Brevet FR2679476A1 — publié le 19930129

PROCEDE D'ASSEMBLAGE DE PIECES EN CERAMIQUE PAR SOUDURE AU FAISCEAU LASER DESCRIPTION DOMAINE DE L'INVENTION L'invention se rapporte, de manière générale, à L'assembLage de pièces en céramique par faisceau Laser et, en particuLier, aux pièces en cramique du type oxyde et au Laser C02. De nombreuses applications sont prévues. On décrira nkanmoins la mise en oeuvre possibLe du procédé pour te soudage de deux pièces cylindriques, telles que des tubes ou des conduites. ART ANTERIEUR ET PROBLEME POSE L'utiLisation du faisceau Laser pour l'assemblage des pièces céramiques est connu et s'avère être un procède d'une grande efficacité. En effet, Les céramiques du type oxyde ont une absorption à ta longueur d'onde de 10,6 'tm du Laser C02 qui est presque égaye à 100 %. Il s'ensuit de fortes pXnEtrations obtenues avec de faibles densités de puissance. Néanmoins, cette interaction entraîne inévitabLement un chauffage des deux pièces à souder. Une fusion peut rapidement s'ensuivre, de même que des fissures peuvent apparaître, causes par te choc thermique ainsi engendré. Le but de L'invention est d'éviter cet inconvénient, c'est-å-dire de ne pas fragiliser les pièces en céramique à souder. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, un premier objet principal de L'invention est un procdé d'assembLage de deux pièces en céramique par soudage au faisceau Laser au C02. Selon L'invention, il consiste à préchauffer et chauffer les deux pièces en céramique, pour minimiser L'effet du choc thermique créé par le faisceau laser et éviter la création de fissures néfastes. Dans le cas ou les ceramiques sont du type oxyde silico-alumineux, les pièces étant des cylindres à souder bout à bout, Le préchauffage a lieu pendant quelques minutes pour arriver à une température finale comprise entre 800 et 1 0000 C. Dans le cas ou la céramique est du type à alumine, les pièces étant des cylindres à souder bout à bout, le préchauffage a lieu pendant quelques minutes pour arriver à la température finale comprise entre 1 400 et 1 6000 C. De préférence, lors de la mise au point, le chauffage s'effectue sur plusieurs couples de pièces, en faisant varier d'un couple à l'autre, au moins un des deux paramètres que sont Le temps et la température. Il est intéressant de procéder, après chaque soudure, à un contrôle électrostatique de la soudure des deux pièces de chacun des coup Les, ce qui permet, par corrélation, de vérifier L'état mécanique de la soudure. Selon un aspect de L'invention, ce contrôle s'effectue avec un microscope électronique à balayage, employé comme sonde de mesure pour examiner la charge électrostatique de la soudure. Dans ce cas, les différentes phases du contrôle sont les suivantes - après chaque soudure, charger négativement et localement la soudure, à L'aide du microscope électronique à balayage, à plusieurs tensions élevées - observer pour chaque tension, la zone irradiée à L'aide du microscope électronique à balayage utilisé à une tension faible, pour fonctionner en mode "miroir", en relevant une ligne équipotentielle qui est de forme approximativement circulaire ; - reLever le rayon R de chaque ligne équipotentielLe successive ; - traceur, pour chaque soudure, la courbe des points de mesure, telle que 1/R = f(Un) ; - arrêter le chauffage, lorsque la pente de La courbe est à son minimum. Le deuxième objet principal de L'invention est un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé précédent, Les pièces étant des tubes à souder bout à bout. Il comprend - une tige support entraînée en rotation par - un motoréducteur ; - un ressort de compression coaxial à la tige support pour maintenir et serrer les deux tubes à souder ; - deux réflecteurs halogènes latéraux pour apporter l'énergie de chauffage. LISTE DES FIGURES L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante accompagnée de plusieurs figures décrivant respectivement : - figure 1, une courbe du chauffage appliqué selon L'invention à des tubes silico-alumineux ; - figure 2, une courbe du chauffage appliqué selon L'invention à tubes en alumine ; - figure 3, un schéma d'une mise en oeuvre du procédé selon L'invention ; - figure 4, plusieurs courbes reLatives au contrôle dans le procédé selon L'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE DEUX REALISATIONS DE L'INVENTION Ces exemples de réalisation décrits mettent en oeuvre des pièces en céramique du type oxyde. De telles céramiques absorbent pratiquement à 100 % La puissance transmise par faisceaux lasers au C02 dont la longueur d'onde est de 10,6 gm. Le rendement de la soudure est donc pratiquement maximal. En effet, de profondes pénétrations sont obtenues dans l'épaisseur des céramiques. Cependant, la fragilité intrinsèque de ce type de céramique favorise, lors de chocs thermiques importants, comme c'est le cas avec un laser au C02, la formation des fissures. Selon L'invention, on se propose de supprimer le choc thermique, en préchauffant les deux pièces à assembler par soudage et en continuant à les chauffer pendant la soudure. La figure 1 montre