Brevet FR2625124A1 — publié le 19890630

La présente invention concerne le soudage par faisceau laser d'une manière générale et plus particulièrement un procédé et un dispositif pour souder une pluâalité de pièces les unes aux autres en utilisant des faisceaux laser. Il est déjà connu d'utiliser un faisceau laser pour souder ensemble une pluralité de pièces. Pour effectuer. un tel soudage par faisceau laser on dirige un faisceau laser sur la région de l'interface entre les pièces devant être liées l'une à l'autre au 'moyen d'un joint soudé, et on effectue un mouvement relatif, le long de l'interface, entre le faisceau laser et l'ensemble des pièces. Habituellement l'intensité du faisceau laser est suffisante pour que ce faisceau laser puisse pénétrer à travers la totalité de l'interface entre les pièces, afin d'obtenir un cordon de soudure s'étendant d'une face de l'ensemble des pièces à l'autre face. Cette façon de faire s'est révélée à l'expérience présenter plusieurs inconvénients. En premier lieu, puisqu'il est désirable que le joint soudé présente une largeur étroite par rapport à l'épaisseur des pièces en cours de jonction, afin de réduire au minimum la consommation d'énergie, et puisque le rapport entre la largeur du cordon de soudure et l'épaisseur demeure, d'une manière générale, approximativement constant, avec une épaisseur croissante *des pièces, et supérieur à environ 5:1, la quantité de matériau de base des pièces qui doit être chauffée et portée à la température de fusion de ce matériau ou à une température supérieure peut être excessive, en particulier lorsque l'épaisseur des pièces est grande. En outre la qualité du cordon de racine, dans des soudages épais, est tout à fait médiocre, ce qui se traduit par une qualité réduite du joint soudé dans son ensemble. En outre, à cause de l'existence de contraintes thermiques entre 2625 1 24 les deux faces en regard des pièces pendant l'exécution de l'opération de soudage par faisceau laser, par suite de l'application d'un seul et même côté, du faisceau laser à l'ensemble des pièces, un certain gauchissement, !peut apparaître dans les pièces en cours de jonction, ce qui se traduit par une réduction de la qualité de l'ensemble des pièces soudées et/ou des exigences d'un usinage notable après soudage. On a également proposé, en particulier dans les cas o des pièces ayant une épaisseur appréciable peuvent être soudées ensemble, de souder l'ensemble des pièces à partir d'un premier côté, pendant une première passe de soudage initiale, et d'achever ensuite le joint soudé en soudant l'ensemble des pièces, déjà partiellement soudées, à partir de l'autre côté, pendant une seconde passe de soudage. Alors que cette approche se traduit par une réduction notable ou une élimination totale du problème de la médiocre qualité du cordon de racine du joint, elle transfère simplement ce problème à une zone plus profonde dans le joint soudé. Il en est ainsi parce que le faisceau laser subséquent ne transporte pas une quantité d'énergie suffisante pour pouvoir pénétrer à travers les pièces jusqu'à l'autre côté de l'ensemble si bien que ce faisceau laser subséquent forme une soudure "aveugle" qui se traduit d'une manière caractéristique par des conditions de plasma aggravées et la production de vides, bulles ou d'une autre porosité similaire du joint soudé à la racine de la pénétration de la seconde passe. Egalement au moins le faisceau laser utilisé pendant la seconde passe de soudage doit transporter une quantité d'énergie suffisante pour pouvoir pénétrer dans la portion de' la racine de la région soudée qui a été formée pendant la passe initiale, afin de produire une zone de fusion effective entre les régions séparées du joint soudé. Ceci se traduit non seulement par une consommation d'énergie accrue par rapport à la consommation minimale théorique mais encore aggrave les problèmes précités de formation de plasma et d'évacuation dans l'atmosphère engendrée par une opération dans un trou borgne et se traduisant par une porosité du joint soudé. Par conséquent un but général de la présente invention est d'éviter les inconvénients de la technique antérieure. Plus particulièrement un but de l'invention est de fournir un procédé de soudage par faisceau laser qui ne présente pas les inconvénients des procédés connus de ce type. Un