Brevet FR2798084A1 — publié le 20010309

"Procédé et dispositif de soudage tôles" L'invention concerne un procédé et dispositif de soudage d'un empilement de tôles revêtues. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de soudage d'un empilement de tôles comprenant au moins une tôle supérieure et une tôle inférieure superposées dont l'une au moins est revêtue, au moins sur sa face interne adjacente à l'autre tôle, par au moins un revêtement métallique ayant une température de vaporisation inférieure ou égale à la température de fusion de la tôle de l'empilement ayant la température de fusion la plus faible. L'invention concerne aussi un dispositif de soudage laser d'un empilement de tôles revêtues d'un revêtement métallique ayant une température de vaporisation inférieure ou egale à la température de fusion de la tôle l'empilement ayant la température de fusion la plus faible. De tels empilements sont de plus en plus utilisés dans la lutte contre la corrosion, notamment dans l'industrie automobile. Le soudage d'un empilement de toles présente donc des enjeux importants surtout lorsqu'il s'agit de souder un empilement des tôles d'acier revêtues de zinc ou d'alliages de zinc. Le soudage par laser a l'avantage de chauffer les matériaux très localement, et ainsi de ne causer que de faibles déformations du revêtement de zinc et de 1a tôle. Le soudage laser est devenu une technique très utilisée pour souder des tôles revêtues. Plusieurs techniques peuvent être mises en oeuvre. L'une consiste à souder le bord de la tôle supérieure sur la tôle inférieure, c'est la technique dite de soudage à clin. Le laser doit chauffer la tranche de la tôle supérieure. Cette opération requiert une grande précision, cependant les tolérances des tôles sont importantes. II est donc nécessaire de suivre les bords de la tôle supérieure. Un dispositif détecte en permanence la position du bord de la tôle supérieure et oriente source laser afin que son point de focalisation soit situé au endroit. Ce dispositif est très coûteux. Une autre technique consiste à chauffer face supérieure de la tôle supérieure qui va transmettre, par conduction, la chaleur à la tôle inférieure jusqu'à ce la zone fondue s'étende de ladite face supérieure à la face inférieure de la tôle inférieure. C'est le soudage dit par transparence. Avec cette technique, un problème apparaît dans joint de soudure. II est du à la température de vaporisation zinc (environ 900 C) qui est inférieure à la température fusion de l'acier (environ 1500 C). En conséquence, lors de la soudure, il se produit une vaporisation du zinc qui est préjudiciable à la qualité de la soudure. Des bulles de vapeurs de zinc se forment, occasionnant des cratères à l'intérieur de la soudure, ce qui affecte l'esthétique et surtout à la qualité de la soudure. En effet, la soudure étant poreuse sa résistance mécanique est plus faible et son étanchéité n'est pas assurée. De plus, le soudage provoque des projections métal en fusion vers l'extérieur des tôles. Ces projections deux effets. D'une part, il faut positionner les optiques associées aux appareils lasers et qui sont nécessaires à la focalisation du faisceau sur les tôles souder à une distance minimum est supérieure à la distance maximum des projections de metal en fusion. Cette distance minimum, qui est de l'ordre de à 300 millimètres, est supérieure à la distance permettant une focalisation précise du faisceau sur les tôles à souder. D'autre part, les projections de métal fusion diminuent la qualité du soudage par manque de matière. Pour remédier à ces inconvénients, il a été proposé de ménager un jeu entre les tôles pour favoriser l'évacuation des vapeurs de zinc lors du soudage. A cet effet la demande de brevet français n 95.02772 propose de réaliser, avant le soudage, un emboutissage de la zone à souder. Le demande de brevet internationale WO-A1-99108829 propose de former des protubérances par chauffage local sur la zone à souder la surface supérieure de la tôle inférieure. Après avoir mis place la tôle supérieure, les deux tôles sont soudées par transparence. Ces solutions ne sont pas satisfaisantes. En effet, elles sont compliquées a mettre en oeuvre. De plus, elles augmentent le temps de travail sur les tôles et nécessitent des opérations supplémentaires coûteuses. Dans le but d'apporter une solution à ces problèmes, l'invention propose un procédé du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes - empilage sans jeu des deux tôles ; - chauffage par une première source de chaleur dirigée sur la face externe de l'une des tôles de l'empilement, d'une première zone, de façon que la température de chaque face interne revêtue soit supérieure ou égale à la température de vaporisation du revêtement de cette face et de façon que la température de chaque tôle, au voisinage de l'interface entre les deux tôles, soit inférieure à sa température de fusion ; - puis, après que les vapeurs du revêtement aient évacué une deuxième zone comprise dans la première zone, chauffage par seconde source de chaleur d'une troisième zone, comprise dans la seconde zone, à une