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CA 02461994 2004-03-29
WO 03/031111 PCT/FR02/03380
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Procédé et dispositif de soudage par recouvrement à l'aide d'un faisceau
à haute densité d'énergie de deux tôles revêtues.
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de
soudage par recouvrement à l'aide d'un faisceau à haute densité d'énergie de
deux tôles revêtues d'un matériau ayant une température d'évaporation
inférieure à la température de fusion du matériau constituant lesdites tôles.
Dans diverses industries, notamment pour fabriquer des éléments
de carrosserie de véhicules automobiles ou encore des pièces pour les
appareils électroménagers, on utilise des tôles dites revêtues qui comprennent
une partie centrale métallique d'épaisseur par exemple comprise entre 0,5 et
3mm et revêtue sur chacune de ses faces d'une couche d'un matériau de
protection, comme par exemple d'alliages plus ou moins complexes de zinc ou
d'aluminium d'épaisseur inférieure à 25pm.
D'une manière générale, l'invention s'applique aux tôles revêtues de
tout matériau dont la température d'évaporation est inférieure à la
température
de fusion du matériau de base constituant les tôles.
Pour souder deux tôles nues c'est à dire ne comportant aucun
revêtement, il est connu d'effectuer un recouvrement partiel des deux tôles et
de déplacer le long de cette zone de recouvrement un faisceau à haute densité
d'énergie de façon à réaliser un cordon de soudure continu et étanche.
Dans le cas de soudage de deux tôles revêtues, par exemple de
deux tôles d'acier galvanisées ou électrozinguées, ce procédé de soudage par
faisceau à haute densité d'énergie présente un inconvénient majeur.
En effet, le métal peut atteindre ponctuellement au niveau de la
tache d'impact du faisceau à haute densité d'énergie, une température de
quelques milliers de degrés C qui est donc très supérieure au point de
vaporisation du matériau constituant le revêtement.
Ainsi, le matériau de revêtement situé entre les deux tôles dans la
zone de recouvrement est rapidement à l'état de vapeur et dégaze violemment
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par le seul chemin possible c'est à dire par le bain de métal fondu créé dans
lesdites tôles par le faisceau à haute densité d'énergie.
Or, une couche de matériau de revêtement d'épaisseur de 10pm
occupe un volume de quelques centimètres cubes une fois vaporisée et la
pression qui règne au niveau de l'interface dans la zone de recouvrement des
tôles revêtues peut atteindre quelques centaines de bars.
Etant donné que le point d'évaporation du matériau de revêtement
est inférieur au point de fusion du matériau de base constituant les deux
tôles,
de la vapeur de ce matériau de revêtement emprisonné entre ces deux tôles
perce la paroi du bain de métal fondu si bien que les expulsions sont
nombreuses et une grande partie du bain de métal fondu est expulsée sous la
forme de violentes projections.
Ce manque de métal liquide conduit donc à la formation de porosités
au niveau de la zone-d'assémblage.
Par ailleurs, des bulles de gaz peuvent être également piégées lors
de la solidification, ce qui entraîne la formation de défauts volumiques.
De ce fait, le cordon de soudure présente des porosités posant des
problèmes pour l'étanchéité au niveau de la zone de recouvrement des tôles
revêtues, ou pour la tenue mécanique des liaisons.
Plusieurs solutions ont été proposées pour éliminer les
inconvénients dus aux dégagements incontrôlés des vapeurs du matériau de
revêtement conduisant à un cordon de soudure de mauvaise qualité.
Une des solutions connues consiste à réaliser, avant le soudage, un
jeu entre les deux tôles à souder pour favoriser l'évacuation des vapeurs du
matériau de revêtement.
Mais, cette solution connue nécessite une opération supplémentaire
pour la réalisation du jeu et la reproductibilité de ce jeu par des
dispositifs
appropriés n'est pas garantie. De plus, le jeu ainsi créé joue un rôle néfaste
sur
la tenue en fatigue des assemblages.
. 30 Une solution connue consiste à utiliser en combinaison un faisceau
à haute densité d'énergie et une source de chaleur.