autre but de l'invention est de développer le procédé du type dont il est présentement question, afin de réduire la consommation d'énergie et d'améliorer la qualité du joint soudé, comparativement à ce que l'on obtient lorsqu'on utilise les procédés de soudage par faisceau laser connus jusqu'à présent. Un but parallèle de la présente invention est de concevoir un dispositif de soudage par faisceau laser qui convient particulièrement pour la mise en oeuvre du procédé précité. Un autre but de l'invention est de concevoir un dispositif de soudage par faisceau laser du type précité de façon qu'il soit d'une construction relativement simple, peu onéreux à fabriquer, facile à utiliser et cependant fiable en fonctionnement. En accord avec ces buts ainsi que d'autres qui apparaitront plus clairement par la suite, une caractéristique de la présente invention réside dans un procédé de soudage par faisceau laser caractérisé en ce qu'il comprendra les étapes consistant à mettre en position, les unes contre les autres, une pluralité de pièces devant être soudées de manière à former un ensemble présentant au moins une interface entre les pièces, à diriger simultanément deux faisceaux laser à partir des côtés opposés de l'ensemble sur des régions de soudage effectives des pièces qui rejoignent à l'interface et qui sont sensiblement alignées l'une avec l'autre en travers de l'interface, et à effectuer un mouvement relatif entre l'ensemble des pièces et les deux faisceaux laser, le long de l'interface, tout en maintenant sensiblement l'alignement des régions de soudage effectives Suivant un autre aspect de la présente invention celle- ci a pour objet un dispositif pour l'exécution d'une opération de soudage par faisceau laser caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour maintenir, les unes contre les autres, une pluralité de pièces devant être soudées de manière à former un ensemble présentant au moins une interface entre les pièces, des moyens pour diriger simultanément deux faisceaux laser à partir des côtés opposés de l'ensemble de pièces sur des régions de soudage effectives des pièces qui rejoignent à l'interface et qui sont sensiblement alignées l'une avec l'autre en travers de l'interface, et des moyens pour effectuer un mouvement relatif entre l'ensemble des pièces et les deux faisceaux laser, le long de l'interface, tout en maintenant sensiblement l'alignement des régions de soudage effectives. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif., une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en élévation d'une forme d'exécution,. donnée à titre d'exemple, d'un dispositif de 2625 1 24 soudage par faisceau laser suivant l'invention et d'un ensemble de pièces en train d'être soudées au moyen du dispositif de soudage par faisceau laser. Les figures 2a et 2b sont respectivement une vue en coupe et une photographie d'un joint soudé obtenu par soudage au moyen d'un faisceau laser au cours d'une seule passe et à partir d'un côté de l'ensemble des pièces, suivant une pratique de la technique antérieure. Les figures 3a et 3b sont respectivement une vue en coupe et une photographie semblables à celles des figures 2a et 2b mais montrant un joint soudé obtenu lorsqu'on utilise le procédé suivant l'invention. Si on se réfère maintenant d'une manière détaillée au dessin et en premier lieu à la figure 1 on peut voir que la référence 10 a été utilisée pour identifier un dispositif de soudage par faisceau laser suivant l'invention. Le dispositif de soudage par faisceau laser 10 comporte une source de faisceau laser 11 représentée schématiquement, qui est de n'importe quelle construction connue et qui peut comporter un laser et une optique de faisceau laser. La source de faisceau laser 11 émet un faisceau laser 12 qui est dirigé sur un séparateur de faisceau 13. La source de faisceau laser 11, le séparateur de faisceau 13 et d'autres composants du dispositif de soudage par faisceau laser 10 sont représentés comme étant montés fixes ou supportés d'une manière mobile sur un support fixe 14. Le séparateur de faisceau 13 comporte deux surfaces réfléchissantes 15 et 16 qui sont représentées comme formant entre elles un angle de 800. Cet angle n'est toutefois pas critique et en outre d'autres techniques de séparation d'un faisceau pourraient être utilisées à