température permettant la fusion locale de chaque tôle jusqu'à ce que l'empilement tôles soit soudé. Selon d'autres caractéristiques du procédé - on provoque un mouvement relatif entre deux sources de chaleur et l'empilement de tôles de façon la troisième zone se déplace par rapport à l'empilement tôles pour former un cordon de soudure ; - les deux sources de chaleur sont reliées entre elles par des moyens, permettant de régler en permanence leurs positions relatives, selon la direction de soudage, en fonction de l'épaisseur des tôles, du revêtement et de la vitesse du mouvement relatif des sources de chaleur par rapport à l'empilement de tôles ; le revêtement est un alliage contenant du zinc ; le revêtement est du zinc ; la première source de chaleur est une source laser ; la seconde source de chaleur est une source laser ; la première et la seconde source de chaleur font appel à une source laser unique alimentant chacune deux sources. L'invention propose aussi un dispositif de soudage laser d'un empilement de tôles revêtues d'un revêtement metallique ayant une température de vaporisation inférieure ou égale à la température de fusion de la tôle de l'empilement ayant la température de fusion la plus faible, caractérisé en ce qu'il comporte deux sources de chaleur attelées, et en qu'il permet de souder par transparence l'empilement sans jeu de tôles revêtues. Selon une autre caractéristique du dispositif, les deux sources de chaleur font appel à une source laser unique alimentant chacune des deux sources. L'invention propose donc un procédé et un dispositif permettant de souder un empilage de tôles revêtues de zinc par une soudure qui présente une bonne tenue mécanique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 represente une vue en coupe de deux tôles revêtues ; - la figure 2 représente la première étape du procédé d'assemblage selon l'invention de deux tôles revêtues ; - la figure 3 represente le gradient de température dans une coupe selon la ligne 3-3 de la figure 2 de l'assemblage des deux tôles lors de première étape du procédé selon l'invention ; - la figure 4 représente la deuxième étape du procédé d'assemblage selon l'invention des deux tôles revêtues ; - la figure 5 represente la zone soudée dans une coupe selon la ligne 5-5 que la figure 4 de l'assemblage des deux tôles lors de la deuxième étape du procédé selon l'invention ; - la figure 6 représente un dispositif selon l'invention, mis en aeuvre pour souder des tôles revêtues. Dans la description une orientation supérieure, inférieure est utilisée, à titre non limitatif, conformément à la figure 1. On a représenté la figure 1 une première tôle 10 et une seconde tôle 12. La première tôle supérieure 10 comporte une face supérieure 14 et une face inférieure 16 qui est revêtue d'une couche de zinc 18. La seconde tôle inférieure 12 comporte une face supérieure 20 et une face inférieure 22. La face supérieure 20 est revêtue d'une couche zinc 24. Les deux faces 16 et 20 revêtues de zinc sont dites galvanisées. Avantageusement, selon une variante non représentée, les deux faces de chaque tôle sont galvanisées. L'épaisseur des tôles 10 et 12 varie de 0,6 à 2 millimètres et l'épaisseur du revêtement de zinc varie entre 8 et 12 micromètres dans le cas d'applications au domaine de la construction automobile. L'invention consiste à réaliser deux étapes successives de chauffage d'une zone de l'empilement des tôles 10 et 12. Un premier mode de réalisation met en oeuvre une première source de chauffage 26 et une seconde source de chauffage 28 pour réaliser un point de soudure sensiblement cylindrique. En vue du soudage, deux tôles 10 et 12 sont superposées sans jeu vertical de façon que les couches de zinc 18 et 24 soient en contact dans les zones à souder. Une première étape est illustrée aux figures 2 et 3 met en oeuvre la première source de chauffage 26. Elle permet préchauffer par rayonnement d'un faisceau d'énergie 30 une première zone d'impact 27 de forme sensiblement circulaire de diametre D1 de la face supérieure 14 de la première tôle 10. Le transfert de chaleur se fait par conduction rapide assurant ainsi une faible différence de températures entre celle de la zone 27 de la surface supérieure 14 et celle à l'interface de soudage entre les faces 16 et 24. Le préchauffage se poursuit jusqu'à ce qu'une température supérieure à la température d'évaporation du zinc, c'est-à-dire supérieure à 900 C soit atteinte à l'interface des couches de zinc 18 et 24. La température des tôles 10 et 12 à proximité de l'interface reste, quant à elle, à une température inférieure à la température de fusion, en vue soudage, qui dans le cas de l'acier est supérieure à 1500 C. Cette première étape assure l'évacuation des vapeurs de zinc en dehors de la future zone de soudage. Un gradient de température existe dans l'assemblage des deux tôles 10 et 12. II est représenté partiellement à la figure 3. Une température T1 correspond à la température de vaporisation du zinc et une température T2 correspond à une température inférieure à la température de fusion l'acier. Le zinc et la vapeur de zinc sont