Brevet FR2778590A1 — publié le 19991119

La présente invention concerne une installation de soudage laser d'au moins deux pièces métalliques en chevauchement comprenant une source laser, une tête de focalisation, dans la zone de chevauchement, d'un faisceau laser émis par la source, un mécanisme d'appui sur une première des pièces destiné à coopérer avec des moyens de retenue d'une autre pièce pour maintenir les pièces à souder l'une contre l'autre au niveau de leur zone de chevauchement, et des moyens de déplacement relatif de la tête par rapport à la zone de chevauchement des pièces à souder. L'invention s'applique en particulier au soudage par transparence de tôles d'habillage extérieur de caisses de véhicules ferroviaires en acier. Le soudage laser par transparence permet de souder des pièces métalliques, au niveau de leurs surfaces en regard dans une zone de chevauchement. Pour former une soudure entre ces surfaces en regard dans cette zone o elles sont inaccessibles, le faisceau laser incident sur l'une des pièces traverse complètement cette pièce et vient fondre l'autre pièce. Le métal fondu se solidifie après le passage du faisceau laser pour constituer un cordon de soudure. L'utilisation de cette technique de soudage par transparence implique que le jeu entre les surfaces en regard des pièces à souder soit inférieur à 10% de l'épaisseur totale de la zone de chevauchement. Cette contrainte de jeu pose des problèmes pour appliquer cette technique de soudage aux tôles d'habillage de véhicules ferroviaires du fait des grandes longueurs sur lesquelles elles doivent être soudées, ces longueurs pouvant atteindre typiquement 30 m. Afin de respecter cette contrainte de jeu on utilise, dans d'autres domaines et pour des pièces de petites dimensions, des vérins régulièrement espacés les uns des autres et qui viennent serrer les deux pièces l'une contre l'autre, sur toute la longueur à souder de la zone de chevauchement. Cependant, cette solution serait particulièrement coûteuse pour souder des pièces sur des longueurs relativement grandes du fait de la multiplication du nombre des vérins. L'invention a pour but de résoudre ce problème en fournissant une installation de soudage laser de coût réduit et permettant de souder par transparence des pièces en chevauchement sur des longueurs relativement grandes. A cet effet, l'invention a pour objet une installation de soudage laser d'au moins deux pièces métalliques en chevauchement comprenant une source laser, une tête de focalisation, dans la zone de chevauchement, d'un faisceau laser émis par la source, un mécanisme d'appui sur une première des pièces destiné à coopérer avec des moyens de retenue d'une autre pièce pour maintenir les pièces à souder l'une contre l'autre au niveau de leur zone de chevauchement, et des moyens de déplacement relatif de la tête par rapport à la zone de chevauchement des pièces à souder, caractérisée en ce que le mécanisme d'appui est assujetti au déplacement de la tête parallèlement à la zone de chevauchement des pièces à souder, de manière à maintenir les pièces à souder l'une contre l'autre localement au voisinage de la région d'incidence du faisceau laser dans la zone de chevauchement. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'installation peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: - le mécanisme d'appui comporte des moyens d'appui sur la première pièce dans une région située en avant de la région d'incidence du faisceau laser, par rapport au sens de déplacement de la région d'incidence dans la zone de chevauchement des pièces à souder; - le mécanisme d'appui comprend des moyens de roulement destinés à rouler sur la première pièce; l'installation comprend des moyens de déplacement en translation relative entre la tête et le mécanisme d'appui orthogonalement par rapport à la zone de chevauchement des pièces & souder; - l'installation comprend une structure mobile commune portant la tête et le mécanisme d'appui, cette structure étant adaptée pour amener la tête dans une position