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La source de chaleur qui précède le faisceau à haute densité
d'énergie amène des modifications qui assurent les conditions de soudage
avec des paramètres classiques. Ainsi, il est connu d'associer un faisceau à
haute densité d'énergie avec une torche MIG. Mais l'inconvénient de ces
techniques hybrides réside dans une augmentation du coût important et une
réduction de la flexibilité du procédé.
Une autre solution connue consiste aussi à réaliser des microcanaux
au niveau de l'interface des deux tôles sur l'un des revêtements afin de
faciliter
l'évacuation du revêtement vaporisé lors du soudage. Ces micro-canaux
peuvent être constitués par des ondulations de la tôle ou encore par un micro
usinage préalable réalisé au moyen d'un faisceau laser.
Mais la formation d'ondulations sur l'une des tôles par un
préemboutissage ne permet pas une liaison continue et ne garantit donc pas
l'étanchéité du cordon de soudure et le préusinage à l'aide d'un faisceau
laser
est coûteux et difficile à réaliser.
L'invention a pour but d'éviter les inconvénients précédemment
mentionnés en proposant un procédé et un dispositif de soudage par
recouvrement à l'aide d'un faisceau à haute-iensité d'énergie de deux tôles
.,",.
revêtues qui permettent de supprimer les expulsions de vapeur du matériau de
revêtement et la formation de porosités au niveau de la soudure, tout en
permettant une tolérance de jeu avant soudage au droit du. joint, et sans
contrainte excessive de positionnement de ces tôles revêtues.
L'invention a donc pour objet un procédé de soudage par
recouvrement à l'aide d'un faisceau à haute densité d'énergie de deux tôles
revêtues d'un matériau ayant une température d'évaporation inférieure à la
température de fusion du matériau des tôles, caractérisé en ce que :
- on effectue un recouvrement au moins partiel des deux tôles
revêtues,
- on met en contact les faces des deux tôles sur la zone de
.
recouvrement,
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- on sépare le faisceau à haute densité d'énergie, d'une part, en un
premier sous-faisceau traversant les deux tôles revêtues dans la zone de
recouvrement et formant dans cette zone un premier bain de métal fondu et,
d'autre part, en un second sous-faisceau non traversant et formant un second
bain de métal fondu dont la profondeur est inférieure à l'épaisseur de la tôle
revêtue supérieure et chevauchant au moins une partie du premier bain de
métal fondu pour favoriser l'évacuation de la vapeur du matériau de
revêtement,
- on dirige sur le second bain de métal fondu un jet de gaz neutre à
haute vitesse d'éjection pour former à la surface dudit second bain de métal
fondu une cuvette accélérant l'évacuation de la vapeur du matériau de
revêtement, et
- on forme le long de la zone de recouvrement un cordon de soudure
continu et étanche par déplacement des deux sous-faisceaux et du jet de gaz
neutre ou des deux tôles revêtues.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention
- le point focal du premier sous-faisceau est situé à une distance de
plus ou moins 2mm de la face supérieure de la tôle revêtue supérieure,
- le point focal du premier sous-faisceau est situé dans la tôle
revêtue supérieure à une profondeur comprise entre la face supérieure de cette
tôle revêtue et environ le tiers de ladite tôle,
- le point focal du second sous-faisceau est situé au-dessus ou
en-dessous de la face supérieure de la tôle supérieure,
- la surface du second bain de métal fondu est supérieure à la
surface du premier bain de métal fondu,
- la surface de la cuvette est inférieure à la surface du second bain
de métal fondu,
- on module la densité de puissance de chaque sous-faisceau en
fonction de l'épaisseur des deux tôles revêtues dans la zone de recouvrement
a 30 et de l'épaisseur de la tôle revêtue supérieure.
