Brevet FR2656556A1 — publié le 19910705

PROCEDE DE SOUDAGE DE PIECES PAR LASER La présente invention concerne un procédé de soudage de pièces. Elle concerne plus particulièrement un procédé de soudage au laser de pièces constituées en un métal identique ou différent appelé "métal de base" avec amenée d'un "métal d'apport. Cette technique de soudage laser s'applique dans les domaines requérant une soudure très délicate entre pièces de petites dimensions ou présentant des parties fragiles telles que, par exemple, l'électronique, la bijouterie ou analogue. Une soudure laser, sans apport de métal, pourrait être effectuée. Toutefois, elle requerrait le chauffage des deux pièces, ce qui n'est pas toujours possible car les coefficients de réflexion de la lumière des métaux, constituant les pièces à souder, sont souvent différents, cela pouvant rendre impossible l'obtention d'une soudure présentant de bonnes qualités mécaniques. Pour résoudre ce problème, il a été proposé de réaliser une soudure laser avec métal d'apport. Toutefois, lors de la fusion du métal d'apport mal adapté aux caractéristiques des métaux de base, il se produit une rétraction de la goutte de métal liquide alors que le métal de base est encore solide. La liaison obtenue sera également de mauvaise qualité. Un des buts de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de soudage laser de pièces métalliques avec utilisation d'un métal d'apport pour obtenir une liaison de bonne qualité métallurgique, mécanique et électrique car cette liaison se produit entre le métal d'apport et les métaux de base en fusion. A cet effet, l'invention propose un procédé de soudage au laser de pièces constituées par des métaux identiques ou différents appelés "métal de base" et consistant à amener un métal d'apport au voisinage de l'emplacement du soudage entre les deux pièces. Ce procédé se caractérise en ce que le métal d'apport a un point de fusion plus élevé que le point de fusion du "métal de base" des pièces à souder, ou une conductibilité thermique ou un coefficient de réflexion élevé par rapport à ceux des métaux de base. Par "métal de base" ou "métal d'apport", on entend des métaux purs tel que cuivre, argent, or, fer ou analogue, ainsi que des alliages tels que par exemple bronze, laiton, acier ou analogue. Selon une autre caractéristique de l'invention, le métal d'apport doit présenter au moins l'une des propriétés ci-dessus ou plusieurs de ces propriétés. En effet, selon l'invention le faisceau laser est avantageusement dirigé et focalisé sur le métal d'apport, la chaleur est transmise vers le métal de base provoquant ainsi la fusion de ce métal de base pendant la fusion du métal d'apport. Ainsi, dès la fusion du métal d'apport, la goutte de métal liquide reste en contact avec le métal de base, ce liquide provoquant ainsi une liaison liquide/liquide. Une telle liaison après solidification présente une grande qualité mécanique, thermodynamique ainsi qu'électrique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le métal d'apport présente un coefficient de réflexion de la lumière élevée et avantageusement un effet de seuil dans l'interaction laser-matière. Cet effet de seuil correspond à un abaissement brutal du coefficient de réflexion de la lumière à une température donnée, généralement voisine de la température de fusion du métal, comme illustré à la figure 5. Ainsi, le rendement du faisceau laser sera augmenté dès que la température du métal d'apport sera supérieure à l'effet de seuil, améliorant ainsi la qualité de la liaison liquide/liquide. Le type de laser n'est pas critique. Le faisceau laser peut être appliqué en une seule impulsion ou une succession d'impulsions avec des durées variables et déterminées. Le procédé de l'invention peut s'appliquer à tout type de métaux de base, le métal d'apport étant choisi en fonction du métal de base et en respectant les caractéristiques données ci-dessus. A titre d'exemple, on peut citer le brasage laser du laiton avec comme métal d'apport de l'argent ou du cuivre. L'invention sera mieux illustrée par les exemples donnés ci-dessous uniquement à titre indicatif et fait en référence aux figures annexées dans lesquelles - la figure 1 est une représentation schématique de principe d'un dispositif permettant d'émettre un faisceau laser; - les figures 2a, 2b sont des représentations schématiques de soudage par point d'un fil sur une pièce de base; - les figures 3a, 3b sont des représentations schématiques de soudage par point d'une plaque sur une pièce de base; - la figure 4 est un schéma de principe de soudage par ligne d'une membrane sur une pièce de base, et - la figure 5 est un diagramme représentant les variations du coefficient de réflexion d'un matériau en fonction de la température. En se référant à la figure 1, on décrira à titre d'exemple uniquement un dispositif permettant d'émettre un faisceau laser permettant de mettre en oeuvre le procédé de soudage de l'invention. Ce laser comprend une source laser 1 pulsée à solide dopé Néodyme ou Alexandrite comprenant un barreau laser 2, une source d'excitation 23, un diaphragme 3 et un miroir 4. Cette source laser peut être un laser YAG (Yttrium-Aluminium-Garnet) dopé