une courbe de température de chauffage en fonction du temps pour deux tubes silico-alumineux à souder bout à bout l'un à l'autre. Pour ce type de matériau, la température de soudage T1 est de L'ordre de 9000C, ou comprise entre 800 et 1 0000 C. Pour atteindre cette température T1, une période de préchauffage P1 de quelques minutes est nécessaire, environ 2 min. La soudure au moyen du faisceau laser peut alors avoir lieu pendant la deuxième période P2. Dans le cas de tubes silico-alumineux, c'est-à-dire des céramiques contenant environ 60 % d'alumine (au203) et ayant un diamètre de 8 mm, iL est possible de souder à une vitesse de 15 cm/min. Le faisceau laser peut être réglé avec une distance focale de 250 mm environ. Une défocalisation de quelques dizaines de millimètres (environ 30 mm) est alors appliquée. Dans ces conditions, la période de soudage P2 est du même ordre de grandeur que La période de préchauffage P1 (environ 2 min). Une troisième période P3 d'après chauffage peut alors avoir lieu par un simple refroidissement progressif étalé sur plusieurs minutes. La courbe de la figure 2 est une courbe analogue à celle de la figure 1 et montre les trois phases du soudage dans le cas de tubes en alumine, de diamètre égal à 8 mm. La température de chauffage T2 est ici de L'ordre de 1 5000C, ou comprise entre 1 400 et 1 6000C. De même, la puissance du faisceau laser doit être supérieure (de L'ordre de 240 W). Dans ces conditions, avec un faisceau laser réglé à une distance focale de L'ordre de 250 mm, et sans défocalisation, il est ainsi possible de souder deux tubes bout à bout à une vitesse égale à 25 cm/min. La période de préchauffage P1 est alors un peu plus importante que la même période pour les tubes silico-alumineux (5 min). Par contre, le temps de soudage, compte tenu de la vitesse plus rapide de soudage, est plus courte (environ 1 min). La troisième période de refroidissement P3 est de L'ordre de quelques minutes et peut atteindre 15 min. De manière générale, les temps et les températures de chauffage doivent être adaptés à La dimension et aux maté ri aux des pièces à souder. Il est ainsi préférable de procéder au soudage aux températures respectives T1 et T2 pendant plusieurs phases successives et de procéder entre chaque phase de chauffage à un contrôle de L'état mécanique de La soudure. Il est également intéressant de faire varier les températures maxima les T1 et T2 et de contrôler L'état mécanique des soudures après leur exécution à des températures maxima les différentes. Les paramètres du cycle de chauffage peuvent ainsi être optimisés en fonction des pièces à souder. Selon L'invention, pour le contrôle de la soudure de ces pièces en céramique, on utilise une relation qui existe entre les propriétés mécaniques et les propriétés électriques de ce type de pièces. En effet, sur ces pièces en céramique, on utilise le fait que la fracture mécanique et le claquage électrique ont la même origine physique et la même explication thermodynamique. De plus, il est possible d'utiliser le facteur d'intensité de contrainte Klc. appelé également tenacité, qui est en quelque sorte la résistance à la fissuration du matériau. La connaissance de ce facteur d'intensité de contrainte renseigne sur la capacité de tenir en tension électrique d'un matériau du type isolant, tel que la céramique dont sont faites les pièces à souder dans le procédé selon L'invention. Inversement, une mesure électrostatique de la pièce, ou de la soudure, permet d'évaluer la qualité du cordon de soudure. Une caractéristique du contrôle selon L'invention consiste donc à utiliser cette relation. A cet effet, on utilise de préférence un microscope électronique à balayage pour mesurer la charge électrique du cordon de soudure des deux pièces en céramique. Les différentes phases de ce contrôle sont les suivantes - après la soudure d'un couple de pièces, charger négativement et localement le cordon de soudure, à L'aide du microscope électronique à balayage, a plusieurs tensions élevées Un, de L'ordre de 30 à 50 kV d'une soudure à l'autre, la position de la soudure sous le microscope électronique ne doit pas changer, c'est-à-dire que la colonne optique du microscope doit rester alignée lors du changement de tension. La plupart des appareils standards de ce type répondent à cette exigence et sont utilisables pour ce type de mesures - pour chaque tension différente Un, observer, La zone ainsi irradiée à L'aide du microscope électronique qui est alors utilisé, a une tension faible (de L'ordre de 0,01 kV). . Le microscope fonctionne alors en mode "miroir". Il est ainsi possible de relever sur te cordon de soudure une ligne équipot-entielle, ot le faisceau d'électrons de faible énergie est réfléchi, dont La forme est approximativement circulaire ; - relever les rayons R des différentes lignes équipotentielles ainsi relevées ; - tracer la courbe qui met en relation les rayons R mesurés avec les tensions de charge Un et faire la corrélation avec la caractéristique mécanique de la zone mesurée ; - tracer pour chaque soudure la courbe des points de mesure