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L'invention a également pour objet un dispositif de soudage par
recouvrement à l'aide d'un faisceau à haute densité d'énergie de deux tôles
revêtues d'un matériau ayant une température d'évaporation inférieure à la
température de fusion du matériau des tôles, caractérisé en ce qu'il comprend
5 - des moyens de séparation du faisceau à haute densité d'énergie,
d'une part, en un premier sous-faisceau traversant les deux tôles revêtues
dans la zone de recouvrement et formant dans cette zone un premier bain de
métal fondu et, d'autre part, en un second sous-faisceau non traversant et
formant un second bain de métal fondu dont la profondeur est inférieure à
l'épaisseur de la tôle revêtue supérieure et chevauchant au moins une partie
du premier bain de métal fondu pour favoriser l'évacuation de la vapeur du
matériau de revêtement,
- une buse de soufflage sur le second bain de métal fondu d'un jet
de gaz neutre à haute vitesse d'éjection pour former à la surface dudit second
bain de métal fondu une cuvette accélérant l'évacuation de la vapeur du
matériau de revêtement, et
- des moyens de déplacement en continu des deux sous-faisceaux
et de la buse ou des deux tôles revêtues.=
Selon d'autres caractéristiques de l'invention
- les moyens de séparation du faisceau à haute densité d'énergie
comprennent un miroir de focalisation à deux dioptres de focales différentes,
l'un desdits dioptres étant mobile pour régler la position des axes optiques
des
deux sous-faisceaux l'un par rapport à l'autre,
- la distance séparant les axes optiques des deux sous faisceaux est
comprise entre 3 et 5mm,
- le point de contact de l'axe du jet de gaz neutre sur la face
supérieure de la tôle revêtue supérieure correspond sensiblement au point
d'impact de l'axe optique du second sous-faisceau sur ladite face supérieure,
- le faisceau à haute densité d'énergie est un faisceau laser,
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- la distance séparant l'extrémité libre de la buse et le point de
contact du jet de gaz neutre sur la face supérieure dé la tôle revêtue
supérieure
est comprise entre 30 et 50mm,
- le débit de gaz neutre est compris entre 12 et 35 I/mn,
- la buse forme avec la face supérieure de la tôle revêtue supérieure
un angle compris entre 30 et 600.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au
cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et faite en
référence aux dessins annexés, sur lesquels
- la Fig. 1 est une vue schématique en perspective de deux tôles
revêtues destinées à être soudées par un dispositif de soudage conforme à
l'invention,
- la Fig. 2 est une vue schématique en coupe transversale du
dispositif de soudage conforme à l'invention,
- la Fig. 3 est une vue schématique de dessus montrant les bains de
métal fondu formés à la surface des tôles revêtues par le dispositif de
soudage
conforme à l'invention.
Le dispositif de soudage représenté schématiquement sur les
figures 1 et 2 et désigné dans son ensemble par la référence 10 est destiné au
soudage par recouvrement partiel ou total de deux tôles 1 et 2 revêtues d'un
matériau ayant une température d'évaporation inférieure à la température de
fusion du matériau des tôles.
De manière classique, la tôle 1 comporte une partie centrale 1 a
métallique et sur chacune de ses faces principales une couche 1 b et 1 c d'un
revêtement de zinc ou d'aluminium par exemple.
De même, la tôle 2 comporte une partie centrale 2a métallique
munie sur chacune de ses faces principales d'une couche 2b et 2c d'un
revêtement d'alliages plus ou moins complexes de zinc ou d'aluminium par
exemple.
36 Selon une variante, les tôles 1 et 2 peuvent comporter une couche
de revêtement sur une seule face.
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A titre d'exemple, chaque tôle revêtue 1 et 2 a une épaisseur totale
comprise entre 0,5 et 3mm et chaque couche de revêtement 1 b, 1 c et 2b, 2c
a une épaisseur inférieure à 25pm.
Sur les figures, l'épaisseur des tôles 1 et 2 a été volontairement
exagérée afin de faciliter la compréhension de la description.
Afin de réaliser un assemblage destiné par exemple à former des
éléments de carrosserie de véhicules automobiles ou encore des pièces pour
l'électroménager, les tôles 1 et 2 sont partiellement superposées, comme
représentées à la Fig. 1, sur une zone de recouvrement A de façon à amener
en contact au moins une partie du revêtement 1 c de la tôle 1 avec une partie
du revêtement 2b de la tôle 2 et cela sur toute la longueur desdites tôles 1
et 2.