de soudage et pour exercer par l'intermédiaire du mécanisme d'appui une force d'appui sur les pièces à souder dans leur zone de chevauchement; - le mécanisme comprend un tube dont une tranche est équipée de moyens de roulement destinés à rouler sur la premiere pièce; - l'installation comprend des moyens pour faire tourner le tube autour de son axe pour orienter les moyens de roulement dans une direction choisie de déplacement de la tête parallèlement à la zone de chevauchement; - le tube est libre en rotation autour de son axe, les moyens de roulement s'orientant automatiquement dans la direction de déplacement de la tête parallèlement à la zone de chevauchement par rotation du tube autour de son axe; - les moyens de roulement comprennent une bille mobile en rotation par rapport au tube autour de l'axe de ce dernier; - les moyens de roulement comprennent plusieurs billes dont la rotation par rapport au tube autour de l'axe de ce dernier est limitée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en élévation d'une installation de soudage laser selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique, agrandie et en coupe prise suivant la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3 est une vue partielle en plan de deux tôles en chevauchement et qui illustre schématiquement une utilisation de l'installation de la figure 1, - la figure 4 est une vue schématique de dessous qui illustre une variante du mécanisme d'appui de l'installation de la figure 1, - la figure 5 est une vue partielle en perspective avec arrachement de deux tôles en chevauchement à souder entre elles, - la figure 6 est une vue schématique en coupe, prise suivant la ligne VI-VI de la figure 5, et qui illustre l'utilisation de l'installation de la figure 1 pour souder les tôles de la figure 5, - la figure 7 est une section schématique d'une caisse de véhicule ferroviaire, et - la figure 8 est une vue agrandie en coupe de la partie cerclée VIII de la figure 7. La figure 1 représente une installation 2 de soudage laser permettant de souder deux tôles en acier 4 et 5 qui se chevauchent le long d'une zone de chevauchement 6. La tôle 4 est disposée au dessus (en haut sur la figure 1) de la tôle 5 dans la zone de chevauchement 6. La surface inférieure 7 (en bas sur la figure 1) de la tôle 4 est en regard de la surface supérieure 8 de la tôle 5 dans la zone de chevauchement 6. Les tôles 4 et 5 sont immobilisées l'une par rapport à l'autre par des moyens non représentés. L'installation 2 comprend essentiellement: - un bâti 10 solidaire du sol 12 et surélevé par rapport à ce dernier, - une structure de support 14 montée sur le bâti 10, - une source laser 16 montée sur le bâti 10, - une tête 18 de focalisation d'un faisceau laser, couplée optiquement à la source laser 16 par des moyens 19 de couplage optique (en trait mixte), une source 20 de gaz inerte, - une buse 22 de projection de gaz inerte qui est portée par la tête 18 et qui est raccordée à la source 20 de gaz inerte par des moyens 21 de raccordement (en trait mixte à deux tirets), un mécanisme d'appui 24 qui est porté par la structure 14, et - un socle 26 de retenue de la deuxième tôle 5 qui est solidaire du sol 12 et qui est disposé à un niveau inférieur à celui du bâti 10. La structure 14 comprend deux tiges 28 et 30 sensiblement orthogonales entre elles, un chariot 32 et un bloc de montage 34. La tige 28, sensiblement horizontale, est montée sur le bâti 10 de manière coulissante selon une direction horizontale orthogonale au plan de la figure 1. Le chariot 32 est monté de manière coulissante horizontalement sur la tige 28, comme schématisé par les flèches 36. La tige 30 s'étend sensiblement verticalement depuis le chariot 32 vers le bas et vers la zone de chevauchement 6. La tige 30 est montée de manière coulissante verticalement sur le chariot 32, comme schématisé par les flèches 38. Le bloc 34 prolonge la tige 30 vers le bas. Ce bloc 34 est monté rotatif sur la tige 30 autour de l'axe X-X de la tige 30, comme schématisé par les flèches 