyée, par l'intermédiaire du tube
44 et de la structure 14 sur la tôle 4, au niveau de la zone
de chevauchement 6.
La tôle 5 repose sur le socle 26 qui s'étend, sous
cette tôle 5, sensiblement sur toute la longueur d'un cordon
de soudure rectiligne 51 à réaliser orthogonalement par
rapport au plan de la figure 1.
Pour souder les tôles 4 et 5 entre elles au niveau de
leurs surfaces 7 et 8 dans la zone de chevauchement 6, la tête
18 focalise un rayon laser 52 émis par la source 16 dans la
zone de chevauchement 6. Ce faisceau laser 52 frappe
sensiblement orthogonalement la zone de chevauchement 6 en une
région d'incidence 53. Le faisceau 52 vient fondre la tôle 4
en la traversant puis atteint ensuite la tôle 5 où il vient
fondre localement l'acier sans traverser la tôle 5.
Pour former le cordon de soudure rectiligne 51 qui est
non-débouchant, la structure 14 qui porte la tête 18 se
déplace horizontalement le long des bords des plaques 4 et 5,
comme schématisé par la flèche D sur la figure 2, c'est-à-dire
orthogonalement au plan de la figure 1. La tête 18, la buse 22
et le mécanisme d'appui 24 sont solidaires de la structure 14
lors de ce déplacement parallèle à la zone de chevauchement 6.
Le faisceau 52 et donc la région d'incidence 53 se déplacent
dans le sens et la direction de la flèche D. Après le passage
du faisceau laser 52, le métal fondu se solidifie pour former
le cordon de soudure 51.
Au cours du déplacement rectiligne de la structure 14,
la bille 50, assujettie au déplacement de la tête 18, roule
sur la tôle 4 et elle reste disposée en avant de la région
d'incidence 53, par rapport au sens de déplacement de cette
région 53. Ainsi, la bille 50 est disposée à droite de la
région 53 sur la figure 2. La bille 50 qui roule sur la tôle 4
vient plaquer la surface 7 de la tôle 4 sur la surface 8 de la
tôle 5, cette tôle 5 étant retenue par le socle 26. Ainsi la
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contrainte de jeu entre les pièces 4 et 5 dans la zone de
chevauchement 6 est respectée et la formation du cordon 51 est
possible.
En arrière de la région d'incidence 53 par rapport au
sens de déplacement D, c'est-à-dire à gauche sur la figure 2,
le maintien des tôles 4 et 5 l'une contre l'autre est assuré
par le cordon de soudure 51.
La buse 22 forme un flux 58 de gaz inerte autour du
faisceau laser 52. Ce flux vient frapper la surface supérieure
59 de la tôle 4 pour protéger le bain de soudure formé.
La nature de la structure 14 de support permet
d'amener la tête 18 et le mécanisme d'appui 24 dans une
position de soudage prédéterminée puis de déplacer ces
derniers suivant un trajet de soudage prédéterminé. Le
mécanisme d'appui 24 est assujetti aux déplacements de la tête
18, et donc de la région d'incidence 53, dans les directions
parallèles à la zone de chevauchement 6.
La position de la tête 18 dans une direction
orthogonale à la zone de chevauchement 6 peut être modifiée
indépendamment de celle du mécanisme d'appui 24, comme indiqué
par les flèches 42.
L'inclinaison du chemin du roulement 48 induit une
position préférentielle de la bille 50, puisque cette dernière
tend à se placer au niveau du point le plus bas de ce chemin
48, c'est-à-dire à droite sur la figure 2. Ainsi, en faisant
pivoter le tube 44 autour de l'axe X-X de la tige 30, comme
schématisé par les flèches 40 sur la figure 1, on peut venir
placer la bille 50 toujours en avant de la zone d'incidence 53
du faisceau 52 quelque soit la forme du cordon de soudure 51 à
réaliser.
A titre d'exemple, la figure 3 illustre la réalisation
d'un cordon de soudure 51 à angle droit.
