Brevet FR2787364A1 — publié le 20000623

1i 2787364 L'invention concerne un procédé de soudage par faisceau laser ou par faisceau d'électrons de pièces métalliques, en particulier de pièces constituant des structures susceptibles de subir subséquemment des contraintes importantes auxquelles doivent résister sans se rompre et/ou se déformer, un procédé de contrôle de la résistance de ces soudures et une soudure non-débouchante obtenue selon le procédé de l'invention. Actuellement, pour assembler deux pièces métalliques, l'une avec l'autre, on utilise le plus souvent un procédé de soudage à l'arc électrique avec protection gazeuse, tels les procédés de soudage de type MIG (pour Metal Inert Gas) avec électrode en tungstène et un gaz de protection du type argon par exemple, ou les procédés de soudage de type MAG (pour Metal Active Gas) avec électrode fusible. Pour améliorer l'efficacité de pénétration de la soudure, il est connu d'aménager une boutonnière sur l'une des pièces à souder, c'est-à-dire une fente à travers la pièce située en regard de la torche à arc électrique. Cependant, si les procédés MIG ou MAG susmentionnés permettent de souder certaines structures métalliques, ceux-ci trouvent, dans certains cas, leurs limites lorsque les pièces soudées doivent être soumises subséquemment à des contraintes importantes susceptibles d'engendrer une rupture de la soudure ainsi réalisée ou des déformations des pièces assemblées. De la, pour obtenir une résistance suffisante des soudures et/ou une déformation minimale, il est nécessaire d'augmenter la section soudée, ce qui ne peut pas être obtenu, dans tous les cas, avec un procédé de soudage MIG ou MAG classique. Le problème qui se pose alors est celui de proposer un procédé de soudage permettant d'assembler des pièces métalliques susceptibles d'être soumises subséquemment à des contraintes importantes, de manière à ce que les 2 2787364 soudures ainsi réalisées présentent une résistance suffisante, en particulier aux déformations et à la rupture, même lorsqu'elles sont soumises à de telles corntraintes. La présente invention concerne alors un procédé de soudage pour réaliser une soudure non-débouchante entre au moins une première pièce métallique et au moins une deuxième pièce métallique, dans lequel on réalise au moins une soudure non-débouchante entre la première pièce métallique et la deuxième pièce métallique en opérant, au moyen d'au moins un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons, une fusion à pénétration au moins partielle de la première pièce et une fusion à pénétration partielle de ladite deuxième pièce. Dans le cadre de la présente invention, la première pièce métallique est la pièce métallique située en regard, c'est-à-dire le plus près, de la source de soudage, c'est-a-dire le moyen par lequel arrive le faisceau laser ou le faisceau d'électrons, par exemple une tête ou buse de soudage. A l'inverse, la deuxième pièce métallique est située, en général, derrière ou sous la première pièce métallique, c'est-à-dire qu'elle n'est pas directement en regard de la buse de soudage. De préférence, selon l'invention, on opère une fusion à pleine pénétration de la première pièce et une fusion à pénétration partielle de ladite deuxième pièce. En d'autres termes, a première pièce métallique est au moins partiellement traversée, de préférence complètement traversée selon son épaisseur par le faisceau laser ou d'électrons, c'est-à-dire que le faisceau laser ou d'électrons opère une fusion à pleine pénétration selon toute l'épaisseur de la première pièce métallique. Au contraire, la deuxième pièce métallique n'est jamais complètement traversée par le faisceau laser ou d'électrons, c'est-à-dire qu'il ne s'opère qu'une fusion à pénétration toujours partielle selon l'épaisseur de cette deuxième pièce métallique, de manière à obtenir une soudure non- débouchante, c'est-à-dire une fusion incomplète selon l'épaisseur et ne traversant pas la deuxième pièce 3 0 métallique. Selon le cas, le procédé de l'invention peut inclure l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: 