Brevet FR2825305A1 — publié le 20021206

La présente invention concerne un procédé de soudage par faisceau laser utilisant une buse de distribution de gaz de protection améliorée. La réalisation de cordon de soudure avec un laser de puissance se fait généralement sous une atmosphère gazeuse inerte, par exemple à base d'hélium, d'argon, d'azote... ou de tout autre mélange gazeux contenant un ou plusieurs de ces composés additionnés à un ou plusieurs autres gaz. A titre d'exemple, on peut se reporter aux documents EP-A- 1022086 et EP-A-1022087. En fait, la nature de l'atmosphère gazeuse mise en oeuvre influe fortement sur le résultat de la soudure réalisée, tant au niveau des performances que de l'aspect du cordon de soudure. Typiquement, plus le seuil d'ionisation du gaz ou mélange gazeux utilisé est élevé, moins il y a de risque d'extension de l'ionisation du plasma de vapeur métallique, présent au-dessus de l'embouchure du capillaire de soudage laser, au milieu gazeux ambiant. Ce phénomène d'extension de l'ionisation au gaz de protection est communément appelé phénomène de claquage dans le gaz. Lorsqu'un plasma se forme dans le gaz de protection, via le phénomène de claquage cité ci dessus, ce dernier absorbe fortement le rayonnement laser incident. L'énergie laser ainsi absorbée par le plasma de gaz de protection entretien et contribue à l'extension de l'ionisation dans le milieu ambiant. Les dimensions du plasma dans le gaz de protection deviennent alors encore plus importantes et le faisceau laser incident y est de plus en plus absorbé... Ce phénomène de claquage et d'absorption du rayonnement laser dans la plume de plasma dans le gaz de protection s'accompagne d'une diminution de l'énergie laser disponible à la surface de la cible. L'irradiation de la surface de la cible à souder n'est plus optimum et le procédé de soudage laser s'en trouve fortement perturbé. L'absorption du rayonnement dans la plume de plasma dans gaz de protection peut être si efficace que la densité de puissance laser irradiant la cible passe en dessous du seuil de densité de puissance permettant la vaporisation du matériau. Mis à part la nature du gaz utilisé, les moyens de distribution de gaz de protection qui servent à apporter et à délivrer le gaz dans la zone d'interaction entre le faisceau laser et les pièces à souder durant le processus de soudage, et la manière dont le gaz est distribué autour de la zone d'interaction avec le laser influencent considérablement le résultat pouvant être obtenu. En effet, on comprend aisément que si l'atmosphère de protection n'est pas correctement distribuée autour de la zone de soudage, des composés et/ou impuretés atmosphériques présents dans l'air ambiant peuvent se mélanger au gaz de couverture et/ou atteindre le métal en fusion et venir perturber le processus de soudage laser et donc la qualité du cordon de soudure réalisé. Divers systèmes de buses sont habituellement utilisés pour distribuer le gaz de protection près de la zone d'interaction entre le faisceau laser et le métal, c'est-à-dire au voisinage immédiat de la zone de soudage ou de fusion du métal, les principaux systèmes étant les buses dites"coaxiales"et les buses latérales. Les buses coaxiales permettent d'obtenir une protection gazeuse uniforme, homogène et constante tout autour de la zone d'interaction. Elles sont utilisées pour des faibles puissances laser, et/ou densités de puissance laser. Dans ce cas précis, les dimensions de la plume de plasma qui se forme au-dessus de la zone d'interaction sont assez faibles. Le corps de la buse coaxiale n'est pas trop affecté ou détérioré par la plume de plasma. Le faisceau laser se propage au centre de la buse et le gaz de protection est distribué de manière co-axiale autour de la zone d'interaction entre le laser et la tôle ; Ces buses coaxiales sont généralement adaptées aux besoins de chaque type de soudure. Par exemple, certains aménagements de buse permettent d'obtenir un double flux gazeux autour de la zone d'interaction avec le laser et une meilleure'protection du cordon de soudure. Des dispositifs de buses coaxiales sont notamment décrits dans les documents EP-A-1018394, EPA-570152, DE-A-3820848, WO-A-95/33594, WO-A-96/23624, EP-A- 990480, EP-A-985484, DE-A-19616844 et JP-A-2-14629. Par ailleurs, les buses dites "latérales" sont généralement des buses de formes cylindriques en métal ou en céramique, de différents diamètres et de différentes épaisseurs. Selon la configuration de soudage adoptée, elles peuvent être positionnées spécifiquement et différemment autour du cordon de soudure et à proximité immédiate de celui-ci. Les buses latérales sont habituellement utilisées pour les fortes puissances laser et/ou densités de puissance, qui induisent une plume de plasma métallique intense et de dimension importante au-dessus de la l'embouchure du capillaire au cours du processus de soudage laser. Les buses latérales sont aussi efficaces pour la réalisation de cordons de soudure avec des puissances laser et/ou densités de laser plus faibles. Des dispositifs à buses latérales sont notamment décrits dans les documents EP-A-1016492 et WO-A-97/34729. Les écoulements gazeux dans ces buses latérales sont supposés être laminaires et des simulations numériques ayant été faites à froid, c'est-à-dire sans tenir compte des phénomènes liés aux interactions entre faisceau laser et métal, ont montré que le gaz distribué par une buse latérale se répartit de manière assez homogène à la surface des tôles à souder. D'autres simulations faites à chaud, c'est-à-dire en intégrant les notions de capillaire de vapeur, de plume de plasma en surface, de bain de métal en fusion (...) ont montré que les écoulements gazeux près de la zone d'interaction ne sont plus aussi parfaits que dans le cas à froid. Des phénomènes de convection et de turbulences se formant dans le gaz ayant été mis en évidence et étant susceptibles de modifier de façon notable les observations pouvant être faites à froid. Il en résulte que l'homogénéité de la répartition gazeuse autour de la zone d'interaction du laser avec la tôle et à proximité du cordon de soudure, en est fortement perturbée. En effet, il apparaît alors des zones où la concentration en gaz de protection est très faible. La protection de la zone d'interaction considérée devient alors imparfaite et on observe l'apparition de phénomène de claquage qui absorbe le rayonnement laser incident et nuisent au processus de soudage. En laissant s'infiltrer des impuretés atmosphériques jusqu'au contact du métal en fusion, on observe aussi parfois l'apparition de défauts dans la soudure. Avec une buse 1 cylindrique classique, comme schématisé sur la figure 1, la zone d'interaction est plus ou moins éloignée de l'embouchure 2 de la buse l. Généralement, l'inclinaison de la buse par rapport à la surface 3 des pièces à souder est proche de 450 et l'axe (AA) du cylindre croise virtuellement la zone d'intersection. Avec ce type d'agencement, il est difficile de rapprocher la buse 1 de la zone d'interaction sans que le corps de buse 1 ne soit irradié par le faisceau laser 4 incident. Il s'ensuit que le gaz distribué par la buse 1 se disperse à la sortie de celle-ci vers les cotés et le haut de la buse. Donc, lorsque la plume de plasma réchauffe le gaz, ce dernier s'élève et induit par la même occasion des effets d'aspirations d'air riche en éléments nuisibles au processus de soudage, telles les impuretés azote, oxygène... Le but de l'invention est alors de résoudre les problèmes se posant en soudage laser avec les buses latérales de l'art antérieur et de proposer un procédé de soudage laser utilisant une buse latérale de soudage améliorée, c'est-à-dire dont l'utilisation limite les effets de dispersion du gaz de protection au cours du processus de soudage laser mettant en oeuvre cette buse latérale. La solution de l'invention repose alors sur un procédé de soudage par faisceau laser d'une ou plusieurs pièces, dans lequel : - on délivre un faisceau laser au moyen d'une tête de soudage d'axe (BB), - on délivre un gaz de protection au moyen d'une buse latérale d'alimentation en gaz d'axe (AA), l'axe (AA) de la buse et l'axe (BB) de la tête de soudage formant un angle non nul l'un par rapport à l'autre, ladite buse étant formée d'un corps de buse avec un orifice d'entrée de gaz par lequel le gaz de pénètre dans ledit corps de buse et un orifice de sortie de gaz par lequel le gaz est expulsé du corps de buse, et - on dirige le faisceau laser à travers un évidemment pratiqué dans la paroi latérale du corps de buse de manière à ce que ledit faisceau laser entre à l'intérieur dudit