neodyme, ou un laser Verre dopé néodyme. Le faisceau laser 5 traverse un miroir 6 et un système de focalisation 7 avant d'être dirigé vers la cible au moyen d'un miroir de renvoi 8 et d'un système de visée 9. Le faisceau 5 traverse une optique de focalisation 10 pour le focaliser sur la cible qui est constituée par le métal d'apport dans le cadre du procédé de l'invention. Ce système a été décrit uniquement pour son principe. En effet, tout système laser ayant une longueur d'onde convenable pour chauffer le métal d'apport peut être utilisé dans le procédé de l'invention. En se référant maintenant aux figures 2a, 2b, on décrira le procédé de l'invention appliqué au soudage d'un fil 11 de nickel/chrome sur un métal de base 12 en bronze. Selon l'invention, on utilise un métal d'apport 13, du cuivre dans l'exemple illustré, présentant un coefficient de conductibilité thermique plus élevé que le métal de base ou le fil nickel-chrome. Le faisceau laser 5 est focalisé sur le métal d'apport 13 qui fond et transmet rapidement la chaleur au fil 11 et à la pièce 12. Ainsi, les 3 pièces fondent simultanément permettant une liaison liquide qui forme un point de soudure 13a illustré å la figure 2b présentant de très bonnes caractéristiques tant du point de vue mécanique qu'électrique. En effet, comme la liaison a été réalisée par un mélange de liquides, il y a eu formation après refroidissement d'une solution solide entre les différents éléments constituant le métal d'apport, le métal de base et le fil. Selon le procédé de l'invention, et comme illustré aux figures 3a, 3b, il est possible de souder une plaque 14, par exemple une plaque en bronze/béryllium sur une plaque de base 15, par exemple en laiton, en déposant un métal d'apport en forme de cylindre 16 dans un orifice 17 de la plaque à souder 14. Après application du faisceau laser sous forme d'impulsion de quelques millisecondes (5ms), le métal d'apport fond et par sa conductibilité thermique transmet de la chaleur au métal de base 15 et à la plaque 14 à souder pour former un point de soudure 18 de très bonne qualité. De façon identique, on peut utiliser une ligne de soudure, comme illustré à la figure 4, en disposant un ruban ou fil de métal 19 sur une plaque 20 à souder sur un métal de base 21. Dans l'exemple illustré, le métal d'apport est un ruban d'argent, la plaque à souder étant une membrane de bronze tandis que le métal de base est une plaque en laiton. La soudure est réalisée par application et focalisation du faisceau laser sur une multitude de points alignés 22 du ruban 19 pour former ainsi une ligne de soudure. Comme les exemples ci-dessus le montrent, le métal d'apport peut se présenter sous différentes formes telles que par exemple, billes, fil de section et dimensions quelconques, pièce de forme quelconque découpée dans une plaque comme un ruban. Le tableau I rassemble des exemples de métaux d'apport en indiquant certaines de leurs caractéristiques physiques. TABLEAU I Métaux Conducti- Température Coefficient d'apport bilité de fusion de thermique réflexion cal/s.cm. C C à 1,064pm Argent 1,02 961,93 96,4 Cuivre 0,96 1083 90,1 Or 0,71 à 0,74 1064,43 97 Aluminium 0,56 660,37 73,3 Molybdène 0,32 2623 58,2 Platine 0,17 1772 72,9 Tantale 0,13 3020 78,5 Nickel 0,22 1455 74 Au-Ag-Cu 850-910 94 Le tableau Il rassemble également des exemples de métaux ou alliage brasés (métaux de base) et un exemple de métal d'apport convenable selon le procédé de l'invention. TABLEAU Il Métaux ou Conducti- Température exemple de alliages de bilité fusion métal base thermique d'apport cal/s.cm. C 0C Acier inox 0,036 1460-1480 Ni Bronze UE9P 0,1 à 0,15 1015 Au-Cu-Ag Laiton UZ39 0,28-0,29 890 Au-Cu-Ag Nickel 0,22 1455 Cu AS12 0,4 575-625 Al NiCr (80-20) 0,4 1425 Cu Ces exemples ne sont donnés qu'à titre indicatif et pour illustrer l'invention. Ils n'ont aucun caractère limitatif. REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage au laser de pièces (11,12 ou 14,15 ou 20,21) constituées par des métaux identiques ou différents appelés "métal de base" consistant à amener au voisinage de l'emplacement de soudage entre les deux pièces, un métal d'apport (13, 16 ou 19), caractérisé en ce que le métal d'apport a au moins une température de fusion plus élevée que celle du métal de base constituant les pièces à souder, avec une conductibilité thermique ou un coefficient de réflexion élevé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal d'apport (13, 16 ou 19) a un coefficient de conductibilité thermique plus élevé que ceux des métaux de base à souder. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le métal d'apport (13, 16 ou 19) a un coefficient de réflexion de la lumière élevé et présente un effet de seuil dans l'interaction laser-matière. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la lumière du laser est focalisée sur le métal d'apport (13, 16 ou 19). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la soudure est réalisée point par point. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une ligne de soudure. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérise en ce que le métal d'apport est sous forme de fil, billes, rubans.