40. La structure 14 porte les moyens 19 de couplage optique et les moyens 21 de raccordement. La tête 18 et la buse 22, qui entoure la tête 18, sont coaxiales à la tige 30 et au bloc 34. L'axe X-X de la tige 30 est sensiblement orthogonal à la zone de chevauchement 6 et la tête 18 et la buse 22 sont orientées vers cette zone 6. La tête 18, et donc la buse 22, sont montées coulissantes verticalement sur le bloc 34, comme schématisé par les flèches 42, alors que le mécanisme d'appui 24 est solidaire du bloc de montage 34. Ainsi, la tête 18 et la buse 22 peuvent se rapprocher de la zone de chevauchement 6 indépendamment du mécanisme d'appui 24. Comme illustré plus particulièrement par la figure 2, le mécanisme d'appui 24 comprend un tube 44 creux à base circulaire, qui est coaxial à la tige 30 et qui entoure la tête 18 et la buse 22. Ce tube 44, porté par le bloc 34, prolonge ce dernier vers le bas et donc vers la zone de chevauchement 6. La tranche inférieure 46 de ce tube 44 est munie d'un chemin de roulement annulaire débouchant 48 dans lequel une bille 50 est retenue. La bille 50 peut se déplacer librement dans ce chemin 50. Une partie inférieure de la bille 50 est en saillie vers le bas depuis la tranche 46. La tranche 46 du tube 44, et le chemin de roulement 48, sont inclinés par rapport à un plan transversal à l'axe X- X du tube 44 et sont donc inclinés par rapport à la zone de chevauchement 6. La bille 50 est appuyée, par l'intermédiaire du tube 44 et de la structure 14 sur la tôle 4, au niveau de la zone de chevauchement 6. La tôle 5 repose sur le socle 26 qui s'étend, sous cette tôle 5, sensiblement sur toute la longueur d'un cordon de soudure rectiligne 51 à réaliser orthogonalement par rapport au plan de la figure 1. Pour souder les tôles 4 et 5 entre elles au niveau de leurs surfaces 7 et 8 dans la zone de chevauchement 6, la tête 18 focalise un rayon laser 52 émis par la source 16 dans la zone de chevauchement 6. Ce faisceau laser 52 frappe sensiblement orthogonalement la zone de chevauchement 6 en une région d'incidence 53. Le faisceau 52 vient fondre la tôle 4 en la traversant puis atteint ensuite la tôle 5 o il vient fondre localement l'acier sans traverser la tôle 5. Pour former le cordon de soudure rectiligne 51 qui est non débouchant, la structure 14 qui porte la tête 18 se déplace horizontalement le long des bords des plaques 4 et 5, comme schématisé par la flèche D sur la figure 2, c'est-à-dire orthogonalement au plan de la figure 1. La tête 18, la buse 22 et le mécanisme d'appui 24 sont solidaires de la structure 14 lors de ce déplacement parallèle à la zone de chevauchement 6. Le faisceau 52 et donc la région d'incidence 53 se déplacent dans le sens et la direction de la flèche D. Après le passage du faisceau laser 52, le métal fondu se solidifie pour former le cordon de soudure 51. Au cours du déplacement rectiligne de la structure 14, la bille 50, assujettie au déplacement de la tête 18, roule sur la tôle 4 et elle reste disposée en avant de la région d'incidence 53, par rapport au sens de déplacement de cette région 53. Ainsi, la bille 50 est disposée à droite de la région 53 sur la figure 2. La bille 50 qui roule sur la tôle 4 vient plaquer la surface 7 de la tôle 4 sur la surface 8 de la tôle 5, cette tôle 5 étant retenue par le socle 26. Ainsi la contrainte de jeu entre les pièces 4 et 5 dans la zone de chevauchement 6 est respectée et la formation du cordon 51 est possible. En arrière de la région d'incidence 53 par rapport au sens de déplacement D, c'est-à- dire à gauche sur la figure 2, le maintien des tôles 4 et 5 l'une contre l'autre est assuré par le cordon de soudure 51. La buse 22 forme un flux 58 de gaz inerte autour du faisceau laser 52. Ce flux vient frapper la surface supérieure 59 de la tôle 4 pour protéger le bain de soudure formé. La nature de la structure 14 de support permet d'amener la tête 18 et le mécanisme d'appui 24 dans une position de soudage prédéterminée puis de déplacer ces derniers suivant un trajet de soudage prédéterminé. Le