Brevet FR2823459A1 — publié le 20021018

préchanffage (20) et la tête de chanffage (21). DISPOSITIF AMELIORE ET PROCEDE ASSOCIE DE SOUDAGE DIT BI-PASSES L' invention concerne un procédé et un dispositif associé de soudage d'un empilement de tôles revêtues. Plus particulièrement, l' invention concerne un procédé et un dispositif associé de soudage d'un empilement comprenant au moins deux tôles dont l'une au moins est recouverte d'un revêtement métallique ayant une température de vaporisation inférieure à une température de fusion de l'une au moins des tôles à souder. De tels procédés de soudage sont par exemple utilisés en carrosserie automobile, o il est fréquent d'utiliser des tôles recouvertes d'une mince couche d'un revêtement à base de zinc ou d'alliage de zinc, revêtements ayant des propriétés anti- corrosion. Un procédé d' assemblage connu pour ce type d'application est le soudage laser par transparence. Il consiste à chauffer jusqu'à la fusion, par l'intermédiaire d'une source laser, la la tôle supérieure lO (figure l) et la tôle inférieure 15. Cependant, avec ce procédé, un problème apparaît au niveau du cordon de soudure, notamment lorsqu'on soude des tôles revêtues de zinc ou d'oxyde de zinc. En effet, la température de vaporisation du revêtement (environ 900 C) étant inférieure à la température de fusion des tôles d'acier (environ 1500 C), il se produit une vaporisation du revêtement qui est préjudiciable à la qualité de la soudure. Si la distance entre la tôle 10 et la tôle 15 niest pas suffisante, les vapeurs de zinc ne peuvent s s'évacuer que par une la zone métallique en fusion créée par le faisceau laser. Des bulles de vapeur de zinc se forment alors dans le bain liquide, entraînant la formation de porosités à l'intérieur de la soudure, ce qui affecte l'esthétique et surtout la qualité de la soudure: la soudure étant poreuse, sa résistance mécanique est plus faible et son étanchéité n'est pas assurée. Par ailleurs, les vapeurs de zinc provoquent des explosions du bain liquide métallique et des 1S projections de métal en fusion vers l'extérieur des tôles. Ces projections diminuent la qualité de la soudure par manque de matière. Ces projections peuvent également endommager les tôles à l'extérieur de la zone à souder. Pour remédier à ces problèmes, il est proposé, dans la demande de brevet français n 2 798 084, d'utiliser un procédé de soudage au laser par transparence, dit "bi-passes", comprenant essentiellement deux étapes. Au cours d'une étape de préchauffage local, une première source laser est utilisée pour chauffer localement les tôles 10, 15 à une première température qui est supérieure à la température de vaporisation du revêtement métallique et inférieure à la température de fusion de l'une ou l'autre des tôles. Cette étape de préchauffage a pour conséquence l'évacuation partielle ou totale du revêtement, par le passage de l'état solide à l'état gazeux ou liquide du zinc. Une zone moins revêtue de zinc est ainsi dégagée à la fin de la première étape, pour permettre le soudage dans une deuxTème étape. Ensuite, au cours d'une étape de chauffage, une deuxième source laser est utilisée pour chauffer l'empilement de tôles dans une zone comprise dans la zone non revêtue, à une deuxTème température supérieure à la température de fusion de l'une et de l'autre des tôles, pour permettre la soudure des deux tôles sur une zone de largeur inférieure à la largeur de la zone non revêtue (car dézinguée lors de l'étape de préchauffage). L'utilisation de ce procédé en deux étapes permet d'améliorer considérablement la qualité de la soudure. En effet, la première étape permet de réduire (voire supprimer) localement le revêtement métallique par chauffage et ainsi de souder les tôles sans défaut (pas de porosité, pas d' explosion) créé par les vapeurs de zinc dans le bain liquide métallique. Cependant ce procédé est particulièrement onéreux à mettre en oeuvre car il nocessite: - soit l'utilisation de deux sources laser, l'une pour l'étape de préchauffage et de vaporisation du revêtement métallique, l'autre pour l'étape de chauffage en vue du soudage, - soit l'utilisation d'une seule source laser de puissance double, le faisccau de cette source étant dans ce cas partagé en deux: un des faisceaux est utilisé pour réaliser l'étape de préchauffage et l'autre des faisceaux est utilisé pour réaliser l'étape de soudage. Ceci est particulièrement vrai dans le cas o un cordon de soudure continu doit être réalisé. L' invention a pour but de proposer un dispositif et un procédé associé de soudage dit "bi- passes", procurant les mêmes avantages qu'un 1S dispositif ou un procédé bi-passes selon l'art antérieur, mais moins chers à mettre en oeuvre. Pour atteindre cet objectif, l 'invention