Brevet FR2263064A1 — publié le 19751003

La présente invention concerne un procédé et un appareil pour le soudage au moyen d'un faisceau de laser. Les qualités spéciales de l'énergie des lasers ont fait que les lasers sont devenus un outil efficace pour le soudage. Ces qualités sont en particulier des quantités importantes d'énergie concentrée, des åimensions très faibles du spot focalisé et le degré fin auquel le faisceau rayonnant peut etre commandé en ce qui concerne le niveau de puissance, la durée et le positionnement. L'apparition des lasers de grande puissance a considérablement étendu l'utilité de lténergie de cette forme pour les applications industrielles. Cependant, dans le soudage avec un laser de grande puissance un nuage de vapeur de métal ionisé se forme au voisinage de la zone de la soudure. Apparemment, une quantité appréciable de métal est vaporisée au point d'interaction entre le faisceau du laser et la pièce travaillée. Cette vapeur est éjectée vers l'arrière dans le faisceau de laser arrivant et elle est ionisée par le faisceau. Ce nuage ionisé ou plasma stagnant absorbe une fraction appréciable de la radiation incidente du laser et par suite empeche une partie importante de la radiation d'atteindre la zone de soudage. Ce plasma stagnant doit etre supprimé ou inhibé pour permettre un soudage efficace à grande puissance Pour essayer d'augmenter le rendement du soudage, des chercheurs récents ont dirigé un jet de gaz inerte dans la zone de soudage pour éliminer par soufflage le nuage d'ionisation a mesure de sa formation. Ce perfectionnement, appelé le soudage au laser assisté par un gaz, est décrit par E. Loche, E.Hoag et R Hella dans Welding Journal Research Supplement, mai 1972, pages 245-s à 249-s. Avec les procédés antérieurs il a été trouvé que la soudure n'est pas uniforme et que sa pénétration est inférieure dans certains endroits sur la longueur de la soudure. De plus, la tete de soudure a été expulsée par soufflage par la pression du jet de gaz. Un autre problème apparu dans le soudage au laser est Le manque de commande de la soudure résultante et en conséquence l'absence de rareté La radiation du laser est émise en une série d'impulsions de courte durée, ce qui rend difficile la commande de la profondeur de pénétration, ce q|L qu; e traduit par des soudures de qualité irrégulière. La commande de la pénétration dc la soudure est particulièrement importante dans la fabrication des éléw ts micro électroniques. La présente invention concerne un procédé et un appareil pour le soudage au laser et plus particulièrement pour le soudage au laser assista par u: gaz. Conformément à l'ínvention, la zone de soudage est er.tourEe d'un milieu gazeux sous pression avec des conditions prédéterminées de pression et de composition. Au lieu que le nuage de vapeur métallique soit chasse pas soufflage comme dans le cas du procédé antérieur, une interaction entre le milieu gazeux et la vapeur de métal peut avoir lieu dans la zone de soudage. Il a été trouve que la pénétration et la porosité de la soudure résultante sont fonction de la pression et de la composition du gaz, et que par suite elles peuvent entre commandées par le procédé à assistance d'un gaz selon l'la- vention Il a été trouvé aussi que la commande est plus décisive et qu'un soudage plus stable a lieu quand le milieu gazeux est sous une pression élevée, c'est-à-dire une pression supérieure à environ 7 kg/cm Une façon d'établir une atmosphère gazeuse sous pression au voisinage de la zone de soudage consiste à placer la pièce dans une chambre sous pression.Bien que ce procédé convienne pour certaines applications, en particulier pour des applications nécessitant l'absence d'air, il présente des inconvénients pour une utilisation industrielle généralisée. Par suite un appareil d'une construction et d'un fonctionnement simples et pouvant confiner une atmosphère gazeuse sous pression au voisinage de la zone de soudage sera particulièrement avantageux. L'invention concerne ainsi un appareil pour confiner un milieu gazeux sous pression au voisinage de la zone de soudage en supprimant la nécessité de placer la pièce à souder dans une chambre sous pression. D:une façon générale, l'appareil comporte une chambre de pression relativement petite pouvant être amenée pour porter directement sur la matière à souder à 1'endroit du soudage. Le faisceau du laser est focalisé par une lentille et peut faire partie intégrante de la chambre sous pression, et il traverse ensuite cette chambre jusqu' la zone de soudage. Une caractéristique particulière de l'invention concerne un adaptateur pouvant être fixé à une