Brevet FR2547757A1 — publié le 19841228

Procédé et installation de soudage par point à faisceau laser L'invention concerne un procédé et une installation de soudage par point à faisceau laser. Un faisceau laser focalisé, de puissance convenable, fournit une puissance spécifique élevée que l'on met à profit dans le travail des métaux en général et dans le soudage en particulier o elle permet d'obtenir des pénétrations importantes. O 10 Un intérêt important des faisceaux laser réside dans leur faculté de se propager dans l'air sur des distances importantes sans déperditions notables et ainsi de pouvoir alimenter en temps partagé plusieurs postes de travail ou de soudage dispersés dans un atelier. 15 C'est ainsi qu'un faisceau laser peut être utilisé à profit pour réaliser successivement sur une pièce importante des soudures localisées espacées les unes des autres, comme c'est le cas de soudures ponctuelles réalisées sur une carrosserie automobile en vue de réaliser des liaisons élémentaires sur tôles superposées. Ces types de soudures sont généralement réalisées par le procédé connu de soudage par résistance et selon deux techniques principales: La première consiste à disposer, en regard 25 de chaque point de soudure à réaliser, un ensemble de soudage complet comportant une pince et son support, des câbles de forte section, un transformateur de puissance, son alimentation et son contrôle La machine à souder comporte ainsi autant d'équipements de soudage que de points à-réaliser Une seconde-technique consiste à mettre en oeuvre un ou plusieurs robots équipés chacun d'un ensemble de soudage 1; chaque robot réalisant successivement une partie des points de l'assemblage. Les robots doivent alors déplacer la masse non négligeable de l'outil de soudage dans des temps les 10 plus brefs possibles, et à la limite de la sollicitation mécanique des éléments mobiles. L'emploi d'un faisceau laser permet de résoudre le problème de la distribution de l'énergie depuis une source unique, produisant un faisceau laser parallèle, jusqu'aux différents dispositifs de focalisation qui sont disposés au droit de chaque soudure à réaliser et qui sont nécessaires pour obtenir un faisceau laser focalisé de puissance suffisante pour aboutir à l'effet de pénétration indispensable pour souder deux 20 tôles superposées O On peut ainsi envisager (voir figure 1) , un ensemble de miroirs escamotables alignés 1 qui réfléchissent successivement le faisceau laser 2 issu du générateur 3 vers chacun des dispositifs de focalisation 4, 5, 6 en 25 évitant ainsi les déplacements mécaniques importants et compliqués décrits ci-dessus dans le cas de l'emploi d'un robot O Par ailleurs, on sait que pour obtenir une fusion de section suffisante 71 sur les pièces à souder 7, 30 il est nécessaire d'appliquer au point de focalisation 21, situé sur la surface supérieure des pièces, un déplacement de préférence circulaire En effet, un point de fusion obtenu sans un tel déplacement a un diamètre insuffisant et la multiplication de telles soudures fines 35 n'est ni techniquement ni économiquement intéressant. Cela implique d'équiper chaque tête de soudage d'un système motorisé 4, 51, 61 commandant la rotation du point de focalisation 21, ou plus généralement son déplacement, par action sur l'élément même, lentille ou miroir concave, prévu dans les dispositifs 4, 5, 6. Cette nécessité se traduit par la mise en oeuvre d'autant de systèmes de rotation ou de déplacement et de leurs contrôles qu'il y a de soudures à réaliser, ces systèmes devant en outre fonctionner en relation avec la commande du faisceau proprement dite. On obtient ainsi un ensemble d'une certaine complexité de conception et de réalisation, du fait même de l'encombrement de chacun de ces dispositifs. La présente invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet un procédé de soudage par point à faisceau laser, comportant un générateur de faisceaux laser et au moins un moyen recevant le faisceau laser et le focalisant sur les pièces à souder, procédé caractérisé en ce que l'on entraîne en déplacement le faisceau laser issu du générateur 