propose un dispositif de soudage d'un empilement de tôles comprenant au moins deux tôles superposées dont l'une au moins est recouverte d'un revêtement métallique au moins sur sa face interne adjacente à l'autre tôle, le dispositif de soudage comprenant - une source de préchauffage, pour dégager une zone non revêtue par vaporisation locale du 2s revêtement métallique et évacuation des vapeurs, et s - une source de chauffage, pour souder l'empilement de tôles par fusion locale de chaque tôle dans une zone comprise dans la zone non revêtue. Le dispositif de l' invention est caractérisé en ce que la source de préchauffage est une source de chauffage par induction. Le procédé associé mettant en oeuvre un tel dispositif comprend essentiellement les étapes suivantes: - empilage sans jeu des tôles, préchauffage local de l'empilement pour dogager une zone non revêtue par vaporisation locale du revêtement métallique et évacuation de vapeurs formoes, le préchauffage étant réalisé par induction, - chauffage pour souder l'empilement de tôles par fusion locale de chaque tôle dans une zone comprise dans la zone non revêtue. Par zone non revêtue, il faut comprendre ici une zone de l'empilement de tôle dans laquelle le revêtement de la ou les tôles est partiellement ou totalement éliminé lors de la réalisation de l'étape de chauffage. Une source de chauffage par induction, dimensionnée pour obtenir un chauffage local d'une 2s zone de taille réduite à une température de l'ordre de 900 à 1000 C, est beaucoup moins onéreuse à réaliser qu'une source laser dimensionnce pour fournir un résultat équivalent. De même, les coûts de fonctionnement d'une source de chanffage par induction pour un même résultat, sont réduits par rapport aux coûts de fonctionnement d'une source de chanffage laser. Contrairement à un chauffage laser, on a, avec un chauffage par induction, un chauffage directement à l'intérieur du matériau à chauffer, plus efficace et plus rapide qu'un chauffage tel que celui obtenu par une source laser. On obtient plus rapidement une température de l'ordre de 900 à 1000 C localement dans l'empilement de tôles et on limite également le volume de matériau chauffé et en conséquence la consommation d'énergie. L' invention permet ainsi de réaliser un soudage bipasses dans des conditions similaires à celles des procédés connus (voire des conditions meilleures: temps de préchauffage réduit, consommation moindre d'énergie), mais avec un coût de mise en oeuvre limité. Selon un mode de réalisation de l 'invention, la source de préchanffage comprend un inducteur comprenant une partie active en forme de tube à section rectangulaire, une face de contact de la partie active de l'inducteur étant appliquée sur une zone à préchauffer de l'empilement de tôles. L'inducteur utilisé est réalisé de préférence dans un matériau très conducteur de l'électricité tel que par exemple le cuivre. Un tel inducteur est simple à réaliser et très peu cher. L'inducteur comprend également des pattes de fixation pour connecter la partie active à une source d'énergie électrique et l'alimenter par un courant électrique, par exemple un courant alternatif. LEs lignes de courant sont sensiblement parallèles à la longueur de la partie active de l'inducteur. Elles sont réalisées de préférence dans le même matériau que la partie active. Les pattes de fixation ont essentiellement deux rôles: - la fixation mécanique de la partie active sur un out il af in de permettre le pos it ionnement et / ou le maintien de l'inducteur sur l'empilement de tôles à chauffer, et - l'alimentation électrique de la partie active de l'inducteur en vue de la création d'un champ magnétique au voisinage de la partie active de l'inducteur. La source de préchauffage comprend également un concentreur de champ magnétique en forme de U. adapté pour recouvrir la partie active de l'inducteur, la face de contact étant non recouverte par le concentreur de champ. Le concentreur de champ est réalisé dans un 2s matériau pourvu essentiellement de propriétés magnétiques, tel que par exemple un acier magnétique. Le concentreur a pour rôle de concentrer, dans les tôles métalliques et sur une surface restreinte des tôles, les lignes du champ magnétique créé par l'inducteur lorsque ce dernier est alimenté par un courant électrique. Les lignes de champ magnétique créées sont globalement perpendiculaires à la longueur de la partie active de l'inducteur. Une ligne de champ circule dans la section en forme de U du concentreur, et se referme, entre les deux pattes du concentreur, par une courbe ayant la forme sensiblement d'un arc de cercle, comme on le verra mieux par la suite. Les lignes de champ magnétique créent des courants de Foucault induits dans les tôles. Les lignes de courant