tête de laser courante. L extrémitd de travail de l'adaptateur est évidée pour former une petite chambre de pression dans laquelle le gaz est envoyé à partir d'une source extérieure de gaz su pression. Le faisceau du laser traverse une ouverture centrale de l'adaptateur et il est focalisé sur la zone de soudage à travers une fenetre de transmission transparente à la fréquence particulière du laser utilisé. Un joint étanche aux gaz empeche la fuite de gaz à partir de la chambre sous pression. La présente invention a par suite pour objet un procédé pour commander la pénétration et la porosité des soudures obtenues avec un laser en entourant la zone de soudage d'un milieu gazeux dans des conditions de pression et de composition prédéterminées. L'invention a aussi pour objet un procédé pour commander la pénétration et la porosité des soudures formées au moyen d'un laser en entourant la zone de soudage d'un milieu gazeux sous une pression d'au moins 7 kglcm environ. L'invention a aussi pour objet un appareil pour le soudage au laser dans lequel un milieu gazeux sous pression peut être confiné au voisinage de la zone de soudage afin d'éviter la nécessité de placer la pièce travaillée dans une chambre sous pression. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particufièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels la figure I montre graphiquement la pénétration de la soudure en fonction de la pression du gaz selon l'invention, pour deux gaz différents, l'hélium et l'argon, la figure 2 représente schématiquement un appareil selon un mode de mise en oeuvre de l'invention dans lequel la lentille de focalisation est distincte de la chambre de pression, et la figure 3 représente schématiquement une partie d'un appareil selon l'invention dans lequel la lentille de fecalisatibn fait partie integrante de la chambre de pression. Comme il a été indiqué ci-dessus, l'invention concerne en particulier un procédé pour le soudage au laser par lequel la pénétration et la porosité sont commandées en maintenant la zone de soudage sous la pression d'un milieu gazeux, la pression étant d'au moins environ 7 kg/cm. Des gaz convenables sont ceux non réactifs dans les conditions de soudage par rapport e une satire soudée. Des gaz disponibles couramment pouvant être utilisés sont l'azote, l'oxygène, l'air, l'anhydride carbonique, les gaz inertes tels que lthélium, l'argon, le xénon et le krypton, ou des combinaisons des gaz ci-dessus. Corme la pénétration et la porosité de la soudure résultante sont fonction de la pression et de la composition du gaz, la pression et la composition du gaz sont préalablement choisies d'après la pénétration désirée pour la soudure A titre d'illustration de l'invention, des trous ont été formés dans 1es surfaces de pièces en or d'un diamètre de 12,5 mm et d'une trpais-e;r de 2154 mi en utilisant un laser à verre de néodyme fournissant de lténergie de 100 Ioules par impulsion de 8 millisecondes.L'essai a été effectué dans une chambre sous pression en utilisant de l'argon comme milieu gazeux sous des pressions variant d'environ 9 kglcm a environ 160 kglcm Le mEme essai a Ftheffectud en utilisant de l'hélium a la place d'argon. Les résultats Jont donnés par la figure 1 qui montre la pénétration de la soudure en fonction de la pression du gaz, pour les deux gaz ci-dessus. Les formes nettement di r férentes des deux courbes donnent un moyen pour régler la pénetration de ld soudure en réglant la pression du gaz au voisinage de la zone de soudage. Ainsi, en utilisant de l'argon la pénétration de la soudure varie de façon continue de O mm A la pénétration complète pour des pressions d'argon comprises dans la plage de 0 a 160 kg/cm. Par contre, en utilisant de l'hélium, la ptné- tration de la soudure est au plus de 0,5 nin quelle que soit la pression du gaz jusqu'à une pénétration complète pour une pression faible de l'hélium. Il a été trouvé que la commande est bien plus décisive et que le soudage résultant est plus stable quand la pression du gaz est au-dessus d'environ 7 kg!cm Bien que la pression nécessaire pour obtenir la pénétration désirée de la soudure varie avec le gaz particulier utilisé, les résultats donnés par la figure 1 montrent que la pénétration décroît quand la pression augmente. La vitesse de décroissance dépend des caractéristiques atomiques du gaz particulier utilisé. Il sera simple, en particulier avec l'appareil selon l'invention tel que -décrit ci-apres, de déterminer pour n'importe quelle application spécifique de soudage la pénétration de la soudure en fonction de la pression du gaz, pour différents gaz. L'opérateur peut