alors evacués d'une deuxième zone de diamètre D2 supérieure au diamètre du point de soudure à réaliser ultérieurement. Avantageusement, la première source de chauffage 26 est une source laser telle qu'une source dite ou C02 ou une diode laser. L'utilisation d'une diode laser est adaptée à cette première etape. En effet, elle permet de chauffer zone 27 de 2 ou mm de diamètre, contrairement à d'autres sources lasers focalisent en une zone de plus petite. Pour cette première étape l'utilisation d'une source laser YAG plus adaptée que l'utilisation d'une source laser C02. En effet, le coefficient d'absorption de l'acier varie en fonction de la longueur d'onde du faisceau incident. II diminue lorsque la longueur d'onde du rayonnement augmente. Le coefficient d'absorption de la tôle pour un rayonnement émis la source laser YAG de 1 micromètre de longueur d'onde est l'ordre de 20 à 30 %. La longueur d'onde du rayonnement emis par la source est de 10 micromètres soit dix fois supérieure à celle rayonnement émis par la source YAG, coefficient d'absorption de la tôle étant alors de l'ordre de 10 a 15%. Lorsque la source de chauffage 26 est une première source laser elle émet à travers une optique un faisceau laser qui est fortement absorbé par la première tole 10. Une seconde étape illustrée aux figures et 5 est mise en oeuvre après un temps déterminé. Ce temps déterminé doit être suffisant pour permettre le refroidissement et la condensation des vapeurs de zinc au-delà de la deuxième zone de diamètre D2, conformément à la figure 5, supérieure au diamètre du point de soudure ultérieur. De plus, la maîtrise de la pénétration du soudage lors de la deuxième étape de chauffage s'obtient à partir d'une valeur constante de température résiduelle de la première étape dans l'assemblage des deux tôles 10 et 12. La seconde source de chauffage 28 permet par exemple le soudage à haute densité d'énergie selon une technique connue de l'état de la technique dite soudage en "key-hole". Conformément à la figure 5, une zone d'impact 40 du faisceau d'énergie 36 sur la face supérieure 14 de la première tôle 10 a un diamètre D4 inférieur au diamètre D1 de la première zone 27 de chauffée lors de la première étape. Le transfert par conduction thermique permet de fondre les deux tôles 10 et 12 dans une troisième zone 42. Cette troisième zone 42 a un diamètre D3 au niveau de l'interface entre la première tôle 10 et la seconde tôle 12 qui est inférieur au diamètre D2 correspondant à la zone dans laquelle le zinc a été évacué lors de la première étape. Le zinc ayant été évacué de la troisième zone 42 aucune bulle de gaz provenant de sa vaporisation ne se retrouve dans l'acier en fusion. De ce fait, il ne se produit aucune projection d'acier en fusion vers l'extérieur de la zone soudée. La source de chauffage 28 n'étant pas exposée aux projections, il est possible de la rapprocher la face 14 de manière à obtenir une distance focale courte 'est-à-dire de l'ordre de 100 mm. Cela permet d'augmenter densité d'énergie de la source 28 et par conséquent de reduire la puissance et donc la consommation d'énergie de source de chauffage 28 pour un chauffage identique. Après refroidissement la troisième zone 42 est une soudure exempte de toute porosité et sa tenue mécanique est maximale. Avantageusement, la seconde source de chauffage 28 est une source laser ou C02 ayant une puissance comprise entre 2 et 6 kW suivant les paramètres de soudage. L'utilisation de l'une ou l'autre des sources lasers est équivalente. En effet, la mise en oeuvre du soudage dit en key- hole permet de s'affranchir du coefficient d'absorption des tôles. Les rendements énergétiques deux sources lasers sont similaires. Si la seconde source de chauffage 28 est une seconde source laser, elle émet à travers une optique 34 un faisceau 36 à plus haute densité d'énergie que première source de chauffage 26. Avantageusement, les sources de chauffage 26 et 28 sont une source de chauffage unique dont on fait varier la puissance, la distance focale et/ou le diamètre de la zone chauffée. Selon un deuxième mode de réalisation illustré à la figure 6 on met en oeuvre la première source de chauffage 26 et la seconde source de chauffage 28 pour réaliser un cordon de soudure 44. Les deux sources de chauffage 26 et 28 sont fixées à un même bras robotisé 46 qui permet de suivre précisément la forme du cordon de soudure 44 déterminé. Les puissances des deux sources 26 et 28 sont réglées de manière à réaliser les deux étapes précédentes successive ment en une seule passe. La seconde source de chauffage 28 est fixée à une coulisse 48 asservie. Cette dernière permet de régler la distance entre la première 26 et la seconde 28 source de chauffage de manière à maintenir mêmes paramètres de mise en oeuvre du procédé en prenant compte les variations de courbure de la trajectoire du cordon soudure 44 et/ou de l'épaisseur des deux tôles 10 et 12. Comme la maîtrise de la pénétration du soudage lors de la deuxième étape s'obtient à partir d'une valeur constante de température résiduelle dans l'empilement tôles 10 et 12, la valeur de