20 et on amène ce faisceau laser mobile sur un moyen de focalisation statique réalisé-de manière telle que, compte tenu du déplacement du faisceau, le point de focalisation se déplace sur les pièces à souder. Suivant une autre caractéristique de l'in25 vention, on entraîne en déplacement le faisceau laser issu du générateur parallèlement à son axe. Suivant une autre caractéristique de l'invention, on entraîne le faisceau laser en rotation. Suivant une autre caractéristique de l'in30 vention, on entraîne le faisceau laser en déplacement dans un plan. L'i 7 nvention concerne également l'installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention est représentée à titre d'exemples 35 non limitatifs sur les dessins ci-joints, dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique de l'installation de soudage de type connu, la figure 2 est une vue latérale schématique d'une installation conforme à l'invention, la figure 3 est une vueen perspective schématique montrant un mode de réalisation du dispositif assurant le déplacement du faisceau laser suivant un mouvement de rotation circulaireo la figure 4 est une vue en perspective d'une installation à miroir à facettes, la figure 5 est une vue en élévation du miroir de la figure 4, la figure 6 est une vue en coupe suivant X-X de la figure 5, la figure 7 est une vue latérale repré15 sentant le moyen de focalisation réalisé sous la forme d'une lentille à facettes, la figure 8 est une vue en coupe d'une soudure par point réalisée par la mise en oeuvre de l'invention, la figure 9 est une vue de dessus de la figure 8, la figure 10 est une vue en élévationd'un autre mode de réalisation d'une soudure par point, la figure 11 est une vue en perspective 25 d'un autre mode de réalisation du miroir de focalisation, la figure 12 est une vue en perspective d'un autre mode de réalisation de la lentille de focalisation, la figure 13 représente en perspective 30 un miroir de focalisation réalisé sous la forme d'une bande à facettes. La présente invention a en conséquence pour but la réalisation d'une installation de soudage par point à faisceau laser qui permet d'obtenir des points de sou35 dure de surface et donc de solidité acceptable, en mettant en oeuvre une tête statique de focalisation du faisceau. Cette tête de focalisation statique, donc sans élément mobile en fonctionnement, présente en outre l'avantage d'être de construction et de montage simples ainsi que d'un faible encombrement. Ce résultat est obtenu par le déplacement du point de focalisation du faisceau sur la pièce, ce déplacement du point de focalisation résultant lui-même du déplacement du faisceau laser venant frapper le moyen de focalisation statiqueo Ce moyen de focalisation pourra être constitué soit par des lentilles, soit par des miroirs adaptés en forme et dimensions à la dimension et au mouvement du faisceau laser incident et à la position du point de focalisation désiréo En outre, la nature du matériau entrant dans la construction de ces moyens de focalisation sera déterminée en fonction de la puissance du faisceau laser mis en oeuvre. La figure 2 représente une installation de soudage par faisceau laser, destinée à réaliser successivement plusieurs points de soudure circulaire 20 entre deux tôles 8 et 9 o Dans ce cas, le générateur de faisceaux laser 10 produit un faisceau 11 qui est amené dans un dispositif 12 entrainant ce faisceau laser en rotation parallèlement autour d'un axe 13 o En alignement sur cet axe 13, sont disposés plusieurs miroirs plans 15, 16 et 17 qui peuvent soit être écartés de l'axe 13 soit être placés suivant cet axe afin de réfléchir le faisceau tournant 14 vers le dispositif de focalisation correspondant 151, 161, 171. 