corps de buse par ledit évidemment et ressorte ensuite dudit corps de buse pour aller chauffer, fondre ou vaporisé au moins un matériau à souder. Selon le cas, l'évidemment pratiqué dans la paroi latéral du corps de buse est au moins une échancrure rejoignant l'orifice de sortie de gaz et située sur la partie supérieure de la buse. Selon un autre mode de réalisation, l'invention porte aussi sur un procédé de soudage par faisceau laser d'une ou plusieurs pièces, dans lequel : - on délivre un faisceau laser au moyen d'une tête de soudage d'axe (BB), - on délivre un gaz de protection au moyen d'une buse latérale d'alimentation en gaz d'axe (AA), l'axe (AA) de la buse et l'axe (BB) de la tête de soudage formant un angle non nul l'un par rapport à l'autre, la buse étant formée d'un corps de buse avec un orifice d'entrée de gaz par lequel le gaz pénètre dans le corps de buse et un orifice de sortie de gaz par lequel le gaz est expulsé du corps de buse en direction de la zone de soudage, - on utilise une buse comportant au moins une cloison latérale (6) agencée au niveau de l'orifice de sortie de ladite buse de manière à canaliser le gaz dans l'espace délimité par ladite au moins une cloison latérale et l'orifice de sortie du corps de buse de manière à le concentrer au niveau de la zone de soudage, et - on dirige le faisceau laser dans ledit espace situé entre ladite au moins une cloison latérale et l'orifice de sortie du corps de buse, ledit faisceau laser ressortant ensuite dudit espace pour aller fondre au moins un matériau à souder. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes : - on soude ensemble les deux bords longitudinaux d'une feuille métallique pour obtenir une structure tubulaire soudée. - on soude ensemble deux pièces métalliques. - il comporte au moins deux cloisons latérales agencées face à face et de part et d'autre de l'orifice de sortie de gaz de la buse de manière à former des guides pour le gaz dirigé approximativement parallèlement à l'axe du cordon de soudure à réaliser. - les deux cloisons latérales sont formées en une pièce unique, ou en plusieurs pièce pièces assemblées, formant jupe et ayant sensiblement une forme en U. - la buse est de forme cylindrique ou conique, convergente ou divergente. La section de la buse pouvant être circulaire, ellipsoïde ou oblongue. - le gaz est choisi dans le groupe formé par les gaz rares, en particulier l'hélium, l'argon, l'azote, le dioxyde de carbone, l'oxygène, l'hydrogène et les alcanes. - la densité de puissance du faisceau laser focalisé permettent d'induire au moins la fusion du matériau et/ou la génération d'un capillaire de soudage. - les deux cloisons latérales comportent des moyens d'alimentation en gaz permettant une distribution latérale de gaz dans l'espace. L'invention porte aussi sur une installation de soudage par faisceau laser comportant : - des moyens de génération d'un faisceau laser pour générer un faisceau laser, - une tête de soudage d'axe (BB) pour délivrer le faisceau laser, - une buse latérale d'alimentation en gaz d'axe (AA), l'axe (AA) de la buse et l'axe (BB) de la tête de soudage formant un angle non nul l'un par rapport à l'autre, ladite buse étant formée d'un corps de buse avec un orifice d'entrée de gaz par lequel pénètre un gaz dans ledit corps de buse et un orifice de sortie de gaz par lequel est expulsé un gaz du corps de buse, - au moins une source de gaz pour alimenter l'orifice d'entrée de ladite buse en gaz de protection, caractérisée en ce que la paroi latérale du corps de buse comporte au moins un évidemment par lequel le faisceau laser entre à l'intérieur dudit corps de buse. Selon encore un autre aspect, l'invention a trait à une installation de soudage par faisceau laser comportant : - des moyens de génération d'un faisceau laser pour générer un faisceau laser, - une tête de soudage d'axe (BB) pour délivrer le faisceau laser, - une buse latérale d'alimentation en gaz d'axe (M), l'axe (M) de la buse et l'axe (BB) de la tête de soudage formant un, angle non nul l'un par rapport à l'autre, ladite buse étant formée d'un corps de buse avec un orifice d'entrée de gaz par lequel pénètre un gaz dans ledit corps de buse et un orifice de sortie de gaz par lequel est expulsé un gaz du corps de buse, - au moins une source de gaz pour alimenter l'orifice