Brevet FR2790689A1 — publié le 20000915

DESCRIPTION La présente invention concerne le domaine de l'assemblage d'éléments, de parties ou de pièces par soudage, notamment dans le domaine de la carrosserie ou des articles ou structures formés à partir de tôles, en particulier fines, et a pour objet un procédé et un dispositif d'assemblage par soudage de deux pièces. L'assemblage par soudage, notamment par faisceau laser, de deux pièces revêtues, en particulier d'une tôle sur une pièce quelconque ou de deux tôles entre elles, pose le problème de la présence desdites couches de revêtement au niveau des zones de contact entre pièces à assembler et des effets qu'elles induisent au moment du soudage. Le soudage par fusion partielle des matériaux, notamment par faisceau laser, de pièces, en particulier de tôles fines revêtues, est un sujet maîtrisé en configuration bord à bord, mais qui reste difficile et délicat à mettre en oeuvre en configuration par transparence (chevauchement partiel des pièces) en raison des effets de l'évaporation des revêtements à l'interface. En effet, les revêtements non métalliques ou métalliques (en particulier à base de zinc) déposés sur les faces des pièces à assembler sont généralement vaporisés à des températures équivalentes ou inférieures aux températures de fusion des matériaux desdites pièces et qui sont rapidement atteintes lors du soudage, notamment par faisceau laser. Le revêtement situé sur les parties externes est vaporisé par l'apport d'énergie de soudage, par exemple par un faisceau laser focalisé, et se disperse librement dans l'air environnant, sans incidence sur le soudage. Toutefois, les couches de revêtement situées à l'interface se vaporisent également sous l'action du faisceau laser et du bain de fusion (température de fusion acier = 1500 C) et les vapeurs ainsi formées exercent des pressions locales élevées, en particulier sur le bain de fusion, et s'échappent en projetant à l'extérieur le métal liquide du bain de fusion, ou restent emprisonnées dans ce bain en constituant des cavités fragilisantes. De nombreuses techniques ont été mises en oeuvre pour éviter ce phénomène nuisible. La plus simple, utilisée de façon industrielle, consiste à écarter les deux tôles d'une valeur donnée, fonction de l'épaisseur du revêtement et de la tôle supérieure, pour permettre aux vapeurs de s'échapper librement à l'interface. 2- Cependant, ce procédé nécessite de maîtriser avec précision le jeu à l'interface, demande la mise en oeuvre d'outillages spécifiques et n'aboutit pas à un contact surfacique intime entre les deux pièces à assembler. Par ailleurs, il est également connu de réaliser des assemblages de pièces par soudage électrique. Lorsqu'un tel procédé de soudage est appliqué sur des pièces pourvues d'un revêtement, il est connu de réaliser une élimination au moins partielle de ce dernier en délivrant plusieurs impulsions de courant de soudage consécutives. Toutefois, cette technique de soudage ne permet pas d'obtenir une évacuation contrôlée et totale dudit revêtement, nécessite obligatoirement deux accès opposés à la zone de soudage, ne permet pas de réaliser un cordon de soudage continu et fin et est difficilement applicable lorsque le revêtement à éliminer est électriquement non conducteur. La présente invention a notamment pour but de pallier les inconvénients précités. A cet effet, elle a pour objet un procédé d'assemblage par soudage de deux pièces au niveau d'une zone de chevauchement, la surface de l'une au moins des deux pièces étant au moins partiellement recouverte d'une couche de revêtement au niveau de ladite zone de chevauchement, caractérisé en ce qu'il consiste à mettre en contact les deux pièces au moins au niveau d'une partie de ladite zone de chevauchement, destinée à constituer la future zone d'assemblage, puis à appliquer localement sur la face apparente ou externe d'une première desdites pièces à assembler une quantité d'énergie calorifique réglée pour générer une température suffisante pour vaporiser ladite ou lesdites couches de revêtement au moins au droit de la zone d'application de ladite énergie calorifique, tout en permettant de conserver des surfaces en regard au niveau de l'interface à l'état