Brevet FR2822399A1 — publié le 20020927

INSTALLATION DE SOUDAGE AU LASER À FORTE PUISSANCE DESCRIPTION Le sujet de cette invention est une installation de soudage au laser à forte puissance. Ce genre de soudage nécessite l'apport d'un gaz de protection sur la région de soudage afin de faciliter la formation d'un plasma d'interaction, notamment pour supprimer un phénomène de claquage, ou pour protéger le bain liquide en l'empêchant de s'oxyder ou de subir une autre altération chimique. Une solution classique consiste à disposer un tube menant à une source d'alimentation de gaz à fournir et dont l'extrémité est dirigée vers la région de soudage. En général, l'axe de ce tube est placé dans le plan défini par l'axe du faisceau du laser et la direction du cordon de soudure, en faisant un angle qui peut être d'environ 450 par rapport à l'axe du faisceau. Si cette disposition est intéressante pour souder un cordon rectiligne, elle ne l'est plus pour souder en ligne courbe ou dans l'espace tridimensionnel. En effet, comme l'axe de la buse n'est plus dans le plan précédemment défini, la qualité de la couverture gazeuse n'est plus constante le long du cordon. C'est pour échapper à ces inconvénients qu'on a encore proposé d'utiliser des boîtes de protection, percées pour laisser passer le rayon, qui couvrent une large région autour de la zone de soudage et dans lesquelles on injecte un gaz de protection. De telles boîtes sont généralement en appui sur la surface à protéger et ne peuvent donc pas se déplacer, n'étant pas solidaires de la tête de soudage. Une telle installation est malcommode à utiliser et ne convient guère que pour des surfaces horizontales. Le but de l'invention est de garantir la formation du milieu gazeux de la composition souhaitée sur la zone de soudage. Plus précisément, l'invention est relative, sous sa forme la plus générale, à une installation de soudage à forte puissance comprenant un faisceau d'un laser et un moyen de soufflage d'un gaz sur une région de soudage, caractérisée en ce que ledit moyen comprend une buse annulaire, coaxiale au rayon, solidaire du laser et disposée de façon à engendrer un écoulement du gaz dont une portion est déviée vers le faisceau de laser par la région de soudage, puis remonte autour du faisceau et dans un pourtour intérieur de la buse, qui est ouverte au-dessus de la région de soudage. Ainsi, l'écoulement radial centripète qu'on instaure autour de la zone de focalisation du faisceau du laser permet au gaz de refluer à l'intérieur de la région annulaire de la buse et de s'échapper vers l'extérieur par la face ouverte d'entrée du faisceau de laser. Le gaz ambiant est complètement empêché d'arriver à la région de soudage par ce reflux du gaz de protection. L'invention sera plus complètement décrite avec certains aspects complémentaires, en liaison aux figures suivantes : la figure 1 est une vue générale de l'invention, - et les figures 2 à 7 illustrent certaines variantes possibles. L'installation de soudage de la figure 1 comprend un laser 1 qui émet un rayon ou faisceau 2 vers un joint de soudage 3 défini entre deux pièces 4 et 5 qui peuvent être planes ou non. L'installation de soudage comprend encore une buse 6 liée au laser 1 par une tête de support 7. La buse 6 est composée d'un tube intérieur 8 et d'un tube extérieur 9 concentriques qui définissent donc une chambre 10 annulaire entre eux et qui sont tous deux parallèles au faisceau. Une conduite de gaz 11 originaire d'une source 12 débouche dans la chambre 10, qui est fermée à l'arrière par une paroi 13 mais ouverte à l'avant, vers les pièces 4 et 5, de sorte que le gaz qui est soufflé s'en échappe à cet endroit. Les pièces 4 et 5 le dévient, une portion s'écoulant vers l'extérieur et une autre vers l'intérieur, notamment vers la région 14 où le plasma responsable du soudage se forme. Ensuite, le gaz animé du mouvement centripète s'élève dans le tube interne 8 et s'échappe de la buse 6 à contre-courant du faisceau 2. Ce mouvement de sortie balaye complètement l'intérieur de la buse 6 du gaz ambiant ; il est rendu possible par l'absence d'une lentille de focalisation pour le faisceau 2, qui peut provenir d'un laser 1 au gaz carbonique qui présente la propriété d'émettre une lumière à une longueur d'onde pour laquelle les matériaux constitutifs des lentilles sont assez absorbants. Comme la puissance doit être élevée (10 kw par exemple), les lentilles risqueraient d'être détruites, ce qui explique qu'on s'en passe d'ordinaire pour de telles applications. La figure 2 montre toutefois que la section d'ouverture de la buse 6 vers le haut peut être réduite en ajoutant une collerette annulaire 15 qui laisse dégagée une section correspondant à celle du faisceau 2, sans compromettre l'évacuation du gaz ni perturber le dessin de l'écoulement divergent à la sortie de la buse 6. Les figures 3 et 4 montrent cependant que cet écoulement peut être modifié en rendant le tube interne 8 soit plus long, soit plus court que le tube externe 9 (sur les moitiés de gauche et de droite de la figure 3 respectivement), ce qui dévie l'écoulement médian du gaz à la sortie de la buse 6 obliquement et rend inégales les proportions des gaz déviés vers l'intérieur et vers l'extérieur. Une autre disposition, représentée à la figure 4, consisterait à opérer des perçages au bas de l'un des tubes, et notamment du tube interne 8, afin de faciliter l'écoulement du gaz à l'intérieur de ce tube et donc d'accroître la protection de la région de soudage. D'autres modifications peuvent être proposées : les figures 5,6 et 7 montrent ainsi que la buse 6 peut être refroidie en disposant des circuits d'échange de chaleur 17 ou 18 se présentant sous la forme de serpentins longeant les tubes 8 ou 9 ou de canaux opérés au sein de ces tubes ; qu'un milieu diffusant 19 peut être placé dans la chambre 10 pour homogénéiser l'écoulement en les deux tubes 8 et 9 ; ou encore, alors qu'on a décrit jusqu'à présent des buses 6 cylindriques, que des buses coniques pourraient aussi être utilisées. Toutes ces modifications et additions sont, bien entendu, cumulables à volonté. REVENDICATIONS 1. Installation de soudage à forte puissance comprenant un faisceau (2) d'un laser (1) et un moyen de soufflage (6) d'un gaz sur une région de soudage (4,'5 ; 14), caractérisée en ce que ledit moyen de soufflage comprend une buse annulaire (6), coaxiale au faisceau, solidaire du laser et disposée de façon à engendrer un écoulement du gaz dont une portion est déviée vers le rayon de laser par la région de soudage, puis remonte autour du faisceau et dans un pourtour intérieur de la buse, qui est ouverte au-dessus de la région de soudage. 2. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la buse est composée d'un tube intérieur (8), et d'un tube extérieur (9) qui ont des bords inférieurs, dirigés vers la région de soudage, à des distances différentes de la région de soudage. 3. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la buse est composée d'un tube extérieur et d'un tube intérieur, et en ce que le tube intérieur est percé (16) à une portion inférieure, dirigée vers la région de soudage. 4. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la buse est cylindrique. 5. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la buse est conique. 6. Installation suivant l'une quelconque des revendications 12 à 5, caractérisée en ce que la buse est barrée par une couche poreuse (19) diffusant le gaz.