ensuite choisir les conditions particulières de composition et de pression du gaz les plus convenables pour le travail a effectuer. N'importe quel milieu gazeux peut être utilisé avec le procédé selon l'invention. Bien entendu, on ne doit pas choisir un gaz réagissant dans les conditions de soudage avec la matière a souder. Cependant, la réac tivité chimique dépend de nombreux facteurs et, dans certains cas, tn#me 1 oxy- gène peut convenir. D'une façon générale, les gaz normalement non réactifs avec les métaux sont les plus convenables, par exemple l'anhydride carboni'#u?, l'azote et les gaz inertes du groupe 0. Parmi les gaz inertes, l'hélium et l'argon sont particulièrement préférés, en particulier pour les applications industrielles å grande échelle. Une caractéristique de l'invention concerne un appareil pour le soudage au laser évitant la nécessité de placer la totalité de la pièce b souder dans une chambre sous pression. Un appareil selon cette caractéristique de l'invention est représenté sur la figure 2. L'appareil de la figure 2 comporte une tete de laser 1 qui peut être n'importe quel laser connu. Des systèmes de lasers de grande puissance utiles pour le soudage sont se rubis le verre de Nd3# et le cristal de Nd3+ à yttrium et aluminium, et les lssev# de grande puissance ions d'argon et a C02.Typiquement, ces systèmes peuvent fournir des densités de puissance supérieures à lO ~/cl2 dans la zone de sou- dage. Actuellement2 les lasers en semiconducteurs et les lasers à liquide ont des puissances moyennes faibles, mais ces dispositifs sont actuellement étudiés et ils pourraient être intéressants pour les besoins limités d'usinage et de soudage. Un adaptateur 2 est fixé å la tête de laser et entoure la lentille de focalisation 3 et le faisceau de laser 4. Bien que l'adaptateur représenté ait une forme légèrement conique, l'invention n'est pas limitée à cette forme et d'autres formes peuvent être utilisées. L'extrémité de l'adaptateur est évidée pour former une chambre de pression 5 dans laquelle un milieu gazeux est envoyé a travers une canalisation 6 à partir d'une source de gaz sous pression 7. La chambre de pression 5 est appliquée sur la surface 10 de la pièce à souder et confine le milieu gazeux au voisinage de la zone de dage en permettant l'interaction entre le gaz et le nuage d'ionisation. les parois de la chambre sous pression sont composées de matières classiques pouvant supporter la pression désirée.Une fenêtre de transmission du faisceau de laser 8 constitue la partie supérieure de la chambre sous pression. Cette fenêtre de transmission doit être transparente pour le faisceau de laser de la fréquence particulière utilisée. Par exemple, la fenêtre de transmission peut être en saphir, en quartz, en verre ou en une matière correspondante, d'après la fréquence du laser. Un joint d'étanchéité 9, par exemple une bague torique d'étanchéité empêche les fuites å partir de la chambre sous pression. La figure 3 représente une variante de appareil de la figure 2 dans lequel la lentille de focalisation 12 constitue la partie supérieure de la chambre sous pression 13 pour supprimer la nécessite: d'une fenêtre séparé pour la transmission du faiaceau du laser. Pour l'utilisation, l'adaptateur 2 est appliqué avec presainn sur la surface 10 de la pièce devant être soudée, dans la zone de ovudSge li. Un milieu gazeux est envoyé dans la chambre sous pression 5 à partir d'une source extérieure de gaz sous pression 7 jusqu'à ce que la pression voulue soit atteinte. La composition et la pression du gaz sont prédéterminées d'après la pénétration désirée de la soudure, comme il a été indiqué ci-dessus. Le laser I est ensuite excité et le faisceau de laser 4 traverse l'ouverture centrale de l'adaptateur 2 et il est focalisé par la lentille 3 å travers la fenêtre de transmission 8 et la chambre sous pression 5 vers la zone de soudage 11. Suivant la variante de la figure 3, le faisceau du laser itst focalisé par la lentille 12 directement sur la zone de soudage 14. Différents perfectionnements peuvent être apportés à l'adap- tateur pour simplifier le fonctionnement. Par exemple, un détecteur de pression peut être établi dans la chambre sous pression pour déclencher autematiquealent le laser quand la pression désirée du gaz est atteinte dans la chambre. Ce détecteur de pression, conjointement avec une soupape automatique de la cana- lisation d'arrivée du gaz, et par exemple un conducteur en fibre optique pour la transmission du faisceau du laser peuvent permettre la construction d'un appareil de soudage par points à laser pouvant être tenu à la main pour i'utl- lisation sur