30 Ces dispositifs de focalisation qui reçoivent le faisceau laser 18 réfléchi par les miroirs , 16 ou 17 et qui tourne autour de l'axe 19, assurent la focalisation de ce faisceau 18 en un point 20 situé sur la face supérieure des pièces superposées 8, 9, ce 35 point 20 effectuant sur ces pièces une trajectoire circulaire fonction de la trajectoire circulaire du faisceau incident 18 Le faisceau laser focalisé sur les pièces a alors pour effet d'assurer, progressivement au cours de sa rotation, la fusion des pièces dans leur zone de contact et, donc, leur soudage suivant un point dont le diamètre correspond sensiblement à celui du cercle délimité par la trajectoire circulaire du point de focalisation 20. On comprend que la réalisation de ce moyen de focalisation uniquement à l'aide d'éléments statiques, 10 permettra de simplifier sa construction et son montage et, notamment, de réduire son encombrement ce qui est hautement souhaitable afin de permettre, d'une part le rapprochement des points de soudure et donc le renforcement de l'assemblage ainsi que de libérer le maximum de place 15 pour les outillages de positionnement et de serrage des deux pièces à assembler. Dans l'exemple de la figure 2, le dispositif 12 assure la rotation du faisceau laser parallèlement autour de l'axe 13 o Dans un autre mode de réalisation, on pourra cependant envisager d'entraîner ce faisceau laser issu du dispositif 12 en pivotement autour de l'axe 13 afin qu'il décrive une trajectoire circulaire ou toute autre trajectoire adaptée au résultat à obtenir. Suivant la figure 3, on a représenté un 25 exemple de réalisation du dispositif 12 qui assure le déplacement du faisceau laser en translation circulaire. Dans ce cas, le faisceau 11 issu du gqénérateur 10 est réfléchi successivement par deux miroirs plans 21 et 22 qui sont entrainés en pivotement respec30 tivement autour d'axes perpendiculaires 211 et 221 o Ce pivotement est obtenu à partir d'un moteur électrique 23 qui entraîne deux engrenages 24 et 25 reliés chacun par une transmission mécanique 241 et 251 aux miroirs 21 et 22 Ce pivotement combiné des deux miroirs 21 et 22 dans deux directions perpendiculaires permettra alors d'obtenir le déplacement par translation du faisceau émergeant 14 autour de l'axe 13, cet axe 13 constituant un axe de révolution pour le faisceau 14 dans la mesure o l'amplitude et la vitesse des mouvements de pivotement 5 des miroirs,21 et 22 sont identiques et dans la mesure o ces mouvements oscillants de ces miroirs sont déphasés de 90 o Tout autre déplacement du faisceau laser pourra cependant être obtenu en modifiant l'amplitude, la vitesse et la phase de ces deux mouvements. Dans l'exemple de réalisation de la figure 4, on a représenté un exemple de réalisation à miroirs des dispositifs de focalisation 151, 161 et 171 o Dans ce cas, le faisceau laser tournant 14 issu du dispositif 12 est amené sur un premier miroir plan 26 qui le réfléchit sur 15 un second miroir 27 constitué de plusieurs secteurs adjacents 271 délimitant chacun un miroir concave propre à réfléchir et à focaliser chacun le faisceau laser en des points voisins déterminant ensemble une trajectoire circulaire, ces points étant situés sur un plan de focalisa20 tion 28 constitué par la face supérieure des pièces à souder Ainsi, au cours d'une rotation du faisceau 14 autour de l'axe 13, le faisceau 14 réfléchi par le miroir plan 26 est amené successivement sur les secteurs concaves 271 qui focalisent successivement le faisceau sur le plan 25 de focalisation 28 en des points voisins les uns des autres de façon que l'ensemble des fusions ponctuelles réalisées à hauteur des points de Localisation 281 forment ensemble un point de soudure 29 des deux pièces (voir figure 8), ce point de soudure étant d'une surface telle 30 qu'il assure un assemblage solide des deux pièceso Dans l'exemple de réalisation des figures 4, 5 et 6 la mise en oeuvre du miroir 27 permettra donc d'obtenir des fusions ponctuelles des pièces à assembler, est représenté en 30 sur la figure 9, Cependant, dans la mesure o le miroir 27, qui présente des secteurs adjacents concaves 271, est remplacé par un miroir dont la face réfléchissante délimite une surface de révolution, ou sensiblement de révolution selon l'angle d'incidence du faisceau, dans ce cas on obtiendra un déplacement continu du point de focalisation du faisceau sur les pièces de façon à obtenir une ligne de fusion continue et, par exemple, circulaire sur ces deux pièces, cette fusion 10 