3 2787364 - la deuxième pièce à une épaisseur (E) et en ce que la distance de pénétration (D) de la soudure dans ladite deuxième pièce est telle que: D est d'au moins I mm, de préférence d'au moins 3 mm. - la première pièce métallique a une épaisseur (e) et la deuxième pièce à une épaisseur (E) telles que: e préférence 0.9 x e - la première pièce métallique a une épaisseur (e) comprise entre 0.5 et 4 mm et/ou la deuxième pièce à une épaisseur (E) comprise entre 1.5 mm et 5 mm. - la soudure entre la première pièce métallique et la deuxième pièce métallique est effectuée selon une trajectoire déterminée pour former un cordon de soudure, de préférence un cordon de soudure continu. - au moins une partie du cordon de soudure est rectiligne et/ou en arc de cercle, notamment circulaire. - la première pièce et/ou la deuxième pièce sont en un métal ou en un alliage d'un ou plusieurs métaux choisi parmi l'aluminium, les aciers, les aciers inoxydables et le nickel. - le faisceau laser est de type YAG, CO2 ou autre. - le faisceau d'électrons est délivré par un canon d'électrons. - on utilise un gaz d'assistance du faisceau laser, de préférence un gaz choisi parmi l'azote, l'argon, l'hydrogène, le dioxyde de carbone, l'hélium et les mélanges gazeux contenant l'un ou plusieurs de ces composés. - on utilise, en outre, un gaz de protection du chemin optique du faisceau laser, de préférence un gaz choisi parmi l'argon, I'azote ou les mélanges gazeux les 3 o contenant, tel l'air sec. En outre, dans le cadre de la présente invention, étant donné que la soudure réalisée est non-débouchante, c'est-à-dire borgne, il est intéressant, voire 4 2787364 indispensable, de pouvoir vérifier ou contrôler, après soudage desdites pièces l'une avec l'autre, que la soudure a été correctement réalisée, c'est-à-dire qu'elle présente une résistance souhaitée et une distance de pénétration voulue, de manière à minimiser les risques de rupture de cette soudure, en particulier lorsque les pièces ainsi assemblées par soudage sont soumises à un effort important. Pour ce faire, selon le procédé de soudage selon l'invention, peut comprendre, en outre, des étapes supplémentaires durant lesquelles: (a) on soude, en outre, au moyen dudit faisceau laser ou dudit faisceau à électrons, une pièce- témoin pleine sur la première pièce métallique en opérant, une fusion à pénétration au moins partielle, de préférence à pleine pénétration, de la pièce-témoin et une fusion à pénétration au moins partielle de ladite première pièce métallique; (b) on contrôle ou on détermine la distance (D) de pénétration en évaluant la résistance de ladite pièce-témoin à au moins un effort mécanique exercé sur ladite pièce-témoin, en particulier on évalue la résistance à l'arrachement de ladite pièce-témoin après soudage. En effet, étant donné que le fond du cordon de soudage est masqué puisque la fusion de la deuxième pièce métallique est réalisée à pénétration partielle, il n'est pas possible d'évaluer l'énergie de soudage mise en jeu sur la deuxième pièce par évaluation directe, visuelle ou autre, et il est donc nécessaire d'estimer l'efficacité de la soudure par un autre moyen, à savoir, par exemple, la réalisation d'un test d'arrachement sur la pièce-témoin. De préférence, ladite pièce-témoin est située sur la trajectoire de soudage de ladite première pièce métallique à ladite deuxième pièce métallique. En outre, l'invention concerne aussi une soudure non-débouchante réunissant au moins une première pièce métallique et au moins une deuxième pièce métallique susceptible d'avoir été obtenue par mise en oeuvre d'un procédé de soudage selon l'invention. Ladite soudure non-debouchante se par le fait qu'elle présente une forme générale, en coupe transversale, approximativement triangulaire et/ou une largeur (i) au niveau de la zone de liaison entre lesdites première et deuxième pièces métalliquestelleque: 0.4 x e 2787364 préférentiellement encore telle que: e pièce métallique. L'invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide d'un exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention et en références aux figures annexées, donnés à titre illustratif mais non limitatif. La figure I qui représente un schéma, après mise en oeuvre du procédé de soudage selon la présente invention, d'une première pièce métallique PM1 soudée à une deuxième pièce métallique PM2 avec obtention d'une soudure S non- débouchante. Par exemple, la première pièce PM1 métallique a une épaisseur e d'environ 1.2 mm, alors que la deuxième pièce métallique PM2 a une épaisseur E d'environ 3.5 mm. Dans ce cas, une soudure S non-débouchante est effectuée en opérant, au moyen d'un faisceau laser ou d'électrons, une fusion à pleine pénétration à travers la première pièce métallique PM1 et une fusion à pénétration seulement partielle de l'autre pièce métallique PM2. Ici, afin de garantir une résistance suffisante à l'arrachement de la soudure S, il est nécessaire que la largeur ú de la zone de liaison ZL entre les deux pièces PM1 et PM2 soit de l'ordre de 0.8 mm à 1 mm. En effet, comme on peut le voir sur la figure 1, les soudures non- débouchantes selon la présente invention ont, en coupe transversale, une forme générale en triangle. Dès lors, pour que la liaison soit suffisamment résistante entre les pièces PM1 et PM2, il est préférable, voire nécessaire, que la largeur ú de la zone de liaison ZL soit proportionnelle à l'épaisseur e de la première pièce métallique PM1, c'est-à-dire telle que: 0.4 x e préférentiellement: e En outre, la distance D de pénétration de la soudure dans ladite deuxième pièce PM2 est telle que: D 6 2787364 pour pouvoir assurer une pénétration totale à travers les deux pièces PM1 et PM2 d'au moins 2 mm correspondant à la somme de l'épaisseur e (1. 2 mm) de la première pièce PM1 à souder et de la distance D de pénétration partielle au sein de la deuxième pièce PM2 souhaitée (au moins 0.8 mm). En outre, la trajectoire suivant laquelle est réalisée le cordon de soudure peut avoir des formes variées fermées ou non, notamment une forme de cercle, c'est-à-dire une forme en "O", par exemple d'un diamètre de 50 mm, ce qui nécessite la mise en oeuvre d'une puissance de 3.6 kW environ pendant une durée effective de soudage de l'ordre de 5 secondes. De préférence, on réalise un cordon de soudure continu selon la trajectoire prédéterminée. Toutefois, dans certains cas, il est souhaitable, voire nécessaire, de pouvoir aussi contrôler que la soudure ayant été réalisée est suffisamment résistante pour pouvoir supporter des contraintes importantes sans se déformer ou alors en se déformant jusqu'à un seuil de déformation acceptable donné. Pour pouvoir vérifier l'efficacité du procédé de soudage de l'invention, on réalise, de préférence lors du soudage des deux pièces PM1 et PM2, la liaison aussi par soudage d'une pièce-témoin PT à la première pièce PM1, ainsi que montré sur la figure 4. Pour ce faire, dans la mesure o l'on réalise un cordon de soudure CS continu lors du soudage desdites deux pièces PM1 et PM2, on place la pièce- témoin PT sur la trajectoire du faisceau laser ou d'électrons, de manière à obtenir un soudage de la pièce-témoin PT, ainsi qu'illustré sur les figures 2 et 3. Sur la figure 3, le cordon de soudure CS de fixation des deux pièces PM1 et 2 5 PM2 a, en vue de dessus, une forme circulaire, c'est-à-dire une forme de "O", alors que, sur la figure 2, le cordon de soudure CS a une forme de "6". Cependant, quelle que soit la forme du cordon, en "O" ou en "6", la pièce- témoin PT a été placée sur le trajet du faisceau laser ou d'électrons à l'origine du cordon de soudure CS. Ceci est aussi schématisé sur la figure 4, o l'on voit clairement que la pièce-témoin PT est située, d'une part, sur la première pièce PM1 qui est soudée sur la deuxième pièce PM2, et, d'autre part, sur la trajectoire TB de la tête ou buse B délivrant le faisceau laser ou d'électrons de soudage. 