solide, à appliquer ensuite, sur la même face de ladite première pièce, un flux d'énergie apte à réaliser l'assemblage par soudage des deux pièces sur au moins une partie de ladite zone d'application antérieure d'énergie calorifique et, enfin, à répéter le cas échéant ces deux dernières opérations, de manière continue ou discontinue, simultanément ou décalées dans le temps, en déplaçant les zones d'application d'énergie calorifique et de soudage, de telle manière que la zone d'application de l'énergie de soudage progresse dans la trace de la zone d'application de l'énergie calorifique. -3 - L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels: la figure I est une vue en élévation latérale et en coupe montrant le déroulement du procédé d'assemblage par soudage selon l'invention en fonctionnement continu appliqué à deux tôles revêtues, et, la figure 2 est une vue en coupe selon A-A de l'objet représenté sur la figure 1. La présente invention a donc pour objet un procédé d'assemblage par soudage de deux pièces I et 2 au niveau d'une zone de chevauchement, notamment lorsque la surface 1", 2" de l'une au moins des deux pièces I et/ou 2 est au moins partiellement recouverte d'une couche de revêtement 1', 2' au niveau de ladite zone de chevauchement. Ce procédé consiste principalement à mettre en contact les deux pièces 1 et 2 au moins au niveau d'une partie de ladite zone de chevauchement destinée à constituer la future zone d'assemblage, puis à appliquer localement sur la face apparente ou externe d'une première 1 desdites pièces I et 2 à assembler une quantité d'énergie calorifique 3 réglée pour générer une température suffisante pour vaporiser ladite ou lesdites couches de revêtement 1', 2' au moins au droit de la zone d'application 3' de ladite énergie calorifique 3, tout en permettant de conserver des surfaces 1" et 2" en regard au niveau de l'interface à l'état solide à appliquer ensuite, sur la même face de ladite première pièce 1, un flux d'énergie 4 apte à réaliser l'assemblage par soudage des deux pièces I et 2 sur au moins une partie 4' de ladite zone 3' d'application antérieure d'énergie calorifique 3 et, enfin, à répéter le cas échéant ces deux dernières opérations, de manière continue ou discontinue, simultanément ou décalées dans le temps, en déplaçant les zones d'application 3' et 4' d'énergie calorifique et de soudage, de telle manière que la zone d'application 4' progresse dans la trace de la zone d'application 3'. Le procédé précité ne nécessite, par conséquent, pas d'avoir accès à l'autre face de la première pièce 1, ni à la seconde pièce 2, seul l'accès à la face apparente ou externe 1"' de la pièce 1, c'est-à-dire, la face opposée à la surface 1", au niveau des zones d'assemblage par soudage étant requis. La mise en oeuvre du procédé précité est préférée lorsque la première pièce I au moins présente une épaisseur relativement faible, au moins au niveau de la zone de chevauchement ou l'assemblage par soudage doit être réalisé. -4- Le procédé précité permet soit de réaliser des cordons de soudure continus ou fractionnés 8, de faible largeur, soit des points de soudure locaux espacés. Comme le montrent les figures 1 et 2 des dessins annexés, la densité d'énergie calorifique 3 appliquée est avantageusement ajustée pour réaliser un bain de fusion 5 local dans la première pièce 1, non débouchant sur l'interface entre les deux pièces I et 2, de manière à conserver une mince couche solide 6 de ladite première pièce 1 au droit dudit bain 5, l'épaisseur de ladite couche solide 6 étant, d'une part, suffisamment faible pour que la température atteinte à l'interface en regard de la zone d'application 3' de l'énergie calorifique 3 pour permettre de vaporiser totalement la ou les couches de revêtement 1', 2' à cet endroit et, d'autre part, suffisamment forte pour constituer une barrière matérielle solide empêchant le passage des vapeurs résultant de la vaporisation de la ou des couche(s) de revêtement 1', 2', vers ledit bain de fusion 5. Selon une caractéristique de l'invention, représentée sur la figure I des dessins annexés, le flux d'énergie de soudage 4, préférentiellement sous la forme d'un faisceau laser focalisé, est appliqué au niveau d'une