d'entrée de ladite buse en gaz de protection, caractérisée en ce que la buse comporte au moins une cloison latérale agencée au niveau de l'orifice de sortie de ladite buse de manière à canaliser le gaz délivré par ladite buse dans l'espace délimité par ladite au moins une cloison latérale et l'orifice de sortie du corps de buse. Selon le cas, la buse comporte au moins deux cloisons latérales agencées face à face et de part et d'autre de l'orifice de sortie de gaz de la buse de manière à former des guides pour le gaz, dirigé approximativement parallèlement à l'axe du cordon de soudure à réaliser, de préférence les deux cloisons latérales sont formées en une pièce unique formant jupe et ayant sensiblement une forme en U. L'invention vise donc à contenir ou à minimiser la dispersion du jet de gaz à la sortie d'une buse latérale de manière à obtenir un écoulement le plus laminaire et unidimensionnel possible à la surface de la tôle, au niveau de la zone d'impact du faisceau laser, c'est-à-dire de la zone de soudage. Grâce au procédé de l'invention, la zone d'interaction est parfaitement protégée et le processus de soudage laser est bien plus performant. La zone d'interaction est alors située dans cet écoulement gazeux de manière à ce que le cordon de soudure se développe suivant cet axe privilégié. L'invention va être décrite plus en détail en références aux figures annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 est une représentation schématique, en vues de côté et de face, d'une buse d'apport de gaz de protection latérale selon l'art antérieur, - la Figure 2 est une représentation schématique, en vue de côté, d'une buse d'apport de gaz latérale présentant une échancrure selon le premier mode de réalisation de l'invention, - la Figure 2 est une représentation schématique en 3 dimensions de la buse de la Figure 2, - la Figure 3 est une représentation schématique, en vue de côté, d'une buse d'apport de gaz latérale présentant des cloisons latérales de protection (jupe en U) qui confinent l'écoulement gazeux autour de la zone d'interaction avec le laser selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, - la Figure 5 est une représentation schématique en 3 dimensions de la buse de la Figure 4, et - la Figure 4 est une représentation schématique en 3 dimensions, de côté et de face, d'une buse analogue à celle de la figure 5 mais comportant des moyens permettant d'injecter du gaz au plus près de la zone d'interaction. Pour conserver le caractère laminaire de l'écoulement gazeux audelà de l'embouchure de la buse, on utilise un système de guidage qui peut être selon le cas : - soit une échancrure 5 ou un orifice pratiqué dans la paroi latérale au niveau de l'embouchure 2 de sortie de la buse 1 de distribution de gaz de manière à ce que la zone d'interaction se trouve à l'intérieur de la buse. Dans ce cas, comme schématisé sur les figures 2 et 3, l'échancrure 5 sert à laisser passer le faisceau laser 4 et les propriétés de l'écoulement dans la buse 1 sont alors conservées dans la zone d'interaction. - une ou plusieurs parois 6 ou jupes latérales agencées de part et d'autre de l'extrémité aval 2 de la buse 1 cylindrique qui limite toute dispersion latérale de l'écoulement en dehors de la buse 1, comme visible sur les figures 4 à 6. De plus, les parois latérales 6 peuvent aussi être adaptées pour alimenter en gaz la zone d'interaction, transversalement 7 au déplacement du laser, comme montré sur la figure 6. Cette injection de gaz perturbe l'écoulement unidimensionnel initial mais il permet d'injecter du gaz de manière uniforme autour de la zone d'interaction. Toutefois, il est préférable de limiter l'espacement entre la buse 1 latérale et les tôles 3 pour éviter tout phénomène d'aspiration du gaz environnant, c'est-à-dire de l'air ambiant. Il est à noter que l'invention peut s'appliquer à toutes sortes de buses latérales, à savoir aux buses linéaires, coudées, de tous les diamètres, en tous les matériaux... Par ailleurs, la matière du guide de gaz, c'est-à-dire des jupes ou parois latérales, peut être de n'importe quelle nature, l'important étant que le matériau utilisé résiste aux conditions thermiques environnantes. En outre, un système de refroidissement peut être intégré à chacun des systèmes d'apport de gaz, c'est-à-dire des buses, pour maintenir