induit sont approximativement parallèles à la longueur de la partie active de l'inducteur. Les lignes de courant sont regroupées dans une zone située sous la partie active de l'inducteur, comme on le verra mieux par la suite. Les courants de Foucault induits entraînent un échauffement local du métal des tôles, dans une zone située à l'intérieur des lignes de champ magnétique, sous la partie active de l'inducteur. On a donc bien ainsi un chauffage à coeur des tôles. La puissance électrique fournie à l'inducteur et la durée du préchauffage sont choisies de sorte que les courants de Foucault induits dans les tôles entraînent un échauffement local à une température comprise entre 900 C et 1 500 C, c'est-à-dire à une température suffisante pour vaporiser localement les revêtements de l'une ou de l'autre des tôles, et ceci sans fondre les tôles. Dans un exemple, on peut fournir à l'inducteur une puissance moyenne de 20 à kW pendant quelques centaines de millisecondes. Après évacuation en dehors de la future zone de soudage des vapeurs de zinc ou d'alliage de zinc composant le revêtement, une zone non revêtue est formée au niveau de l' interface entre les tôles. La zone non revêtue est de forme approximativement rectangulaire, de dimensions légèrement inférieures à celles de la partie active de l'inducteur. Selon une autre disposition, la source de préchanffage par induction et la source de chauffage laser sont fixées sur un même bras, susceptible d'être déplacé. Le dit bras comprend également des moyens pour régler la distance entre la source de préchauffage et la source de chauffage. L'étape de préchanffage et l'étape de chauffage sont ainsi réalisées successivement en une seule passe. Le temps nécessaire à la réalisation de la soudure est limité. Un tel dispositif est de plus particulièrement bien adapté dans le cas o un cordon continu de soudure est réalisé. Un choix convenable de la distance entre les deux sources, de la vitesse de déplacement du bras et des puissances de l'une et de l'autre des sources permet de réaliser une étape de préchauffage suivie d'une étape de chauffage en une seule passe et d'optimiser la qualité globale du cordon de soudure à réaliser. Ce choix est en général un compromis fait en prenant notamment en compte les contraintes suivantes: s - variations de courture de la trajectoire du cordon de soudure à effectuer, - variations de l'épaisseur des tôles le long du cordon de soudure, - un temps prédéterminé entre l'étape de préchauffage et l'étape de chauffage doit être suffisant pour: * permettre le refroidissement et la condensation des vapeurs de zinc au-delà de la zone non recouverte, * obtenir une valeur appropriée de la température résiduelle des tôles après l'étape de préchanffage et permettre une bonne maîtrise de la pénétration du soudage lors de l'étape de chanffage. L' invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, d'un mode de mise en oeuvre du procédé selon l' invention et du dispositif de soudage associé. La description fait 2s référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1, précédemment décrite, est une vue en coupe d'un empilement comportant deux tôles revêtues, - les figures 2 à 5 détaillent les étapes d'un procédé de soudage selon l' invention, et - la figure 6 est un dispositif selon l'invention, mis en oeuvre pour effectuer un cordon de soudure continu sur l'empilement de la figure 1. Dans les exemples ci-dessous, le dispositif est utilisé pour le soudage d'un empilement de deux tôles , 15 ayant chacune, conformément à la figure 1, une face galvanisée 12, 16, c'est-à-dire une face recouverte d'un revêtement de zinc ou d'alliage de zinc. L'épaisseur des tôles est par exemple de l'ordre de 0,6 à 2 mm et l'épaisseur de la couche de revêtement est par exemple de l'ordre de 8 à 12 m dans le cas d'application au domaine de la construction automobile. Les deux tôles sont superposoes sans jeu vertical, de façon que les couches de zinc soient en contact dans les zones à souder. Une soudure est réalisée conformément à l 'invention en deux étapes: une étape de préchauffage par induction, pour évacuer localement le ou les revêtement(s) de zinc, puis une étape de chauffage par laser, pour effectuer la soudure. Selon un premier mode de mise en oeuvre de s l'invention, on réalise un point de soudure sensiblement cylindrique. Pour ce mode de réalisation, les étapes de préchauffage et de chauffage sont détaillées sur les figures 2 à 5. L'étape de préchauffage est détaillée sur les figures 2 et 3, la figure 3 étant une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2. La source de chauffage à induction comprend un inducteur dont une partie active 2l est recouverte d'un concentreur de champ 25. L'inducteur est ici réalisé en