mécanisme d'appui 24 est assujetti aux déplacements de la tête 18, et donc de la région d'incidence 53, dans les directions parallèles à la zone de chevauchement 6. La position de la tête 18 dans une direction orthogonale à la zone de chevauchement 6 peut être modifiée indépendamment de celle du mécanisme d'appui 24, comme indiqué par les flèches 42. L'inclinaison du chemin du roulement 48 induit une position préférentielle de la bille 50, puisque cette dernière tend à se placer au niveau du point le plus bas de ce chemin 48, c'est-à-dire à droite sur la figure 2. Ainsi, en faisant pivoter le tube 44 autour de l'axe X-X de la tige 30, comme schématisé par les flèches 40 sur la figure 1, on peut venir placer la bille 50 toujours en avant de la zone d'incidence 53 du faisceau 52 quelque soit la forme du cordon de soudure 51 à réaliser. A titre d'exemple, la figure 3 illustre la réalisation d'un cordon de soudure 51 à angle droit. Le mécanisme d'appui 24 est représenté en trait plein au niveau de cet angle droit après la réalisation d'une première partie 51A rectiligne du cordon 51 et avant la réalisation d'une deuxième partie 51B du cordon 51, orthogonale à la partie 51A. Le pivotement du tube 44 d'un quart de tour dans le sens horaire sur la figure 3, comme schématisé par la flèche 59, permet d'amener la bille 50 dans la position adéquate (en bas sur la figure 3) pour former la deuxième partie 51B (en pointillé) du cordon 51. Le mécanisme d'appui 24 est représenté en trait mixte dans ses deux positions correspondant respectivement à la formation des parties 51A et 51B du cordon de soudure. L'installation 2 permet donc de réaliser par transparence des cordons de soudure laser de formes variées sur des tôles se chevauchant sur des longueurs relativement importantes. Le mécanisme 24 d'appui local permet de réaliser ces cordons de soudure de manière relativement économique sans utiliser de nombreux vérins de serrage des pièces 4 et 5. Les déplacements de la structure 14, des différents éléments qui la composent, ainsi que de la tête 18 peuvent être assurés par des moyens classiques tels que des vérins et/ou des moteurs électriques. Le fonctionnement d'une telle installation peut être entièrement robotisé ou automatisé en utilisant une unité de pilotage reliée aux différents moteurs et vérins. Selon une variante non représentée, le bloc 34, et donc le tube 44, peut être monté libre en rotation autour de l'axe X-X sur la tige 30. Dans ce cas, la bille 50 vient se placer automatiquement derrière la région 53 par rapport au sens de déplacement de la tête 18 dans une direction parallèle à la zone de chevauchement 6. Ainsi la bille 50 est orientée automatiquement derrière la région 53 dans la direction de déplacement de la tête 18, quelle que soit cette direction et sans que des moyens pour faire tourner le bloc 34 autour de l'axe X-X ne soient nécessaires. Ce résultat est obtenu par rotation automatique du tube 44 autour de son axe X-X lors d'un changement de sens et/ou de direction de déplacement de la tête 18. Selon une autre variante illustrée par la figure 4, la tranche inférieure 46 du tube 44 est sensiblement orthogonale à l'axe X-X du tube 44. Trois logements 60A, 60B et 60C sont ménagés dans cette tranche 46. Chacun de ces logements retient une bille, respectivement 50A, 50B et 50C, et est de forme conjuguée à celle de la bille correspondante. Ces billes sont destinées, comme la bille 50 des figures 1 à 3, à rouler sur la tôle 4 en avant de la région d'incidence 53. Les logements 60A, 60B et 60C sont ménagés régulièrement dans une région d'ouverture angulaire c de la tranche 46 du tube 44. Cette variante permet de plaquer les surfaces 7 et 8 des tôles 4 et 5 sur une région plus étendue, en avant de la région 53 d'incidence du faisceau laser 52. La forme des logements 60A, 60B et 60C permet de positionner avec précision les billes 50A, 50B et 50C en avant de la région d'incidence 53. Selon des variantes non représentées, le nombre de billes de roulement peut être plus