correspondant à 1/R = f(Un). En traçant, après chaque soudure et pour des températures ou des durées de chauffage différentes, la courbe sus-mentionnée on obtient plusieurs courbes que L'on a représentées sur le graphique de ta figure 4. En effet, les différentes courbes A, B, C et D représentent chacune une série de mesures faites après te soudage de plusieurs couples de deux pièces avec chauffage. La pente de chaque courbe est en rapport avec la constante diélectrique statique de la zone mesurée, par rapport à la charge totale implantée dans la céramique. On en conclut que l'optimum du chauffage est obtenu lorsque la pente de La courbe est la plus faible, ceci pour obtenir une résistance mécanique maximale. Dans le cas de la figure 4, L'optimum est donc celui de La courbe C. En conséquence, le cycle de chauffage devra être légèrement écourté par rapport à la durée totale de chauffage représentée par la courbe D, pour correspondre à La pente minima le de la courbe qui doit se trouver voisine de celle de La courbe D. En référence à la figure 3, une mise en oeuvre du procédé pour Le soudage des tubes est la suivante. Une tige 1 est montée sur L'arbre de sortie d'un motoréducteur 3 et est entraînée par ce dernier en rotation autour d'un axe 2. Deux tubes en céramique 4 à souder entre eux sont montés sur cette tige support 1 de manière à être mis bout à bout dans le but de Les souder. Un faisceau laser 5 est positionné perpendiculairement à l'axe 2 de manière à balayer la ligne circulaire de jonction des deux pièces 4 sur une faible Largeur. Le faisceau laser 5 représenté sur cette figure 3 correspond à celui utilisé pour les céramiques du type oxyde silico-alumineux, c'est-à-dire avec une légère défocalisation. Un ressort 6 est avantageusement utilisé pour maintenir serrées L'une contre L'autre Les deux pièces 4 à souder. Ce ressort 6 peut être du type coaxial et être monté autour de La tige support 1. Le préchauffage et ' le chauffage selon L'invention sont apportés grâce à au moins deux réflecteurs latéraux 7 pour dispenser une puissance de 1 000 W à proximité des deux pièces 4, en regard de leur jonction. Il est avantageux d'utiliser à cet effet des lampes halogène à puissance focalisée. Le motoréducteur peut entra;ner en rotation le montage à la vitesse déterminée. Il est ainsi possible sur le plan industriel d'effectuer la mesure et le contrôle de manière optimisée sur des soudures de pièces en céramique en faisant varier les paramètres du cycle de chauffage. REVENDICATIONS 1. Procédé d'assemblage de deux pièces en céramique (4) par soudure au faisceau laser (5) à C02, caractérisé en ce qu'il consiste à préchauffer et à chauffer les deux pièces (4) pour minimiser L'effet du choc thermique créé par Le faisceau laser (5) et éviter la création de fissures néfastes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, les deux pièces étant en céramique du type oxyde, silico-alumineux, et étant des cylindres (4) à souder bout à bout, la température de chauffage (T1) est comprise entre 800 et 1 0000C. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces étant en céramique du type oxyde à alumine et des cylindres (4) à souder bout à bout, la température de chauffage (T2) est comprise entre 1 400 et 1 600 C. 4. Procédé selon L'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste, lors de la mise au point, sur différents couples de pièces à procéder à une phase de chauffage en faisant varier d'un couple à L'autre au moins un des deux paramètres que sont le temps et la température. 5. Procédé selon La revendication 4, caractérisé en ce qu'iL consiste, lors de la mise au point, à contrôler électrostatiquement la soudure des deux pièces (4) de chacun des couples, ce qui permet par corrélation de vérifier L'état mécanique de la soudure. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il consiste à employer comme sonde de mesure un microscope électronique à balayage pour examiner la charge électrostatique de la soudure en procédant selon les étapes suivantes : - après chaque soudure, charger négativement et localement, la soudure à L'aide du microscope électronique à balayage à plusieurs tensions élevées n) i - pour chaque tension (Un), observer la zone irradiée à L'aide du microscope électronique à balayage utilisé à une tension faible pour fonctionner en mode du type "miroir", en relevant une ligne équipotentielle de forme approximativement circulaire ; - relever Les rayons (R) des différentes lignes équipotentielles obtenues ; - pour chaque soudure, tracer la courbe des points de mesure 1/R = f(Un) ; - arrêter le chauffage, Lorsque la pente de la courbe est à son minimum. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon L'une quelconque des revendications précédentes, les pièces étant des tubes (4) à souder bout à bout, comprenant - une tige support (1) entraSnée en rotation par : - un motoréducteur (3) ; - un ressort de compression (6) coaxial à la tige support (1) pour maintenir et serrer les deux tubes (4) à souder ; - deux réflecteurs halogènes latéraux (7) pour apporter L'énergie de chauffage.