la place, Chacune de ces surfaces réfléchissantes 15 et 16 réfléchit une portion du faisceau laser 12 dans une direction différente, comme il est indiqué par les rayons respectifs 17,18,19.et 20, qui représentent les rayons lumineux du faisceau laser 12 et des portions 21 et 22 du faisceau laser en lesquelles le séparateur de faisceau 13 subdivise le faisceau laser original 12, mais ces rayons ne constituent pas nécessairement soit les rayons limites du faisceau laser original 12 soit ceux des portions de faisceau laser 21 ou 22. Chacune des portions de faisceau laser 21 et 22, après s'être déplacée d'une certaine distance dans la direction suivant laquelle elle a été réfléchie par le séparateur de faisceau 13, atteint un miroir respectif 23 ou 24 et elle est réfléchie par celui-ci. Chacun des miroirs 23 est 24 et représenté comme ayant respectivement une surface concave réfléchissante 25 ou 26 qui focalise la partie de la portion de faisceau séparée respective 21 ou 22 qui est située en aval du miroir respective 23 ou 24, en direction d'un point focal respectif. Cependant on comprendra que les surfaces réfléchissantes 25 et 26 pourraient être planes par exemple si, le faisceau laser 12 et les portions de faisceau séparées 21,22 étaient déjà convergentes, par exemple par suite de l'action de l'optique laser précitée de la source de faisceau laser 11. Ainsi qu il est représenté sur la figure 1 du dessin, les portions de faisceau laser séparées 21 et 22 sont dirigées, par les miroirs 23 et 24, vers un ensemble 27 de pièces 28 et 29 qui doivent être soudées ensemble et qui sont aboutées l'une contre.l'autre à l'endroit d'une interface 30, et les foyers des portions de faisceau laser séparées 21 et 22 sont représentés comme étant situés dans le plan de 7 2625 1 24 l'interface 30 et sensiblement dans les surfaces principales respectives 31,32,33 et 34 des pièces 28 et 29. On comprendra o aisément que, à cause de leur origine commune,;e portions de faisceau laser séparées 21 et 22 sont sensiblement alig.-ées l'une avec l'autre si bien qu'elles attaquent des régions de l'ensemble des pièces 27 qui sont sensiblement alignées.. l'une avec l'autre en travers de l'interface 30. Cependant ce principe d'un alignement mutuel des deux portions de faisceau laser qui sont projetées sur l'ensemble des pièces 27, à partir des côtés opposés de celui-ci, serait également applicable si, comme il est également visé par la présente invention, chacune de ces portions de faisceau laser provenait d'une source de faisceau laser différente. La figure 1 du dessin illustre également d'une manière simplifiée que les pièces 28 et 29 de l'ensemble des pièces 27 sont maintenues, dans leur position illustrée, par l'intermédiaire d'organes de maintien respectifs 35,36,37 et 38 qui, à leur tour, sont montés sur un chariot qui est identifié d'une manière générale par la référence 39. Les organes de maintien 35,36,37 et 38 sont représentés comme étant monté sur des organes de montage respectifs 40 et 41 du chariot 39, par exemple en vue de leur déplacement en direction les uns des autres et en sens opposé,- afin d'agir en tant que mâchoire de serrage. On comprendra cependant que la construction représentée du chariot 39 et de ses composants est donnée uniquement à titre d'exemple et que n'importe quelle autre construction pourrait être utilisée à la place. L'organe de montage 41 est représenté comme étant monté sur des parties en forme de rail du support fixe 14, de e manière à pouvoir se déplacer perpendiculairement par rapport au plan du dessin. Des tirants respectifs 42 et 43 qui sont situés à l'extérieur de la zone d'action des portions de faisceau laser 21 et 22, au moins pendant que la source 11 de faisceau laser est 'active, sont représentés comme reliant l'organe de montage 40 à l'organe de montage 41. Dan.s:la construction décrite à titre d'exemple du dispositif 10 de soudage par faisceau laser, l'organe de montage 41 porte, sur sa face inférieure, une crémaillère 44 et un pignon 45, en prise avec cette crémaillère 44 et entraîné par un moteur 46, provoque le déplacement du support 39 et de l'ensemble des pièces 27 monté sur ce support, par rapport au support fixe 14 et par conséquent par rapport aux portions 21 et 22 du faisceau laser, et ce dans la direction longitudinale de l'interface 