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WO 99/59763 PCT/FR99/01170
Installation de soudage laser de piêces en chevauchement
La présente invention concerne une installation de
soudage laser d'au moins deux pièces métalliques en
chevauchement comprenant une source laser, une tête de
focalisation, dans la zone de chevauchement, d'un faisceau
laser émis par la source, un mécanisme d'appui sur une
première des pièces destiné à coopérer avec des moyens de
retenue d'une autre pièce pour maintenir les piëces à souder
l'une contre l'autre au niveau de leur zone de chevauchement,
et des moyens de déplacement relatif de la tête par rapport à
la zone de chevauchement des pièces à souder.
L'invention s'applique en particulier au soudage par
transparence de tôles d'habillage extérieur de caisses de
véhicules ferroviaires en acier.
Le soudage laser par transparence permet de souder des
pièces métalliques, au niveau de leurs surfaces en regard dans
une zone de chevauchement.
Pour former une soudure entre ces surfaces en regard
dans cette zone où elles sont inaccessibles, le faisceau laser
incident sur l'une des pièces traverse complètement cette
pièce et vient fondre l'autre pièce. Le métal fondu se
solidifie après le passage du faisceau laser pour constituer
un cordon de soudure.
L'utilisation de cette technique 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 grandes longueurs sur
lesquelles elles doivent être soudées, ces longueurs pouvant
atteindre typiquement 30 m.
Afin de respecter cette contrainte de jeu on utilise,
dans d'autres domaines et pour des pièces de petites
dimensions, des vérins régulièrement espacés les uns des
autres et qui viennent serrer les deux pièces l'une contre
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l'autre, sur toute la longueur a souder de la zone de
chevauchement.
Cependant, cette solution serait particulière-
ment coûteuse pour souder des pièces sur des longueurs
relativement grandes du fait de la multiplication du nombre
des vérins.
L'invention a pour but de résoudre ce problème en
fournissant une installation de soudage laser de coût
réduit et permettant de souder par transparence des pièces
en chevauchement sur des longueurs relativement grandes.
La présente invention vise une installation de
soudage laser d'au moins deux pièces métalliques en
chevauchement comprenant une source laser, un tête de
focalisation, dans une zone de chevauchement, d'un faisceau
laser émis par la source laser, un mécanisme d'appui sur
une première des pièces destiné à coopérer avec des moyens
de retenue d'une autre des pièces pour maintenir les pièces
à souder l'une contre l'autre au niveau de leur zone de
chevauchement, et des moyens de déplacement relatif de la
tête de focalisation par rapport à la zone de chevauchement
des pièces à souder, caractérisée en ce que le mécanisme
d'appui est assujetti à un déplacement de la tête de
focalisation parallèlement à la zone de chevauchement des
pièces à souder, de manière à maintenir les pièces à souder
l'une contre l'autre localement au voisinage d'une région
d'incidence du faisceau laser dans la zone de
chevauchement, et en ce que le mêcanisme d'appui comprend
des moyens de roulement destinés à rouler sur la première
pièce et un élément, muni des moyens de roulement, pour les
appuyer sur la première pièce, et en ce que ledit élément
d'appui des moyens de roulement est libre en rotation
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autour d'un axe, les moyens de roulement s'orientant
automatiquement dans une direction de déplacement de la
tête de focalisation parallèlement à la zone de
chevauchement par rotation dudit élément d'appui des moyens
de roulement autour dudit axe.