une ligne de fabrication.L'opérateur peut simplement positionner l'appareil au-dessus de l'emplacement désiré pour le soudage, éventuellement avec un système de visée optique, et appliquer avec pression l'appareil de soudage contre la surface de la pièce à travailler. Le soudage peut alors être effectué automatiquement. Une autre amélioration peut comporter une canalisation de sortie du gaz pour la chambre de pression, ou bien une chambre secondaire autour du nez de l'appareil pour permettre la récupération du gaz rare et coûteux , tel que du xénon, du krypton, ou autre. Ni le mécanisme de 11interaction entre la vapeur ionisée ou plasma du métal et le milieu gazeux sous pression, ni le mécanisme relatif à l'effet du gaz sous pression sur la soudure résultante ne sont entièrement compris. Les interactions entre le plasma produit par un laser et les gaz basse pression de fond ont été étudiées (J.A. Stamper et al, 'Interaction of Laser Produced Plasmas with Background Gases" dans Laser Interaction and Related Plasma Phenomena, H. J. Schwarz, et H. Hora, Eus , Plenun Press, !i.Y., l97n, pages 273-288).Il a été trouvé par les chercheurs ci-dessus qu'un plasma produit par un laser a une pression initiale élevée et se détend dans un gaz de fond basse pression avec transfert de chaleur et de quantité de -ouvenent. Bien que l'invention ne soit liée à aucune hypothese, il peut être considzre qu'avec un gaz de fond haute pression une pression d'équilibre est atteinte plus rapidement en permettant ainsi une atmosphère de soudage plus stable et un soudage résultant plus stable. De même, il est possible que le milieu gazeux sous pression plus dense absorbe la chaleur et la quantité de mouvement plus rapidement a partir du nuage d'ionisation produit par le laser en inhibant ainsi la détente du nuage d'ionisation et son interférence avec le faisceau incident du laser. Les caractéristiques atomiques du gaz particulier utilisé peuvent être ainsi considérées comme influant sur l'interaction des plasmas et par suite il peut aussi être estimé que la composition du gaz ainsi eue sa pression influeront sur la soudure résultante. Le procédé et#l'appareil de soudage au laser décrit-s ci-dss peuvent être utilisés pour Imir des métaux de tous types. L'appareil selon l'invention permet le soudage par points au laser de trous borgnes, c'est-à- dire le soudage par points sur des parties accessibles seulement d'un côté, et par suite il peut être utilisé pour des fabrications ayant demandé jusqu'ici le rivetage. Un domaine convenant particulièrement est l'industrie pour la fabrication des aéronefs. Le procédé et l'appareil selon l'invention peuvent aussi être utilisés avantageusement pour boucher des trous dans des tubes sous pression et des cuves à vide. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative1 et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. R E V E N D I C A T I O N S R E V E N I) I C A T I 0 N S 1. Procédé pour le soudage au laser caractérisé par le maintien de la zone de soudage soits un milieu gazeux sous pression, la pression etai supérieure a environ 7 kg/cm; 2. Procédé selon la revendication 1 car#actérisé en ce que le milieii gazeux est choisi dans le groupe constitué par les gaz non réactifs avec la matière a souder dans les conditions de soudage. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le milieu gazeux est un gaz inerte choisi dans le groupe constitué par l'argon et l'hélium2 avec une pression comprise entre environ 7 et environ 160 kg/cm2. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la pression du milieu gazeux est choisie pour obtenir une soudure ayant la pénétration désirée. 5. Appareil pour le soudage au laser caractérisé par un premier dispositif formant une chambre pour confiner une atmosphère gazeuse sous une pression d'au moins 7 kg/cm sur la zone de soudage quand cette chambre est appliquée de façon étanche aux gaz sur la matière a souder, ce premier dispositif comportant un dispositif transmettant la radiati3n du laser et fermant une ex trémité de la chambre, et un second dispositif pour envoyer dans la chambre un milieu gazeux ayant une pression et une composition prédétermindes. 6. Appareil selon la revendication 5 caractérisé en ce que le dispositif transmettant la radiation~ du laser focalise cette radiation sur la matière à souder. 7. Appareil selon l'une des revendications 5 et 6 caractérise par un joint d'étanchéité entre le premier dispositif et la matière à souder. 8-. Appareil selon l'une des revendicatioris 5 à 7 caractérisé par un adaptateur pour fixer la chambre à un dispositif produisant la radiation du laser.