30. Cependant on comprendra que, si on le désire, l'ensemble des pièces 27 pourrait être au contraire monté fixe sur le support 14 et ce serait alors l'ensemble de la source de faisceau laser 11, avec les miroirs 23 et 24 et/ou le séparateur de faisceau 13, qui serait mobile par rapport à l'ensemble des pièces 27. On peut voir, d'après l'explication précédente, que la présente invention fournit une nouvelle technique de soudage par faisceau laser qui utilise deux faisceaux laser directement opposés l'un à l'autre pour effectuer l'opération de soudage le long de l'interface entre les pièces. Les deux faisceaux (provenant d'une source unique ou de deux sources séparées) sont dirigés l'un vers l'autre à partir des côtés opposés de l'ensemble des pièces. L'orientation horizontale illustrée de l'interface entre les pièces est préférable mais ceci n'est pas essentiel pour des pièces ayant une épaisseur inférieure à 2,54cm. Comme il a été mentionné précédemment, l'emplacement du foyer de chaque faisceau est situé sur les surfaces incidentes des pièces. Une énergie et une possibilité 9 2625124 de focalisation suffisantes sont exigées pour chaque faisceau afin de fournir une intensité de puissance minimale d'environ x 105 W/cm2, de manière à pouvoir réaliser un soudage en "trou borgne". Dans des conditions dans lesquelles la pénétration d'un faisceau unique a lieu sur une profondeur égale à la moitié de l'épaisseur des pièces, les trous borgnes produits par les deux faisceaux se rejoignent au centre de l'ensemble des pièces, en formant ainsi à travers le matériau, en une passe de soudage unique, un cordon de soudure étroit et à rapport profondeur/largeur élevée. Cette dernière caractéristique de la présente invention apparaîtra maintenant plus clairement d'une comparaison des figures 2a et 2b d'une part et des figures 3a et 3b d'autre part. On peut voir sur la figure 2a qui est une représentation d'une zone soudée de deux pièces 48 et 49, qui peut être obtenue par une technique de soudage antérieure à une passe unique à partir d'un côté d'un ensemble de pièces 47, et qui correspond essentiellement à la photographie de la figure 2b, que les pièces 48 et 49 ont une épaisseur hi de, par exemple, 2,54cm et qu'un cordon de soudure 50 qui relie les pièces 48 et 49, a une largeur wl qui est de l'ordre d'environ un cinquième de la dimension hi, en obtenant ainsi un rapport hl:wl d'environ 5:1. Par ailleurs, comme il est représenté sur la figure 3a du dessin qui se trouve dans la même relation, vis à vis de la figure 3b, que la figure 2a par rapport à la figure 2b mais qui est une représentation d'une zone soudée obtenue conformément à l'invention, un joint soudé 51 reliant les pièces 28 et 29 de l'ensemble des pièces 27 a une largeur w2 qui est notablement plus petite, par rapport à une épaisseur h2 des pièces 28 et 29, que la largeur wl ne l'est par rapport à l'épaisseur hl. En fait le rapport h2:w2 est proche de 10:1. Il en est ainsi parce que, bien que le rapport 5:1 s'applique à chacune des zones soudées du joint soudé 51 qui est produite à partir de chaque côté de l'ensemble 27, chacune de ces zones s'étend pratiquement seulement sur la profondeur de h2/2. Cette caractéristique entraîne une réduction notable (sensiblement de 50%) de la quantité d'énergie consommée pour la production du joint de soudé 51 comparativement à celle. qui est utilisée pour la réalisation du joint soudé 50. L'expérience a montré que pour la production du joint soudé 50 des figures 2a et 2b dans un matériau ayant une épaisseur de 2,54 cm, il est nécessaire d'utiliser un faisceau laser ayant une puissance d'environ 19kW. Par contre, lorsque l'on produit le joint souduré 51 suivant la présente invention, ainsi qu'il est illustré sur les figures 3a et 3b, la quantité totale d'énergie du faisceau laser utilisée, qui a été répartie entre les deux portions de faisceau laser, s'élève seulement à 10kW. On peut voir, d'après l'explication ci-dessus, que la technique de soudage par faisceau laser proposée présente de nombreux avantages comparativement aux techniques utilisées jusqu'à présent. Par exemple le joint soudé et les cordons de soudure superficiels associés -sont. relativement étroits, ce qui se traduit, comme il a été mentionné précédemment, par une économie notable d'énergie. Par ailleurs il est