partie 4' de la zone d'application 3' de l'énergie calorifique 3 après arrêt de l'application d'énergie calorifique 3 au niveau de cette dernière ou déplacement de la zone d'application 3', avec un délai suffisant pour permettre l'évacuation des vapeurs de couche(s) de revêtement 1', 2' au moins de la région d'interface au droit de ladite zone 3'. Conformément à une variante de réalisation préférée de l'invention, le moyen d'application de l'énergie calorifique 3 et le moyen d'application du flux d'énergie de soudage 4 sont déplacés de manière synchrone, les zones d'application 3' et 4' des deux types d'énergies étant constamment séparées d'une distance donnée, fonction notamment des caractéristiques de la première pièce I et de la vitesse de déplacement. Toutefois, il peut ainsi être prévu de procéder au déplacement des pièces à assembler 1 et 2, devant les moyens d'application d'énergie, qui pourront éventuellement utiliser la même source. En outre, selon une autre variante de réalisation de l'invention, le flux d'énergie 4 de soudage pourra également être appliqué, pour une zone d'assemblage donnée, postérieurement à l'énergie calorifique 3, dans une seconde phase opératoire du procédé, distincte et consécutive à la première consistant en l'application de l'énergie calorifique 3. - Dans ce qui suit, on décrira l'invention de manière plus précise dans le cadre d'une application o la première pièce I au moins est une tôle métallique revêtue. Dans un premier temps, une source générant un flux d'énergie de densité moyenne, par exemple sous la forme d'un faisceau laser (par exemple du type CO2, Nd-Yag, à diodes ou analogue) défocalisé ou d'un procédé électrique conventionnel (par exemple du type connu sous la désignation MIG, sous la désignation TIG, plasma ou analogue) est utilisée pour générer un bain de fusion 5 dans une tôle 1, ce bain ne débouchant pas complètement à l'interface, de manière à garder en racine une mince couche solide 6 du matériau de ladite tôle 1, proche de l'interface. L'utilisation d'une source d'énergie de densité moyenne permet de créer un large bain de fusion 5 par conduction et d'en maîtriser la profondeur de pénétration dans la tôle 1. Grâce à la finesse de la couche 6 restée à l'état solide, et à l'échauffement local induit par la proximité du bain de fusion liquide 5, la température atteinte à l'interface de la tôle I et de la pièce 2 (cette dernière étant éventuellement également une tôle, les deux tôles I et 2 pouvant être munies de couches de revêtement 1' et 2' au moins au niveau de leurs surfaces 1" et 2" mutuellement en regard), va dépasser la température de vaporisation de la ou des couche(s) de revêtement 1' et/ou 2', et ainsi provoquer sa ou leur vaporisation. Lesdites vapeurs étant enfermées entre deux parois solides définissant l'interface, elles ne peuvent s'échapper qu'en glissant le long de ladite interface, entre les deux pièces 1 et 2 (par exemple des tôles minces revêtues) et une partie importante du matériau de revêtement présent au niveau de la zone de l'interface située sous le bain de fusion 5 est évacuée de cette manière sous forme gazeuse. En outre, il convient de noter que lorsque la première pièce I consiste en une tôle métallique munie, au moins au niveau de sa surface 1" faisant face à la pièce 2, d'une couche de revêtement 1', il peut être avantageusement prévu que ladite tôle I soit maintenue de manière à être autorisée à subir localement une légère déformation angulaire suite à l'arrêt de l'application d'énergie calorifique 3 ou au déplacement de la zone d'application 3', du fait des contraintes induites par le retrait lors du refroidissement rapide du bain de fusion 5 local après éloignement de la zone d'application d'énergie 3. Il en résulte une ouverture ou un écartement de l'interface et la création d'un léger jeu entre les tôles 1 et 2 de part et d'autre du cordon de fusion, -6- favorisant l'échappement des vapeurs de matériau de couche(s) de revêtement 1' et/ou 2'. Afin de permettre un échauffement par conduction efficient entre les deux couches de revêtement 1' et 2' éventuellement présentes (ou entre la surface 1" non revêtue de la pièce I et la couche de revêtement 2' de la pièce 2), permettant