cuivre. Il comprend essentiellement une partie active 21 et des pattes de fixation 23. Par souci de clarté, les pattes de fixation 23 n'ont pas été représentées sur la figure 3 afin de montrer plus clairement la forme de la partie active 21. La partie active 21 de l'inducteur a la forme d'un tube de section rectangulaire de largeur ll et de hauteur hl. Sa longueur Ll est. dans l'exemple des figures 2 à 5, sensiblement égale à sa largeur ll, par exemple de l'ordre de lO mm. Les pattes de fixation 23 ont essentiellement pour rôle la fixation mécanique de la partie active 21 sur un outil (non représenté), et l'alimentation électrique de la partie active 21 de l'inducteur. Le concentreur de champ 25 a une longueur sensiblement identique à la longueur L1 de la partie active 21 de l'inducteur. Sa section a une forme en U. de dimensions adéquates pour s'ajuster sur la partie active 21 de l'inducteur, afin de recouvrir totalement cette partie active 21. Le concentreur de champ 25 est réalisé ici en acier magnétique. L'inducteur est alimenté par un courant électrique alternatif, circulant dans les pattes 23 et dans la partie active 21 de l'inducteur. Dans la partie active, les lignes de courant d'alimentation sont ainsi sensiblement parallèles à la longueur L1 de la partie active 21. Ce courant crée, au niveau de la partie active 21, un champ magnétique dont les lignes de champ sont perpendiculaires à la longueur L1 de la partie active. Le concentreur concentre dans les tôles 10, 15 à chauffer les lignes de champ magnétique créces autour de la partie active 21. Les lignes de champ magnétique suivent ainsi, dans le concentreur 25, une trajectoire en forme de U selon la section du concentreur 25, elles passent notamment par l'une et l'autre des pointes 26, 27 du concentreur de champ 25. Les lignes de champ se referment ensuite entre les pointes 26, 27 dans les tôles 10, 15, selon une forme sensiblement en arc de cercle. Le champ magnétique crcé des courants de Foucault induits dans les tôles 10, 15, les lignes de courant induit étant sensiblement parallèle à la longueur de la partie active 21. Ces courants induits entraînent finalement un échauffement local des tôles, permettant la vaporisation locale des revêtements de zinc 12, 16. La puissance électrique fournie à l'inducteur est de 20 à 30 kW et la durée du préchanffage est de quelques centaines de millisecondes. Après l'étape de préchauffage, une zone non revêtue est formée au niveau de l' interface entre les tôles 10, 15, de forme rectangulaire, de longueur L2 et de largeur 12, légèrement inférieures aux dimensions correspondantes L1, 11 de la partie active 21 de l'inducteur. L'étape de chauffage illustrée sur les figures 4, 5 est réalisée après un temps déterminé après la fin de l'étape de préchauffage. La figure 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V de la figure 4. Pour réaliser l'étape de chauffage, une source de chaleur 40 de type laser est utilisée qui permet le soudage à haute densité d'énergie selon un mode connu dit "key-hole". Un faisceau d'énergie de la source laser 40 vient frapper la surface supérieure 11 de la tôle 10 sur une zone d' impact 41. Un transfert de chaleur par conduction thermique de l'énergie fournie par le faisccau laser permet de fondre les deux tôles 10, 15 dans une troisième zone 42. S La troisième zone 42 a une forme sensiblement cylindrique dans l'axe du faisceau laser 51. Son diamètre D3 au niveau de l' interface entre la première tôle 10 et la deuxième tôle 15 est inférieur à la longueur L2 et la largeur 12 de la zone non revêtue de zinc. Des informations complémentaires concernant la réalisation de cette étape de chauffage et ses avantages, les caractéristiques techniques de la source laser à utiliser, etc. sont détaillées dans la demande de brevet franc,ais n 2 798 084. Après refroidissement, la troisième zone 42 constitue une soudure sans porosité et sa tenue mécanique est maximale. La figure 6 détaille un autre mode de réalisation d'un dispositif de soudage selon l'invention, particulièrement bien adapté dans le cas o un cordon continu de soudure 62 est envisagé. La source de chauffage par induction 40 et la source de chauffage laser 40 sont fixées sur un même 2s bras robotisé 60, susceptible de se déplacer. Un cordon de soudure est réalisé simplement en dépla,cant le bras robotisé 60 à une vitesse appropriée. La source de chauffage laser est fixée sur une coulisse 61 asservie. Cette dernière permet de régler la distance entre la première source 20 et la deuxième source 40. La source de chauffage par induction utilisoe ici comprend un inducteur dont la partie active (situse sous la pièce 25) a une forme parallélépipédique; la largeur ll de la partie active est choisie en fonction de