De préférence, suivant des modes particuliers de
réalisation, l'installation peut comprendre l'une ou
plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément
ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles:
- le mëcanisme d'appui comporte des moyens
d'appui sur la première pièce dans une région située en
avant de la région d'incidence du faisceau laser, par
rapport au sens de déplacement de la région d'incidence
dans la zone de chevauchement des pièces à souder;
- le mécanisme d'appui comprend des moyens de
roulement destinés à rouler sur la première pièce;
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- l'installation comprend des moyens de déplacement
en translation relative entre la tête et le mécanisme
d'appui orthogonalement par rapport à la zone de
chevauchement des pièces à souder ;
- l'installation comprend une structure mobile
commune portant la tête et le mécanisme d'appui, cette
structure étant adaptée pour amener la tête dans une
position de soudage et pour exercer par l'intermédiaire du
mécanisme d'appui une force d'appui sur les pièces à souder
dans leur zone âe chevauchement ;
- le mécanisme comprend un tube dont une tranche est
équipée de moyens de roulement destinés à rouler sur la
première pièce ;
- l'installation comprend des moyens pour faire
tourner le tube autour de son axe pour orienter les moyens
de roulement dans une direction choisie de déplacement de la
tête parallèlement à la zone de chevauchement ;
- le tube est libre en rotation autour de son axe,
les moyens de roulement s'orientant automatiquement dans la
direction de déplacement de la tête parallèlement à la zone
de chevauchement par rotation du tube autour de son axe ;
- les moyens de roulement comprennent une bille
mobile en rotation par rapport au tube autour de l'axe de ce
dernier ;
- les moyens de roulement comprennent plusieurs
billes dont la rotation par rapport au tube autour de l'axe
de ce dernier es~ limitée.
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,
- ïa figure 2 est une vue schématique, agrandie et en
coupe prise suivan~ la ligne II-II de la figure 1,
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- 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 de deux tôles en chevauchement à souder entre
elles,
- 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,
- la figure 7 est une section schématique d'une caisse
de véhicule ferroviaire, 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
couplâge optique (en trait mixte),
- une source 20 de gaz inerte,
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- une buse 22 de projection de gaz inerte qui est
portée par la tê ~e 18 et qui est raccordée à la source 20 de
gaz inerte par des moyens 21 de raccordement (en trait mixte à
deux tirets),
5 - 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 ~2 et qui est disposé à un niveau inférieur à
celui du bâti 10.
La struc~ure 14 comprend deux tiges 28 et 30
sensiblement ort~ogonales entre elles, un chariot 32 et un
bïoc de montage 3~.
La tige 28, sensiblement horizontale, est montée sur
le bâti 10 de manière coulissante selon une direction
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
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 3~ 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.
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Comme illustré plus particulièrement par la figure 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 ce chemin 50. Une partie inférieure de la bille 50 est en
saillie vers le bas depuis la tranche 46.
La tranc~:e 46 du tube 44, et le chemin de roulement
48, sont inclinés par rapport à un plan transversal à l'axe X
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 localemen~ 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 oar la flèche D sur la figure 2, c'est-à-dire
orthogonalement a:: plan de la figure 1.
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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. Ains~, la bille 50 est disposée à droite de la
région 53 sur la ~igure 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
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 1' 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 ia 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.
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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,
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 robo~isé ou automatisé en utilisant une unité de
pilotage reliée aux différents moteurs et vérins.
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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
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 oc 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
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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
5 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 â souder le long d'une zone de chevauchement 6
10 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 âes cordons de soudure 66 à 69 sur deux
profilés 70 et 72 à section en U.
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,
été réalisés pas 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 1e socle 26.
Les tôles 4 et 5 sont tendues entre les proffilés 70 et
72. Les tôles 4 et 5 sont ainsi immobilisées l'une par rapport
â 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 parie 74 rigidifie le bord 65 de la tôle 5 vis-
à-vis de la flexion.
Les profv_ls 70 et 72 étant retenus par l'ossature
précitée, pour réa=iser un cordon de soudure 51 (en pointillé
sur la figure 5), on vient appuyer le mécanisme d'appui 24 de
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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 rig~.dification 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
être notamment formées par des zones de surépaisseur de la
tôle.
I1 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 longueur de la caisse 81, et sur lesquelles un habillage
extérieur 86 est fixé.
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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.