une évacuation importante du matériau de revêtement, il y aura lieu de veiller à réaliser un contact intime au niveau de l'interface entre les deux pièces I et 2 à assembler, notamment au droit de la zone d'application 3' du flux d'énergie calorifique 3. Il convient également de noter que l'épaisseur maximale de la mince couche solide 6 conservée dans la première pièce ou tôle I dépendra des caractéristiques thermophysiques du matériau constituant cette dernière et du matériau de la ou des couche(s) de revêtement 1' et/ou 2'. En tout état de cause, cette couche solide restante 6 devra être suffisamment fine pour obtenir un gradient thermique permettant d'atteindre la température de vaporisation du matériau de revêtement à l'interface, tout en restant suffisamment épaisse pour pouvoir résister à la pression des vapeurs générées dans l'interface. Suite au passage du flux d'énergie calorifique 3, un flux d'énergie de soudage 4, préférentiellement sous la forme d'un faisceau laser focalisé et centré sur la trace du premier cordon, est mis en oeuvre pour souder les deux pièces 1 et 2 ensemble, en traversant l'épaisseur de la première pièce ou tôle I et en pénétrant complètement ou partiellement la seconde 2. Au cours de cette opération de soudage, la faible quantité ou l'absence de matériau de revêtement à l'interface permet de s'affranchir des effets néfastes résultant de la vaporisation de ce dernier au moment de la réalisation du soudage. En outre, la déformation angulaire résultant du passage préalable du flux d'énergie calorifique 3 contribue à diminuer davantage encore lesdits effets néfastes en favorisant l'évacuation des vapeurs de revêtement résiduelles. Comme le montre de manière schématique la figure I des dessins annexés (les rapports entre les dimensions et les distances n'étant pas respectés), le faisceau laser focalisé 4 est avantageusement appliqué immédiatement après le flux d'énergie calorifique 3, à une distance suffisante autorisant l'évacuation des vapeurs de matériau de revêtement. Cette application rapprochée dans le temps, pour une zone donnée, du flux d'énergie de soudage 4 consécutivement au flux d'énergie calorifique 3 -7peut être avantageusement exploitée en termes de bilan énergétique et de puissance nécessaire au soudage, puisque le préchauffage des pièces ou tôles I et 2 permet de réduire de manière conséquente la quantité d'énergie à transmettre par le flux d'énergie de soudage 4 pour pouvoir réaliser l'assemblage par soudage. La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé d'assemblage par soudage tel que décrit cidessus. Comme le montre en particulier de manière schématique la figure I des dessins annexés, ce dispositif comprend essentiellement, d'une part, un moyen 7 de support, de maintien et/ou de pressage des deux pièces I et 2 à assembler, d'autre part, un moyen ou source d'application locale d'énergie calorifique 3 sur l'une des deux pièces 1, 2, et, enfin, un moyen ou source d'application locale d'un flux d'énergie de soudage 4, consécutivement à l'application d'énergie calorifique 3 pour une zone d'assemblage 4' donnée, les moyens ou sources d'application locale d'énergie calorifique 3 et de soudage 4 pouvant être déplacé(e)s relativement aux pièces I et 2 à assembler ou réciproquement. Selon une première variante de réalisation de l'invention, les moyens ou sources d'application d'énergie calorifique 3 et de soudage 4 sont déplacé(e)s de manière synchrone par rapport aux pièces, selon le tracé de soudage souhaité, les zones d'application 3' et 4' des deux types d'énergies étant constamment écartées d'une distance prédéterminée, fonction notamment des caractéristiques des pièces 1 et 2 à assembler et de la vitesse de déplacement, et la zone d'application 4' de l'énergie de soudage 4 étant plus petite que la zone d'application 3' de l'énergie calorifique 3. La densité d'énergie calorifique 3 délivrée est alors avantageusement suffisante pour générer un bain de fusion 5 adapté à la vitesse de soudage du flux d'énergie de soudage 4. Conformément à un second mode de réalisation de l'invention, le flux d'énergie de soudage 4 peut aussi être appliqué postérieurement à l'énergie calorifique 3, dans une phase