la largeur souhaitée de la zone à dézinguer. La longueur L1 est ensuite choi sie en fonction es sent iel lement de la vitesse de déplacement du bras robotisé, et donc de l'inducteur 21, de la puissance de la source et des paramètres de chanffage souhaités (température, etc.). Le concentreur de champ 25 a comme précédemment une forme en U. sa longueur est simplement ajustée pour que le concentreur de champ recouvre la partie active 21 de l'inducteur. Les pattes de fixation 23 fixent mécaniquement la partie active 22 sur le bras robotisé et assurent son alimentation électrique. Les lignes de champ magnétique crcées par la part ie act ive 2 2 et concentrées dans l es tôles par le concentreur de champ se déplacent en parallèle avec l'inducteur 21, à la vitesse de déplacement du bras 60. Les lignes de champ dans les tôles sont perpendiculaires à l'axe de la partie active 21 de l'inducteur. Après le passage de la source de chanffage à induction 20, une zone non recouverte ayant la forme d'une bande de largeur 12 est débarrassée de son revêtement de zinc, permettant ainsi le soudage lors du passage de la source de chauffage laser 40. REVENDICATIONS 1. Dispositif de soudage d'un empilement de tôles comprenant au moins deux tôles (10, 15) superposées dont l'une au moins est recouverte d'un revêtement métallique au moins sur sa face interne adjacente à l'autre tôle, le s dispositif de soudage comprenant: - une source de préchauffage (20), pour dégager une zone non recouverte par vaporisation locale du revêtement métallique et évacuation des vapeurs, et - un source de chauffage (40), pour souder l'empilement de tôles par fusion locale de chaque tôle dans une zone (42) comprise dans la zone non recouverte, le dispositif étant caractérisé en ce que la source de préchauffage (20) est une source de chanffage par induction. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de préchauffage (20) comprend un inducteur comprenant une partie active (21) en forme de tube à section rectangulaire, une face de contact (24) de la partie active (21) de l'inducteur étant appliquée sur une zone à préchauffer de l'empilement de tôles. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'inducteur comprend également des pattes de fixation (23) pour connecter la partie active (21) et l'alimenter par un courant électrique. 2s 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que la source de préchauffage (20) comprend également un concentreur de champ magnétique (25) en forme de U. adapté pour recouvrir la partie active (21) de l'inducteur, la face de contact (24) étant non recouverte par le concentreur de champ (25). 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la source de préchauffage (20) et la source de chauffage (40) sont fixces sur un même bras (60), le dit bras (60) comprenant également des moyens (61) pour régler la distance entre la source de préchanffage (20) et la source de chauffage (40). 6. Procédé de soudage d'un empilement de tôles comprenant au moins deux tôles (10, 15) superposées dont l'une au moins est recouverte d'un revêtement métallique au moins sur sa face interne (12, 16) adjacente à l'autre tôle, le procédé comprenant les étapes suivantes: - empilage sans jeu des tôles, - préchauffage local de l'empilement pour dogager une zone non revêtue par vaporisation locale du revêtement métallique et évacuation de vapeurs formées, - chauffage pour souder l'empilement de tôles par fusion locale de chaque tôle dans une zone (42) comprise dans la zone non revêtue. le procédé étant caractérisé en ce que, lors de l'étape de préchauffage, on réalise un préchauffage par induction. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, pour réaliser le préchanffage local, on applique, sur une zone à préchauffer de l'empilement de tôles, une face de contact (24) d'une partie active (21) d'un indUcLeur, ladiLe partie active (21) ayant une forme de tUbe section rectangulaire. 8. ProcAd selon la revendicatio 7, caracL6risA en ce gue pour rdaliser le prAchaUffage local, on applique galemenL un concenLreur de champ (25) en forme de G GUr la arLie active (21) de l'indUcteUr, poUr concentrer leG ligneG de champ magnAtiqUe cr66es au voiGinage de la partie active (21) danG 1'empilement de tales ar l'intermAdiaire de la face de contact (24). 9. ProcAdA selon l'une des revendications 5 8, caractArisA en ce que, pour effectuer Un cordon continu de soudure, le procAdA est miG en oeuvre en Une GeUle passe d'Un bras (60) qUi porte 1'inducteUr pour raliser l'Atape de prAchaUffage et une source de chanffage 1aser (40) pour raliser l'6tape de chaUffage. 10. [rocAdA selon la revendication 9, caract6risA en ce qUe, avant d'effectuer la passe, on effectue Un rAglage d'une distance entre l'inducteur eLla source de