important et l'ouverture angulaire a peut également être plus importante et aller jusqu'à 360 . Dans ce dernier cas, des billes sont réparties régulièrement sur toute la tranche 46 du tube 44 et le mécanisme d'appui 24 vient prendre appui sur la tôle 4 tout autour de la région 53 d'incidence du faisceau laser 52. Selon d'autres modes de réalisation non représentés, la structure 14 est constituée par un système de bras articulé équipé de vérins, permettant ainsi de souder des pièces métalliques en chevauchement dans des positions variées avec plus de liberté. Les figures 5 et 6 illustrent un ensemble 62 de deux tôles 4 et 5 à souder le long d'une zone de chevauchement 6 dans laquelle leurs bords avant respectifs 64 et 65 se chevauchent. Les tôles 4 et 5, de forme générale rectangulaire, ont été préalablement soudées le long de leurs bords latéraux respectifs par des cordons de soudure 66 à 69 sur deux profilés 70 et 72 à section en U. Ces profilés 70 et 72 sont par exemple des éléments d'une ossature d'une caisse d'un véhicule ferroviaire, et les tôles 4 et 5 sont destinées à former un habillage extérieur de cette caisse. Les cordons de soudure 66 à 69 ont, par exemple, été réalisés par transparence grâce à l'installation 2 des figures 1 à 3, les profilés 70 et 72 étant alors supportés par le reste de l'ossature précitée et non par le socle 26. Les tôles 4 et 5 sont tendues entre les profilés 70 et 72. Les tôles 4 et 5 sont ainsi immobilisées l'une par rapport à l'autre. Le bord avant 65 de la tôle 5 est prolongé vers le bas sur les figures 5 et 6 par une partie centrale 74 profilée en L. Cette partie 74 a été formée par pliage de la tôle 5 vers l'extérieur de la zone de chevauchement 6. Cette partie 74 comprend, depuis le bord 65, deux panneaux rectangulaires 76 et 78 successifs qui forment un L orthogonal au reste de la tôle 5. Cette partie 74 rigidifie le bord 65 de la tôle 5 vis- à-vis de la flexion. Les profils 70 et 72 étant retenus par l'ossature précitée, pour réaliser un cordon de soudure 51 (en pointillé sur la figure 5), on vient appuyer le mécanisme d'appui 24 de l'installation de soudage 2 sur la plaque 4 au niveau de la zone de chevauchement 6. La partie 74 de rigidification permet à la région de la surface 8, située entre les profilés 70 et 72 et dans la zone de chevauchement 6, de résister à la flexion pour que les surfaces 7 et 8 des tôles 4 et 5 soient plaquées l'une contre l'autre dans la zone 6. Ainsi, la partie 74 de rigidification permet de former un cordon de soudure 51 sans venir placer de support de retenue sous la région du bord 65 qui est placée en porte-à- faux entre les profilés 70 et 72. Cette caractéristique facilite encore le soudage par transparence de tôles en chevauchement sur des longueurs relativement grandes. Selon des variantes non représentées, les parties de rigidification peuvent être de différentes formes et peuvent être notamment formées par des zones de surépaisseur de la tôle. Il est possible d'assembler successivement plusieurs tôles munies de parties de rigidification 74. Ainsi, pour les tôles munies uniquement de parties de rigidification 74 au niveau de leur bord avant, une première tôle est assemblée au niveau d'un chevauchement entre son bord arrière et le bord avant d'une deuxième tôle, le bord arrière de cette deuxième tôle étant lui-même assemblé en chevauchement avec le bord avant d'une troisième tôle et ainsi de suite. De telles tôles munies de parties 74 de rigidification peuvent être utilisées pour recouvrir des ossatures de caisse de véhicule ferroviaire. La figure 7 illustre schématiquement une caisse 81 de véhicule ferroviaire qui comprend essentiellement un châssis 82, un toit ou pavillon 83 et deux parois latérales 84. Comme illustré plus particulièrement par la figure 8, le pavillon 83 comprend une ossature de support 840 comprenant des poutrelles transversales arquées 85, qui sont régulièrement disposées les unes à côté des autres sur toute la longueur de la caisse 81, et sur lesquelles un habillage extérieur 86 