opératoire consécutive. Préférentiellement, le moyen d'application d'énergie calorifique 3 consiste en un faisceau laser défocalisé et le moyen d'application d'énergie de soudage 4 en un faisceau laser focalisé, issus d'une même source ou de deux sources différentes. En effet, lorsque le flux d'énergie calorifique 3 et le flux d'énergie de soudage 4 sont appliqués en une seule opération, de manière synchrone, les faisceaux correspondants, respectivement défocalisé et focalisé, peuvent être obtenus par division d'un faisceau originel unique et traitement optique adapté de -8- chacun des deux faisceaux secondaires, ou par l'utilisation de deux sources différentes. De même lorsque la vaporisation des couches de revêtement 1' et/ou 2' et l'assemblage par soudage sont réalisés de manière consécutive et décalée dans le temps, les faisceaux correspondant peuvent être obtenus soit au moyen d'une source unique dont le faisceau est traité à chaque fois de manière adaptée (focalisé ou défocalisé), soit au moyen de deux sources différentes dont les faisceaux présentent les caractéristiques souhaitées. Des essais pratiques ont été réalisés par l'inventeur sur des tôles d'acier d'épaisseur 0,8 mm revêtues sur chacune de leur face d'une couche de zinc déposée en bain et ayant une épaisseur moyenne de 10 prm. Dans le cadre de ces essais, il a été fait usage d'un laser à diodes d'une puissance de 1,5 kW, émettant à deux longueurs d'onde (808 nm et 940 nm), pour réaliser le premier passage (flux d'énergie calorifique 3), en créant un bain de fusion d'une profondeur moyenne de 0,6 mm et d'une largeur moyenne de 2 mm. Le laser à diode a été préféré dans cet exemple de réalisation, car il permet, grâce à son excellente stabilité, de maîtriser aisément la profondeur de pénétration du bain de fusion. Dans un second temps, un laser CO2 focalisé a permis, en réalisant un cordon de soudure centré sur la zone prétraitée thermiquement par le passage du flux d'énergie calorifique 3, de réaliser l'assemblage des deux tôles en s'affranchissant totalement des problèmes liés à la vaporisation du matériau de revêtement. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. -9- REVENDICATIONS 1) Procédé d'assemblage par soudage de deux pièces au niveau d'une zone de chevauchement, la surface de l'une au moins des deux pièces étant au moins partiellement recouverte d'une couche de revêtement au niveau de ladite zone de chevauchement, caractérisé en ce qu'il consiste à mettre en contact les deux pièces (1I et 2) au moins au niveau d'une partie de ladite zone de chevauchement destinée à constituer la future zone d'assemblage, puis à appliquer localement sur la face apparente ou externe d'une première (1) desdites pièces (1 et 2) à assembler une quantité d'énergie calorifique (3) réglée pour générer une température suffisante pour vaporiser ladite ou lesdites couches de revêtement (1', 2') au moins au droit de la zone d'application (3') de ladite énergie calorifique (3), tout en permettant de conserver des surfaces (1" et 2") en regard au niveau de l'interface à l'état solide, à appliquer ensuite, sur la même face de ladite première pièce (1), un flux d'énergie (4) apte à réaliser l'assemblage par soudage des deux pièces (1 et 2) sur au moins une partie (4') de ladite zone (3') d'application antérieure d'énergie calorifique (3) et, enfin, à répéter le cas échéant ces deux dernières opérations, de manière continue ou discontinue, simultanément ou décalées dans le temps, en déplaçant les zones d'application (3' et 4') d'énergie calorifique et de soudage, de telle manière que la zone d'application (4') progresse dans la trace de la zone d'application (3'). 2) Procédé d'assemblage par soudage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la densité d'énergie calorifique (3) appliquée est ajustée pour réaliser un bain de fusion (5) local dans la première pièce (1), non débouchant sur l'interface entre les deux pièces (1 et 2), de manière à conserver une mince couche solide (6) de ladite première pièce (1) au droit dudit bain (5), l'épaisseur de ladite couche solide (6) étant, d'une part, suffisamment faible pour que la température atteinte à l'interface en regard de la zone d'application (3') de l'énergie calorifique (3) pour permettre de vaporiser totalement la ou les couches de revêtement (1', 2') à cet endroit et, d'autre part, suffisamment forte pour constituer une barrière matérielle solide empêchant le passage des vapeurs résultant de la vaporisation de la ou des couche(s) de revêtement (1', 2'), vers ledit bain de fusion (5). 