possible d'accroître, en utilisant la même puissance du faisceau laser, la vitesse de soudage pour la même épaisseur de matériau ou bien d'augmenter l'épaisseur des pièces devant être soudées l'une à l'autre pour la même vitesse de soudage et la même puissance du faisceau laser. Comme il a déjà été évoqué précédemment, les problèmes de plasma sont réduits s'ils ne sont pas totalement éliminés. - il 2625124 Ceci peut être dû au fait que la puissance incidente sur un point unique est réduite comparativement à un soudage au moyen d'un faisceau laser unique et qu'il y a une pénétration totale de la région d'interface des pièces, ce qui se traduit par une augmentation de l'évacuation à l'atmosphère comparativement à la technique de soudage à deux passes successives qui a été mentionnée précédemment. Egalement une cause principale de la porosité du cordon de racine qui est rencontrée avec la technique de soudage à deux passes successives et qui est la pénétration en "trou borgne" a été éliminée. En outre, comparativement à la technique à deux passes successives l'exigence d'une surpénétration a été éliminée ce qui se traduit par une augmentation de la vitesse de soudage possible. La technique proposée par la présente invention se traduit également par des soudures à côtés sensiblement rectilignes et ceci se traduit par une distorsion thermique ou un gauchissement réduit de l'ensemble soudé. La distorsion ou le gauchissement thermique des pièces soudées ensemble est en outre réduit du fait que le processus de soudage et la charge thermique correspondante des pièces sont symétriques. En outre la technique de la présente invention se traduit également par des caractéristiques améliorées du cordon de soudure superficiel comparativement aux techniques suivant lesquelles on obtient un cordon de racine en utilisant la technique à passe de soudage unique. Il en est ainsi parce que des cordons superficiels sont formés des deux côtés de l'ensemble des pièces soudées. Enfin la perte de puissance à travers la racine du joint soudé qui apparaît lorsqu'on utilise la technique à passe de soudage unique, est totalement éliminée. REVENDICATIONS 1.- Procédé de soudage par faisceau laser caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant.à mettre en position, les unes contre les autres, une pluralité de pièces (28,29) devant être soudées de manière à former un ensemble (27) présentant au moins une interface (30) entre les pièces (28,29), à diriger simultanément deux faisceaux laser (21,22) à partir des côtés opposés de l'ensemble (27) sur des régions de soudage effectives des pièces (28,29) qui rejoignent l'interface (30) et qui sont sensiblement alignées l'une avec l'autre en travers de l'interface, et à effectuer un mouvement relatif entre l'ensemble des pièces (27) et les deux faisceaux laser (21,22), le long de l'interface (30), tout en maintenant sensiblement l'alignement des régions de soudage effectives. 2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de direction des deux faisceaux laser (21,22) consiste à prévoir les deux faisceaux laser (21,22) avec une quantité totale d'énergie au moins suffisante pour que les deux faisceaux laser (21,22) forment des bains de soudure fondue à l'endroit des régions de soudages effectives qui se rejoignent l'une l'autre dans l'interface (30). 3.- Procédé suivant la revendication 2 caractérisé en ce que chacun des faisceaux laser (21,22) transporte sensiblement la moitié de la quantité totale d'énergie si bien que les bains de soudure fondue se rejoignent l'un l'autre pratiquement au centre de l'interface. 4.- Procédé suivant la revendication 2 caractérisé en ce que chacun des faisceaux laser (21.,22) a une intensité de puissance d'au moins 5x105 W/cm2 à l'endroit des régions de soudage effectives. 13 2625124 5.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de mise en position consiste à lacer les pièces (28,29) dans des positions telles que linterface (30) s'étende sensiblement horizontalement et en ce quie l'étape de direction consiste à projeter les deux faisceaux.laser (21,22) sensiblement horizontalement en direction des régions de soudage effectives des pièces (28,29). 6.