assurant également par conduction thermique cumulée la fusion et le soudage des deux pièces suivant une surface 31 correspondant sensiblement à la surface délimitée par la trajectoire du point de focalisation. Un exemple d'un tel miroir est représenté 15 en 32 sur la figure 11, la surface réfléchissante 321 de ce miroir étant constituée par une surface concave torique assurant la focalisation du faisceau laser suivant une trajectoire circulaire 331 située sur le plan de focalisation 33 Le moyen de focalidation statique mis en oeuvre suivant l'invention pourra également être réalisé à l'aide d'une lentille, Ainsi, suivant l'exemple de la figure 7, le moyen de focalisation est constitué par une lentille 34 25 dont la face supérieure 341 qui reçoit le faisceau laser incident mobile 14, est convexe, alors que la face inférieure 342, d'o émerge le faisceau laser focalisé, est constitutepar des facettes adjacentes délimitant ensemble une pyramide, la surface plane convexe ou concave de 30 ces facettes étant adaptée à focaliser successivement le faisceau laser en des points adjacents délimitant ensemble une trajectoire circulaire Bien entendu, cette lentille de focalisation pourra être conçue de façon à réaliser une ligne de fusion 35 continue sur le plan de focalisation et, dans ce cas, cette lentille sera par exemple constituée (voir figure' 12) par une lentille 36 dont la face supérieure 361 est convexe et dont la face inférieure 362 délimite une surface de révolution, par exemple une surface conique à génératrice droite ou courbe (concave ou convexe). Si l'on désire obtenir à l'aide du procédé conforme àl'invention non pas une soudure par point mais, au contraire, une ligne de soudure, dans ce cas, le faisceau laser issu du générateur sera déplacé par balayage suivant un plan afin de venir frapper un premier 10 miroir plan 37 (voir figure 13) Ce balayage sera obtenu soit par translation du faisceau 38, soit au contraire par pivotement Le faisceau réfléchi par le miroir 37 est alors amené sur un miroir 39 dont la surface réfléchissante présente des facettes adjacentes par exemple de forme concave, adaptées à réfléchir le faisceau laser en des points de focalisation voisins ou adjacents 40 sur le plan de focalisationo REVENDICATIONS 1 ) Procédé de soudage par point à faisceau laser, comportant un générateur de faisceaux laser ( 10) et au moins un moyen recevant le faisceau laser et le focalisant sur les pièces à souder, procédé caractérisé en ce que l'on entraîne en déplacement le faisceau laser ( 11) issu du générateur ( 10) et on amène ce faisceau laser mobile ( 14, 18) sur un moyen de focalisation statique ( 151, 161, 171) réalisé de manière telle que, 10 compte tenu du déplacement du faisceau, le point de focalisation se déplace sur les pièces à souder. 2 ) Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'on entraine en déplacement le faisceau laser ( 11) issu du générateur ( 10) parallèlement 15 à son axe ( 13). 3 ) Procédé conforme a l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on entraîne le faisceau laser en rotation. 4 ) Procédé conforme à l'une quelconque 20 des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on entraîne le faisceau laser en déplacement dans un plan. ) L'installation pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une quelconque des revendications 25 précédentes. 6 ) Installation conforme à la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen de focalisation comprenant au moins une lentille ( 34, 36). 7 ) Installation conforme à la revendica30 tion 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen de focalisation comprenant au moins un miroir. 8 ) Installation conforme aux revendications 6 et 7, caractérisée en ce que l'une des faces de la lentille ou la face réfléchissante du miroir 35 délimite une surface de révolution, 9 ) Installation conforme à l'une quelconque il des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'une des faces de la lentille ou la face réfléchissante du miroir présente des secteurs adjacents propres à focaliser le faisceau en des points adjacents sur les.5 pièceso