3) Procédé d'assemblage par soudage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le flux d'énergie de soudage (4), préférentiellement sous la forme d'un faisceau laser focalisé, est appliqué au niveau d'une partie (4') de la zone d'application (3') de l'énergie calorifique (3) -10- après arrêt de l'application d'énergie calorifique (3) au niveau de cette dernière ou déplacement de la zone d'application (3') avec un délai suffisant pour permettre l'évacuation des vapeurs de couche(s) de revêtement (1', 2') au moins de la région d'interface au droit de ladite zone (3'). 4) Procédé d'assemblage par soudage selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que le moyen d'application de l'énergie calorifique (3), et le moyen d'application du flux d'énergie de soudage (4) sont déplacés de manière synchrone, les zones d'application (3' et 4') des deux types d'énergies étant constamment séparées d'une distance donnée, fonction notamment des caractéristiques de la première pièce (1) et de la vitesse de déplacement. ) Procédé d'assemblage selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractérisé en ce que le flux d'énergie (4) pour le soudage est appliqué postérieurement à l'énergie calorifique (3), dans une seconde phase opératoire. 6) Procédé d'assemblage par soudage selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce qu'au moins la première pièce (1) consiste en une tôle métallique munie d'une couche de revêtement (1') au moins au niveau de sa surface (1") faisant face à la pièce (2), ladite tôle (1) étant maintenue de manière à être autorisée à subir localement une légère déformation angulaire suite à l'arrêt de l'application d'énergie calorifique (3) ou au déplacement de la zone d'application (3'). 7) Procédé d'assemblage par soudage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les deux pièces (I et 2) à assembler consistent en des tôles, préférentiellement minces, munies de couches de revêtement (1' et 2') au moins au niveau de leurs surfaces (1" et 2") mutuellement en regard. 8) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé d'assemblage par soudage selon l'une quelconque des revendications I à 7, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement, d'une part, un moyen (7) de support, de maintien et/ou de pressage des deux pièces (I et 2) à assembler, d'autre part, un moyen ou source d'application locale d'énergie calorifique (3) sur l'une des deux pièces (1, 2), et, enfin, un moyen ou source d'application locale d'un flux d'énergie de soudage (4), consécutivement à l'application d'énergie calorifique (3) pour une zone d'assemblage (4') donnée, les moyens ou sources d'application locale d'énergie calorifique (3) et de soudage (4) pouvant être déplacé(e)s relativement aux pièces (1 et 2) à assembler ou réciproquement. 9) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens ou sources d'application d'énergie calorifique (3) et de soudage (4) sont -11- déplacé(e)s de manière synchrone par rapport aux pièces, selon le tracé de soudage souhaité, les zones d'application (3' et 4') des deux types d'énergies étant constamment écartées d'une distance prédéterminée, fonction notamment des caractéristiques des pièces (I et 2) à assembler et de la vitesse de déplacement, et la zone d'application (4') de l'énergie de soudage (4) étant plus petite que la zone d'application (3') de l'énergie calorifique (3). ) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le flux d'énergie de soudage (4) est appliqué postérieurement à l'énergie calorifique (3), dans une phase opératoire consécutive. I 1) Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le moyen d'application d'énergie calorifique (3) consiste en un faisceau laser défocalisé et en ce que le moyen d'application d'énergie de soudage (4) consiste en un faisceau laser focalisé, issus d'une même source ou de deux sources différentes.