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de direction consiste à produire un- faisceau laser initial unique (12), à séparer ce faisceau laser initial (12) en deux faisceaux laser (21,22) et à amener chacun des deux faisceaux laser (21,22) à être transmis le long d'un trajet séparé qui est situé, au moins partiellement, d'un côté respectif de l'ensemble des pièces (27), et en direction des régions de soudage effectives respectives des pièces (28,29). 7.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de direction consiste à focaliser chacun des faisceaux laser (21,22) sur les régions de soudage effectives respectives. 8.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de direction consiste à diriger les deux faisceaux laser (21,22) l'un contre l'autre sensiblement le long d'une ligne commune qui est alignée avec l'interface (30). 9.Dispositif pour l'exécution d'une opération de soudage par faisceau laser caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (35-38) pour maintenir, les unes contre les autres, une pluralité de pièces (28,29) devant être soudées de manière à former un ensemble (27) présentant au moins une O interface (30) entre les pièces (28,29), des moyens pour diriger simultanément deux faisceaux laser (21,22) à partir des côtés opposés de l'ensemble de pièces (27) sur des régions de soudage effectives des pièces (28,29) qui rejoignent l'interface (30) et qui sont sensiblement alignées l'une avec l'autre en travers de l'interface, et des imoyens pour effectuer un mouvement relatif entre l'ensemble des pièces (27) et les deux faisceaux laser (21,22), le long de l'interface (30), tout en maintenant sensiblement l'alignement des régions de soudage effectives. 10.- Dispositif suivant la revendication 9 caractérisé en ce que les moyens de direction des deux faisceaux laser (21,22) comprennent des moyens pour donner aux deux faisceaux laser (21,22) une quantité totale d'énergie au moins suffisante pour que les deu.x faisceaux laser (21,22) forment des bains de soudure fondue à l'endroit des régions de soudages effectives qui se rejoignent l'une l'autre dans l'interface (30). 11.- Dispositif suivant la revendication 10 caractérisé en ce que lesdits moyens donnent à chacun des faisceaux laser (21,22) une énergie sensiblement égale à la moitié de la quantité totale d'énergie si bien que les bains de soudure fondue se rejoignent l'un l'autre pratiquement au centre de l'interface. 12.- Dispositif suivant la revendication 10 caractérisé en ce que chacun des faisceaux laser (21,22) a une intensité de puissance d'au moins 5xlO W/cm à l'endroit des régions de soudage effectives. 13.- Dispositif suivant la revendication 9 caractérisé en ce que les moyens de maintien assurent le maintien des pièces (28,29) dans des positions telles que l'interface (30) s'étende sensiblement horizontalement et en ce que les moyens de direction des faisceaux laser dirigent les deux faisceaux 2625 1 24 laser (21,22) sensiblement horizontalement en direction des régions de soudage effectives des pièces (28,29). 14.- Dispositif suivant la revendication 9 caractérisé en ce que les moyens de direction comportent des moyens pour produire un faisceau laser initial unique (12), des moyens pour séparer ce faisceau laser initial (12) en deux faisceaux laser (21,22) et pour amener chacun des deux faisceaux laser (21,22) à être transmis le long d'un trajet séparé qui est situé, au moins partiellement, d'un côté respectif de l'ensemble des pièces (27), et des moyens (23-26) pour dévier chacun des deux faisceaux laser (21,22) du côté respectif de l'ensemble des pièces (27), en direction des régions de soudage effectives respectives des pièces (28,29). 15.- Dispositif suivant la revendication 14 caractérisé en ce que les moyens de déviation pour chacun des deux faisceaux laser (21,22) comprennent au moins un miroir concave (23,24) qui focalise le faisceau respectif, parmi les deux faisceaux laser (21,22), vers et sur la région de soudage effective respective des pièces (28,29). 16.- Dispositif suivant la revendication 9 caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour focaliser chacun des faisceaux laser (21,22) sur les régions de soudage effectives respectives des pièces (28,29). 17.- Dispositif suivant la revendication 9 caractérisé en ce que les moyens de direction projettent les deux faisceaux laser (21,22) l'un contre l'autre sensiblement le long d'une ligne commune qui est alignée avec l'interface (30).