les parois de la buse et le gaz incident à température voulue, préférentiellement constante. L'angle que fait l'axe (AA) de la buse 1 avec la surface de la tôle peut être compris entre 5 et 850. La buse 1 peut être installée dans n'importe quelle position autour de la zone d'interaction. Il est à noter que le plan défini par les axes (AA) et (BB) contient et passe par l'axe du cordon de soudure. Un système de réglage approprié permet d'adapter le positionnement de l'échancrure 5 par rapport à la zone d'impact du faisceau laser sur la cible. Afin d'éviter d'éventuel contact entre la buse 1 et le renflement du cordon de soudure, un léger évidemment 9 ou seconde échancrure peut être réalisé à l'arrière de la buse 1, à l'opposé de l'échancrure 5 ; les dimensions de cette seconde échancrure 9 sont préférentiellement légèrement supérieures aux dimensions du renflement du cordon de soudure. Afin de maintenir le gaz de protection de manière encore plus efficace dans la zone ou espace 8 défini par les parois latérales 6 (voir figures 5 ou 6), il peut être judicieux de fixer une pièce formant couvercle sur le dessus des cloisons 6 latérales, c'est-à-dire à l'extrémité de la flèche de la référence 8 de la figure 6. En outre, dans les applications qui le nécessiteraient, notamment en soudage hybride laser et arc, il est possible d'amener un fil de soudage fusible par l'intérieur de la buse selon l'invention. Une buse conforme à l'invention peut être utilisée dans toutes les configurations de soudage laser, pour des densités de puissance allant de 0.1 MW/cm2 à 30 MW/cm2, notamment en soudage à plat (en bord à bord, en transparence, en pleine tôle, à clin...), débouchant et nondébouchant, et en soudage vertical (corniche, montante, descendante...), débouchant et non-débouchant. La buse de protection sert principalement à distribuer le gaz de protection dans la zone d'interaction du faisceau laser incident ; toutefois, une base analogue peut aussi être utilisée afin de distribuer du gaz de protection du côté envers de la tôle, là où le capillaire de soudage débouche. Revendications 1. Procédé de soudage par faisceau laser (4) d'une ou plusieurs pièces (3), dans lequel : - on délivre un faisceau laser (4) au moyen d'une tête de soudage d'axe (BB), - on délivre un gaz de protection au moyen d'une buse (1) latérale d'alimentation en gaz d'axe (AA), l'axe (AA) de la buse (1) et l'axe (BB) de la tête de soudage formant un angle non nul l'un par rapport à l'autre, la buse (1) étant formée d'un corps de buse avec un orifice d'entrée de 4-i tA gaz par ieque ! ! e gaz pénètre dans ! e corps de buse et un orifice (2) de sortie de gaz par lequel le gaz est expulsé du corps de buse en direction de la zone de soudage, - on utilise une buse (1) comportant au moins deux cloisons latérales (6) agencées au niveau de l'orifice (2) de sortie de ladite buse (1) de manière à canaliser le gaz dans l'espace (8) délimité par les cloisons latérales (6) et l'orifice (2) de sortie du corps de buse (1) de manière à le concentrer au niveau de la zone de soudage, et - on dirige le faisceau laser (4) dans ledit espace (8) situé entre ladite au moins une cloison latérale (6) et l'orifice (2) de sortie du corps de buse (1), ledit faisceau laser (4) ressortant ensuite dudit espace (8) pour aller fondre au moins un matériau à souder, caractérisé en ce que les deux cloisons latérales (6) comportent des moyens d'alimentation en gaz permettant une distribution (7) latérale de gaz dans l'espace (8). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux cloisons latérales (6) agencées face à face et de part et d'autre de l'orifice (2) de sortie de gaz de la buse (1) de manière à former des guides pour le gaz dirigé approximativement parallèlement à l'axe du cordon de soudure à réaliser. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux cloisons latérales (6) sont formées en une pièce unique, ou en plusieurs pièce pièces assemblées, formant jupe et ayant sensiblement une forme en U. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la buse (1) est de forme cylindrique ou conique, convergente ou divergente. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz est choisi dans le groupe formé par les gaz rares, l'argon, iwil, l'azote, le dioxyde de carbone, l'oxygène, l'hydrogène et les alcanes.