est fixé. Cet habillage 86 comprend des tôles ondulées dont deux sont représentées sur la figure 8. Ces deux tôles 87 et 88 sont soudées le long d'une zone de chevauchement 89 orientée longitudinalement par rapport à la caisse 81, c'est-à-dire orthogonalement au plan des figures 7 et 8. Les tôles 87 et 88 ont été soudées grâce à des parties 74 prévues sur la tôle 88, dans chaque intervalle séparant des poutrelles 85. Ces parties de rigidification ont permis, comme précédemment, le soudage des tôles 87 et 88 dans des zones o elles sont en porte-à- faux. De telles tôles munies de partie de rigidification peuvent également être utilisées pour constituer le châssis 2. REVENDICATIONS 1. Installation (2) de soudage laser d'au moins deux pièces métalliques(4,5; 87,88) en chevauchement comprenant une source laser (16), une tête (18) de focalisation, dans la zone de chevauchement, d'un faisceau laser (52) émis par la source (16), un mécanisme (24) d'appui sur une première (4;87) des pièces destiné à coopérer avec des moyens (26;70,72;85) de retenue d'une autre pièce (5;88) pour maintenir les pièces à souder l'une contre l'autre au niveau de leur zone de chevauchement (6;89), et des moyens (10,14) de déplacement relatif de la tête (18) par rapport à la zone de chevauchement (6;89) des pièces à souder, caractérisée en ce que le mécanisme d'appui (24) est assujetti au déplacement de la tête parallèlement à la zone de chevauchement des pièces à souder, de manière à maintenir les pièces à souder (4,5;87,88) l'une contre l'autre localement au voisinage de la région d'incidence (53) du faisceau laser (52) dans la zone de chevauchement (6;89). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le mécanisme d'appui (24) comporte des moyens (50; 50A, 50B, 50C) d'appui sur la première pièce (4;87) dans une région située en avant de la région d'incidence (53) du faisceau laser (52), par rapport au sens de déplacement (D) de la région d'incidence (53) dans la zone de chevauchement (6;89) des pièces à souder. 3. Installation de soudage selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le mécanisme d'appui (24) comprend des moyens (50; 50A, 50B, 50C) de roulement destinés à rouler sur la première pièce (4;87). 4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de déplacement en translation relative entre la tête (18) et le mécanisme d'appui (24) orthogonalement par rapport à la zone de chevauchement (6;89) des pièces à souder. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une structure mobile commune (14) portant la tête (18) et le mécanisme d'appui (24), cette structure étant adaptée pour amener la tête dans une position de soudage et pour exercer par l'intermédiaire du mécanisme d'appui (24) une force d'appui sur les pièces à souder dans leur zone de chevauchement (6;89). 6. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le mécanisme d'appui comprend un tube (44) dont une tranche (46) est équipée de moyens (50; 50A, 50B, 50C) de roulement destinés à rouler sur la première pièce (4; 87). 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour faire tourner le tube (44) autour de son axe (X-X) pour orienter les moyens (50; 50A, 50B, 50C) de roulement dans une direction choisie de déplacement de la tête (18) parallèlement à la zone de chevauchement (6). 8. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le tube (44) est libre en rotation autour de son axe, les moyens (50; 50A, 50, 50C) de roulement s'orientant automatiquement dans la direction de déplacement de la tête (18) parallèlement à la zone de chevauchement (6) par rotation du tube (44) autour de son axe (X-X). 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que les moyens de roulement comprennent une bille (50) qui est mobile en rotation par rapport au tube (44) autour de l'axe (X-X) de ce dernier. 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que les moyens de roulement comprennent plusieurs billes (50A, 50B, 50C) dont la rotation par rapport au tube (44) autour de l'axe (X-X) de ce dernier est limitée.