Le mécanisme d'appui 24 est représenté en trait plein
au niveau de cet angle droit après la réalisation d'une
première partie 51A rectiligne du cordon 51 et avant la
réalisation d'une deuxième partie 51B du cordon 51,
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orthogonale à la partie 51A. Le pivotement du tube 44 d'un
quart de tour dans le sens horaire sur la figure 3, comme
schématisé par la flèche 59, permet d'amener la bille 50 dans
la position adéquate (en bas sur la figure 3) pour former la
deuxième partie 51B (en pointillé) du cordon 51. Le mécanisme
d'appui 24 est représenté en trait mixte dans ses deux
positions correspondant respectivement à la formation des
parties 51A et 51B du cordon de soudure.
L'installation 2 permet donc de réaliser par
transparence des cordons de soudure laser de formes variées
sur des tôles se chevauchant sur des longueurs relativement
importantes. Le mécanisme 24 d'appui local permet de réaliser
ces cordons de soudure de manière relativement économique sans
utiliser de nombreux vérins de serrage des pièces 4 et 5.
Les déplacements de la structure 14, des différents
éléments qui la composent, ainsi que de la tête 18 peuvent
être assurés par des moyens classiques tels que des vérins
et/ou des moteurs électriques.
Le fonctionnement d'une telle installation peut être
entièrement robotisé ou automatisé en utilisant une unité de
pilotage reliée aux différents moteurs et vérins.
Selon une variante non représentée, le bloc 34, et
donc le tube 44, peut être monté libre en rotation autour de
l'axe X-X sur la tige 30. Dans ce cas, la bille 50 vient se
placer automatiquement derrière la région 53 par rapport au
sens de déplacement de la tête 18 dans une direction parallèle
à la zone de chevauchement 6. Ainsi la bille 50 est orientée
automatiquement derrière la région 53 dans la direction de
déplacement de la tête 18, quelle que soit cette direction et
sans que des moyens pour faire tourner le bloc 34 autour de
l'axe X-X ne soient nécessaires. Ce résultat est obtenu par
rotation automatique du tube 44 autour de son axe X-X lors
d'un changement de sens et/ou de direction de déplacement de
la tête 18.
Selon une autre variante illustrée par la figure 4, la
tranche inférieure 46 du tube 44 est sensiblement orthogonale
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à l'axe X-X du tube 44. Trois logements 60A, 60B et 60C sont
ménagés dans cette tranche 46. Chacun de ces logements retient
une bille, respectivement 50A, 50B et 50C, et est de forme
conjuguée à celle de la bille correspondante. Ces billes sont
destinées, comme la bille 50 des figures 1 à 3, à rouler sur
la tôle 4 en avant de la région d'incidence 53.
Les logements 60A, 60B et 60C sont ménagés
régulièrement dans une région d'ouverture angulaire a de la
tranche 46 du tube 44. Cette variante permet de plaquer les
surfaces 7 et 8 des tôles 4 et 5 sur une région plus étendue,
en avant de la région 53 d'incidence du faisceau laser 52.
La forme des logements 60A, 60B et 60C permet de
positionner avec précision les billes 50A, 50B et 50C en avant
de la région d'incidence 53.
Selon des variantes non représentées, le nombre de
billes de roulement peut être plus important et l'ouverture
angulaire a peut également être plus importante et aller
jusqu'à 360 . Dans ce dernier cas, des billes sont réparties
régulièrement sur toute la tranche 46 du tube 44 et le
mécanisme d'appui 24 vient prendre appui sur la tôle 4 tout
autour de la région 53 d'incidence du faisceau laser 52.
Selon d'autres modes de réalisation non représentés,
la structure 14 est constituée par un système de bras articulé
équipé de vérins, permettant ainsi de souder des pièces
métalliques en chevauchement dans des positions variées avec
plus de liberté.
Les figures 5 et 6 illustrent un ensemble 62 de deux
tôles 4 et 5 à souder le long d'une zone de chevauchement 6
dans laquelle leurs bords avant respectifs 64 et 65 se
chevauchent.
Les tôles 4 et 5, de forme générale rectangulaire ont
été préalablement soudées le long de leurs bords latéraux
respectifs par des cordons de soudure 66 à 69 sur deux
profilés 70 et 72 à section en U.