Le jeu j entre les tôles peut être compris entre 0 et 0,3mm.
Avec un procédé de soudage classique, ce matériau de revêtement
présent initialement à I'interface des tôles 1 et 2 est rapidement à l'état de
vapeur lors du soudage des tôles 1 et 2 par un faisceau à haute densité
d'énergie et la vapeur dégaze violemment dans le bain fondu créé par le
faisceau à haute densité d'énergie si bien que les expulsions de vapeur sont
nombreuses ce qui crée des porosités dans le cordon de soudure et une liaison
de qualité médiocre.
Le dispositif de soudage de l'invention permet de souder des tôles
revêtues à l'aide d'un faisceau à haute densité d'énergie 11, comme par
exemple un faisceau laser de type C02 ou YAG, en évitant les éjections du
bain métallique fondu.
Pour cela et ainsi que représenté à la Fig. 2, le faisceau à haute
densité d'énergie 11 qui sera par la suite dénommé faisceau laser est divisé
en
un premier sous-faisceau 12 traversant et en un second faisceau 13 non
traversant, les deux sous-faisceaux 12 et 13 ayant une densité de puissance
différente au niveau supérieur de la tôle 1.
Le dispositif 10 comporte donc des moyens de séparation du
faisceau laser 11 qui sont constitués par exemple d'une tête bifocale 15
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équipée d'un miroir de focalisation à deux dioptres, respectivement 16 et 17,
de
focales différentes.
L'un des dioptres et notamment le dioptre 17 est mobile par rapport
au dioptre 16 pour positionner l'axe optique Xl du premier sous-faisceau 12
par rapport à l'axe optique X2 du second sous-faisceau 13 sur la face
supérieure de la tôle supérieure 1.
La puissance de chaque sous-faisceau 12 et 13 est modulée en
fonction de l'épaisseur des deux tôles revêtues 1 et 2 dans la zone de
recouvrement A et également en fonction de l'épaisseur de la tôle revêtue 1
supérieure.
Le point focal P1 du premier sous-faisceau 12 est, dans l'exemple
de réalisation représenté à la Fig. 2, situé dans la tôle revêtue 1 supérieure
à
une profondeur p1 sensiblement égale à un tiers de l'épaisseur e1 de ladite
tôle 1.
Selon une variante, le point focal P1 du premier sous-faisceau 12
peut également être situé, à une distance de plus ou moins 2mm'de la face
supérieure de la tôle revêtue 1 supérieure.
Le premier sous-faisceau 12 est destiné à relier les tôles revêtues 1
et 2 par un cordon de soudure 5 continu et étanche (Fig. 3) et à cet effet, ce
premier sous-faisceau 12 est un faisceau traversant qui forme sur toute la
hauteur des tôles revêtues 1 et 2 un bain de métal fondu 18 ayant7p en coupe
longitudinale, la forme d'un cône (Fig. 2) et, en coupe transversale, une
forme
elliptique (Fig. 3).
Le second sous-faisceau 13 est un faisceau non traversant et son
point focal P2 est situé au-dessus ou au-dessous de la face supérieure de la
tôle revêtue 1 supérieure. Ce second sous-faisceau 13 est déterminé pour
former un bain de métal fondu 19 ayant transversalement la forme d'une ellipse
dissymétrique (Fig. 3) et dont la profondeur p2 est inférieure à l'épaisseur
el
de la tôle revêtue 1 supérieure (Fig. 2).
3O Ainsi que représenté à la Fig. 3, la surface de second bain de métal
fondu 19 est supérieure à la surface du premier bain de métal fondu 18 et ce
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second bain de métal fondu 19 recouvre au moins une partie du premier bain
de métal fondu 18.
Dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures, le second
bain de métal fondu 19 recouvre complètement le premier bain de métal fondu
18.
Lors du soudage des deux tôles revêtues 1 et 2, il se forme au
niveau de l'interface de ces deux tôles de la vapeur du matériau de revêtement
étant donné que ce matériau à une température d'évaporation inférieure à la
température de fusion du matériau de la partie centrale 1 a et 2a desdites
tôles
et cette vapeur remonte à la surface des bains de métal fondu 18 et 19.