7 2787364 Pour contrôler l'efficacité du soudage, c'est-à-dire la résistance de la soudure, la largeur e de la zone de liaison ZL et la distance D de pénétration, il suffit de soumettre la pièce-témoin PT a un test d'arrachement. Les pièces-témoins PT ayant été soudées conformément au procédé de soudage de la présente invention ont donné des résultats tout-à-fait satisfaisants lors de tests d'arrachement. Selon un mode particulier de réalisation, la pièce-témoin PT est constituée d'une tôle ou d'une plaque métallique repliée sur elle-même, ce qui permet de réaliser un contrôle de pénétration à mi-distance selon l'épaisseur L de cette pièce- témoin PT, ainsi que schématisé sur la figure 5. Par ailleurs, selon la présente invention, les pièces métalliques PM1 et PM2 peuvent également être des pièces en métal ou alliage métallique revêtues. 8 2787364 REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage pour réaliser une soudure (S) non-débouchante entre au moins une première pièce métallique (PM1) et au moins une deuxième pièce métallique (PM2), dans lequel on réalise au moins une soudure (S) non- débouchante entre la première pièce métallique (PM1) et la deuxième pièce métallique (PM2) en opérant, au moyen d'au moins un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons, une fusion à pénétration au moins partielle de la première pièce (PM1) et une fusion à pénétration partielle de ladite deuxième pièce (PM2). 2. Procédé de soudage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on opère une fusion à pleine pénétration de la première pièce (PM1) et une fusion à pénétration partielle de ladite deuxième pièce (PM2). 3. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la deuxième pièce (PM2) à une épaisseur (E) et en ce que la distance de pénétration (D) de la soudure (S) dans ladite deuxième pièce (PM2) est telle que: D 4. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en 2 o ce que la distance de pénétration (D) de la soudure (S) dans ladite deuxième pièce (PM2) est d'au moins 1 mm, de préférence d'au moins 3 mm. 5. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première pièce métallique (PM1) a une épaisseur (e) et la deuxième pièce métallique (PM2) à une épaisseur (E) telles que: e mm et 5 mm. 6. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la soudure (S) entre la première pièce métallique (PM1) et la deuxième 3 o pièce métallique (PM2) est effectuée selon une trajectoire déterminée pour former un cordon de soudure (CS), de préférence un cordon de soudure (CS) continu et/ou en ce qu'au moins une partie du cordon de soudure (CS) est rectiligne et/ou en arc de cercle, notamment circulaire. 9 2787364 7. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la largeur (e) de la soudure au niveau de la zone (ZL) de liaison entre lesdites première et deuxième pièces métalliques (PM1, PM2) et l'épaisseur (e) de la première pièce métallique (PM1) sont telles que: 0. 4 x e 8. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que: (a) on soude, en outre, au moyen dudit faisceau laser ou dudit faisceau à électrons, une pièce-témoin (PT) pleine sur la première pièce métallique (PM1) en opérant, une fusion à pénétration au moins partielle, de préférence à pleine pénétration, de la pièce-témoin (PT) et une fusion à pénétration au moins partielle de ladite première pièce métallique (PM1), et (b) on contrôle la distance (D) de pénétration en évaluant la résistance de ladite pièce-témoin (PT) à au moins un effort mécanique, en particulier la résistance à l'arrachement de ladite pièce-témoin (PT). 9. Procédé de soudage selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite pièce-témoin (PT) est située sur la trajectoire de soudage de ladite première pièce métallique (PM1) à ladite deuxième pièce métallique (PM2). 10. Soudure (S) non-débouchante réunissant au moins une première pièce métallique (PM1) et au moins une deuxième pièce métallique (PM2) susceptible d'avoir été obtenue par mise en oeuvre d'un procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle présente une forme générale, en coupe transversale, approximativement triangulaire et/ou une largeur (#) au niveau de la zone de liaison (ZL) entre lesdites première et deuxième pièces métalliques (PM1, PM2) telle que: 0.4 x e pièce métallique (PM1).