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Ces profilés 70 et 72 sont par exemple des éléments
d'une ossature d'une caisse d'un véhicule ferroviaire, et les
tôles 4 et 5 sont destinées à former un habillage extérieur de
cette caisse. Les cordons de soudure 66 à 69 ont, par exemple,
5 été réalisés par transparence grâce à l'installation 2 des
figures 1 à 3, les profilés 70 et 72 étant alors supportés par
le reste de l'ossature précitée et non par un socle 26.
Les tôles 4 et 5 sont tendues entre les profilés 70 et
72. Les tôles 4 et 5 sont ainsi immobilisées l'une par rapport
10 à l'autre.
Le bord avant 65 de la tôle 5 est prolongé vers le bas
sur les figures 5 et 6 par une partie centrale 74 profilée en
L. Cette partie 74 a été formée par pliage de la tôle 5 vers
l'extérieur de la zone de chevauchement 6. Cette partie 74
comprend, depuis le bord 65, deux panneaux rectangulaires 76
et 78 successifs qui forment un L orthogonal au reste de la
tôle 5. Cette partie 74 rigidifie le bord 65 de la tôle 5 vis-
à-vis de la flexion.
Les profils 70 et 72 étant retenus par l'ossature
précitée, pour réaliser un cordon de soudure 51 (en pointillé
sur la figure 5), on vient appuyer le mécanisme d'appui 24 de
l'installation de soudage 2 sur la plaque 4 au niveau de la
zone de chevauchement 6. La partie 74 de rigidification permet
à la région de la surface 8, située entre les profilés 70 et
72 et dans la zone de chevauchement 6, de résister à la
flexion pour que les surfaces 7 et 8 des tôles 4 et 5 soient
plaquées l'une contre l'autre dans la zone 6.
Ainsi, la partie 74 de rigidification permet de former
un cordon de soudure 51 sans venir placer de support de
retenue sous la région du bord 65 qui est placée en porte-à-
faux entre les profilés 70 et 72. Cette caractéristique
facilite encore le soudage par transparence de tôles en
chevauchement sur des longueurs relativement grandes.
Selon des variantes non représentées, les parties de
rigidification peuvent être de différentes formes et peuvent
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être notamment formées par des zones de surépaisseur de la
tôle.
Il est possible d'assembler successivement plusieurs
tôles munies de parties de rigidification 74. Ainsi, pour les
tôles munies uniquement de parties de rigidification 74 au
niveau de leur bord avant, une première tôle est assemblée au
niveau d'un chevauchement entre son bord arrière et le bord
avant d'une deuxième tôle, le bord arrière de cette deuxième
tôle étant lui-même assemblé en chevauchement avec le bord
avant d'une troisième tôle et ainsi de suite.
De telles tôles munies de parties 74 de rigidification
peuvent être utilisées pour recouvrir des ossatures de caisse
de véhicule ferroviaire.
La figure 7 illustre schématiquement une caisse 81 de
véhicule ferroviaire qui comprend essentiellement un châssis
82, un toit ou pavillon 83 et deux parois latérales 84.
Comme illustré plus particulièrement par la figure 8,
le pavillon 83 comprend une ossature de support 840 comprenant
des poutrelles transversales arquées 85, qui sont
régulièrement disposées les unes à côté des autres sur toute
la 7-ongueur de la caisse 81, et sur lesquelles un habillage
extérieur 86 est fixé.
Cet habillage 86 comprend des tôles ondulées dont deux
sont représentées sur la figure 8. Ces deux tôles 87 et 88
sont soudées le long d'une zone de chevauchement 89 orientée
longitudinalement par rapport à la caisse 81, c'est-à-dire
orthogonalement au plan des figures 7 et 8. Les tôles 87 et 88
ont été soudées grâce à des parties 74 prévues sur la tôle 88
dans chaque intervalle séparant des poutrelles 85. Ces parties
de rigidification ont permis, comme précédemment, le soudage
des tôles 87 et 88 dans des zones où elles sont en porte-à-
faux.
De telles tôles munies de partie de rigidification
peuvent également être utilisées pour constituer le châssis 2.