Du fait de l'augmentation de la surface des bains de métal fondu par
le second bain de métal fondu 19, la surface de dégazage pour la vapeur du
matériau de revêtement est ainsi augmentée sans augmenter la quantité de ce
matériau de revêtement vaporisé.
La distance dl séparant les axes optiques Xl et X2 des deux
sous-faisceaux 12 et 13 est comprise entre 3 et 5 mm.
Afin d'accélérer l'évacuation de la vapeur du matériau de revêtement
par le bain de métal fondu 19, le dispositif comprend une buse 20 de soufflage
sur le second bain de métal fondu 19 d'un jet dur 21 de gaz neutre, comme par
exemple de l'argon, de l'hélium, de l'azote ou un mélange de ces gaz.
Ce jet 21 de gaz neutre a une vitesse d'éjection importante et forme
à la surface de ce second bain de métal fondu 19 une cuvette 22 dont la
surface est inférieure à la surface du second bain de métal fondu 19 (Fig. 3).
Ainsi que représenté à la Fig. 2, le point de contact de l'axe X3 du jet
dur 21 de gaz neutre sur la face supérieure de la tôle revêtue 1 supérieure
correspond sensiblement au point d'impact de l'axe optique X2 du second
sous-faisceau 13.
Par ailleurs, la distance d2 séparant l'extrémité libre de la buse 20 et
le point de contact de l'axe X3 du jet dur 21 de gaz neutre sur la face
3O supérieure de la tôle revêtue 1 supérieure est comprise entre 30 et 50mm.
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Le débit de gaz neutre dans la buse 20 est compris entre 12 et 35
I/mn et cette buse 20 forme un angle compris entre 30 et 60 .
Le dispositif de soudage 10 comprend également des moyens, non
représentés, de déplacement selon la flèche f des moyens de séparation du.
5 faisceau laser 11 ainsi que de la buse 20 le long de la zone de recouvrement
A
pour réaliser le cordon de soudure 5 continu et étanche assurant l'assemblage
des deux tôles revêtues 1 et 2.
Selon une variante, les moyens de séparation du faisceau laser 11
et la buse 20 sont fixes et les deux tôles revêtues 1 et 2 se déplacent selon
la
10 flèche F.
La vitesse de soudage est comprise entre 1 et 5m/mn
Le jet 21 de gaz neutre permet d'agir sur la géométrie du second
bain de métal fondu 19 pour diminuer localement son épaisseur en réduisant la
profondeur de dégazage, sans perturber le soudage des deux tôles revêtues 1
et 2. Ce jet 21 a également pour effet d'exercer une contre pression sur le
bain
de métal fondu.
De manière classique un gaz neutre de protection ou de couverture
est soufflé au niveau de la zone de soudage.
Le procédé et le dispositif selon l'invention permettent un meilleur
dégazage du bain de métal fondu et de supprimer les expulsions de vapeur du
matériau de revêtement. De ce fait, les porosités au niveau du cordon de
soudure sont considérablement réduites si bien que la tenue à la fatigue de
l'assemblage soudé est améliorée.
La tolérance de positionnement des deux tôles revêtues est très
large et le procédé est utilisable sur des trajectoires complexes et ne
nécessite
pas de modifications au niveau de la conception des pièces assemblées, et
donc sur les opérations en amont et en aval à l'opération de soudage et
s'adapte sur tout équipement laser sans grande modification de l'installation.
Enfin, le procédé et le dispositif selon l'invention sont plus tolérants
vis à vis des compositions chimiques plus chargées en éléments gammagènes
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(telles que celles des aciers à haute résistance) qui nécessitent des vitesses
de
refroidissement plus faibles du bain fondu.
Dans l'ensemble de la description qui précède, les termes "premier
bain" et "second bain" ont été utilisés dans le but de faciliter la
compréhension.
En réalité, ces bains de métal fondu n'ont pas de séparation physique et ils
forment un seul et même bain.