température résiduelle est maintenue par réglage de la distance entre les sources pour compenser les variations de vitesse et les différences d'épaisseur. Lorsque la vitesse de soudage augmente, il est nécessaire, d'augmenter la distance qui sépare les deux sources de chaleur 26 et 28, pour que le temps écoulé entre le chauffage d'une zone déterminée par la première source de chaleur 26 et le chauffage de cette même zone par la seconde source de chaleur 28 reste constant. De même, si l'épaisseur de l'empilement des tôles 10 et 12 varie, il faut modifier la vitesse de soudage et/ou la distance entre les deux sources de chauffage. La mise en oeuvre de ce deuxième mode de réalisation permet, comme dans le premier, d'évacuer le zinc de la troisième zone 42 soudée. L'absence de projections et donc la possibilité de rapprochement des deux sources de chauffage permet d'augmenter la vitesse de soudage. En effet la densité d'énergie étant plus importante, l'élévation de température dans l'empilement est plus rapide. Avantageusement, la première zone 27 de la face supérieure 14 de la première tôle 10 qui est chauffée par la première source de chauffage 26 est optimisée du point de vue du transfert thermique. Elle est alors de forme elliptique conformément à la figure 6, son grand axe peut, par exemple être parallèle à la trajectoire du cordon de soudure. Cela permet d'augmenter l'efficacité du chauffage de la zone à souder. Avantageusement, une source laser unique émet un faisceau laser qui alimente les optiques 32 et 34. Le procédé ainsi décrit permet de réaliser, par transparence des points ou des cordons de soudure sans porosité à partir d'un empilement de deux tôles sans jeu de façon que les tôles soient en contact dans la zone à souder. Cela supprime les opérations coûteuses préparation des tôles et facilite leur positionnement l'une rapport à l'autre. REVENDICATIONS Procédé de soudage d'un empilement de tôles comprenant au moins une tôle supérieure (10) et une tôle inférieure (12) superposées dont l'une au moins est revêtue, au moins sa face interne adjacente à l'autre tôle, par au moins un revêtement métallique ayant une température de vaporisation inférieure ou égale à la température de fusion de la tôle de l'empilement ayant la température de fusion la plus faible, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes empilage sans jeu des deux tôles (10, 12) ; chauffage par une première source de chaleur (26) dirigée sur la face externe de l'une des tôles l'empilement, d'une première zone (27, D1), de façon que température de chaque face interne (16, 20) revêtue soit superieure ou égale à la température de vaporisation du revêtement de cette face et de façon que la température de chaque tôle, voisinage de l'interface entre les deux tôles, soit inférieure ' température de fusion ; puis, après que les vapeurs du revêtement aient évacué une deuxième zone (D2) comprise dans la première zone, chauffage par une seconde source de chaleur d'une troisième zone (42, D3), comprise dans la deuxieme zone (D2), à une température permettant la fusion locale chaque tôle jusqu'à ce que l'empilement de tôles soit soudé. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce l'on provoque un mouvement relatif entre les deux sources de chaleur (26, 28) et l'empilement de tôles façon que la troisième zone (42) se déplace par rapport a l'empilement de tôles pour former un cordon de soudure (44), 3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les deux sources de chaleur sont reliées entre elles par des moyens (48), permettant de régler en permanence leurs positions relatives, selon la direction de soudage, en fonction de l'épaisseur des tôles, du revêtement et de la vitesse du mouvement relatif des sources de chaleur (26), (28) rapport à l'empilement de tôles (10, Procédé selon l'une quelconques revendications précédentes, caractérisé en ce que le revêtement est un alliage contenant du zinc. 5. Procédé selon l'une quelconque revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le revêtement est zinc. 6. Procédé selon une quelconque revendications précédentes, caractérisé en ce que la première source de chaleur (26) est une source laser. 7. Procédé selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde source de chaleur (28) est une source laser. 8. Procédé selon les revendications et 7, caractérisé en ce que la première et la seconde source chaleur (26, 28) font appel à une source laser unique alimentant chacune des deux sources. 9. Dispositif de soudage laser d'un empilement de tôles (10, 12) revêtues d'un revêtement métallique ayant une temperature de vaporisation inférieure ou égale à la temperature de fusion de la tôle de l'empilement ayant la température de fusion la plus faible, caractérisé en ce qu'il comporte deux sources de chaleur (26, 28) attelées et en ce qu'il permet de souder par transparence sans jeu l'empilement de tôles revêtues selon la revendication 3. 10. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les deux sources de chaleur (26, 28) font appel à une source laser unique alimentant chacune des deux sources (26, 28).