Brevet FR2839463A1 — publié le 20031114

et dans la page retournde du movement (g). La presente invention concerne ['application d'un procede de soudage hybride combinant un faisceau laser et un arc electrique au soudage multiepaisseurs, c'est-3 dire 3 ['assemblage par soudage de plusieurs pieces metalliques empilees les unes sur les autres, dans lequel la fusion se fait sur chants, c'est-3-dire au niveau des bords lateraux des pieces a souder. Il est connu que le soudage de multi-epaisseurs, c'est-3-dire le soudage de plusieurs pieces metalliques superposees les unes aux autres, en general au moins trots pieces superposees les unes aux autres, n'est pas facile 3 realiser au plan industrial. Actuellement, com me rep resente su r les fig u res la a 1c, lorsq ue piusieurs pieces superposees 1 3 4 doivent etre assemblees par soudage selon un joint de soudage, par exem ple par soudage laser, 3 l 'a rc ou par faisceau d 'electrons, il est classique d'o perer une fusion des pieces 1 3 4 en attaquant la fusion F sur la surface laterale de la premiere piece 1 qui situee immediatement en regard de la torche de soudage delivrant itenergie de soudage ES (i.e. arc electrique, faisceau laser ou d'electrons...), de poursuivre cette fusion F a travers toute l'epaisseur de cette premiere piece 1, puis 3 travers les epaisseurs successives des pieces 2 a 4 positionnees sous la premiere piece 1 (sees de la fleche F1) jusqu'3 obtenir une fusion totale selon l'epaisseur des pieces 1 a 3 et une fusion totale ou partielle de la derriere piece 4 situee sous l'empilement, c'est-3-dire la piece la plus eloignee de la premiere piece 1. Une fois cette fusion realisee, la torche de soudage et les pieces 1 a 4 vent deplacees relativement l'une par rapport aux autres de sorte de continuer cette fusion le long de toute la trajectoire de soudage (sees de la fleche F2) de maniere 3 former le joint de soudure souhaite. 2 5 Or, cette fagon de souder plusieurs pieces superposees posent plusieurs problemes. Tout d'abord, on comprend que devoir realiser une penetration totale de la quasi totalite des pieces necessite de mettre en ceuvre une energie de soudage d'autant plus importante que le nombre de pieces 3 assembler est important et surtout que i'epaisseur 3 0 totale 3 fondre est elevee. De ce fait, si l'energie niest pas suffisante, il se peut que le soudage de la derriere piece, ctest-a-d ire celle situee sous l'em pilement, soit im parfait ou deficient. Par ailleurs, lorsque les pieces a souder vent des tBles fines, typiquement des soles ayant une epaisseur de 0.3 a 1.5 mm, on observe souvent des deformations des extremites de ces soles, du fait de l'energie importante mise en ceuvre pendant le soudage, conduisant 3 un relevement de ces bords ou extremites, ce qui peut poser des problemes de corrosions ulterieurs et presenter des dangers pour les utIiisateurs, du fait de la presence d'aretes saillantes. D'autre part, le bridage, ctest-a-dire ['operation qui consiste a plaquer et 3 maintenir, les unes sur les autres, les soles de ce type d'assemblage n'est pas facile a realiser car il nty a souvent pas assez de piace pour positionner les mors d'assemblage de chaque cote du cordon de soudage. Le but de la presente invention est alors de proposer un procede de soudage permettant de resoudre les problemes ci-dessus et d'obtenir un soudage efficace et ameliore de plusieurs pieces metalliques superposes, c'est-a-dire un soudage en multi - epaisseurs. La solution de ['invention est alors un procede de soudage hybride arc-laser de piusieurs pieces metalliques a souder mettant en ccuvre au moins un faisceau laser et au moins un arc electrique, caracterise en ce que iesdites pieces metalliques vent superposees en une configuration multi-epaisseurs et en ce que ledit faisceau laser et ledit arc electrique vien nent souder sur chants lad ite configuration mu lti-epaisseurs. Selon le cas, le procede de ['invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caracteristiques techniques suivantes: - I'arc electrique et le faisceau laser viennent frapper et souder une meme zone situee sur chants. - I'arc electrique et le faisceau laser viennent frapper approximativement a mi distance selon ltepaisseur (E) de la configuration multi-epaisseurs. 2 0 - les pieces vent des plaques ou des feuilles metalliques. - le faisceau laser est genere par un oscillateur laser de type CO2 ou YAG. - la configuration multi-epaisseurs comprend de 2 a 100 pieces, de preference de 3 a 10 pieces. - la configuration multi-epaisseurs a une epaisseur totale (E) comprise entre 0,5 2 5 mm et 20 mm, de preference 1 a 10 mm. - le faisceau laser et l'arc plasma vent delivres, en etant combines ensemble, par ie meme orifice d'une buse de soudage. - durant le soudage, on met en ccuvre un gaz contenant de ['argon, de ['helium ou les deux. 3 0 - I'arc electrique est genere par une electrode fusible ou non fusible. - les pieces a souder vent en un materiau choisi parmi ies aciers allies ou non allies, ferritiques ou austenitiques, eventuellement revetus d'une couche de zinc. - la distance (D) de penetration de la soudure sur chants est comprise entre 0,5 mm et 10 mm, de preference de 0,5 a 1 mm. Exemple de realisation Le procede de soudage hybride arc-laser de plusieurs pieces superposees en une configuration multi-epaisseurs selon ['invention est iliustre sur les figures 2 a 10. Comme montre sur la figure 2, selon ['invention, les pieces metalliques 1 a 4 a assembler par soudage, qui vent ici 4 feuilles ou plaques d'acier, vent d'abord superposees dans la configuration multi-epaisseurs dans laquelle eiles doivent etre soudees. Plus precisement, les pieces 1 a 4 vent positionnees de telle maniere que leurs chants la a 4a respectifs solent situes en regard de la tete de soudage par laquelle vent delivres le faisceau laser et l'arc ele*rique. Le faisceau laser et l'arc electrique (schematises par la fleche 5) viennent alors frapper les chants la a 4a des pieces 1 a 4 de la configuration ou assemblage multi epaisseurs de maniere a engendre une fusion desdits chants la a 4a et la formation subsequente d'un joint 6 de soudure entre lesdites pieces metaiiiques au niveau desdits chants (la a 4a) par solidification du metal fondu, comme montre sur les figures 3, 9 et 10. En d'autres termes, le procede de soudage de ['invention repose sur un assemblage par fusion des chants la a 4a des pieces, c'est-a-dire des bords situes aux extremites des pieces 1 a 4 a assembler, sous i'effet combine du faisceau laser et de l'arc electrique, et non plus sur une fusion par penetration totale des pieces avec attaque par l'une des surfaces laterales des pieces, comme classiquement opere dans lart anterieur et illustre sur les figures la a 1c. Le joint de soudure 6 peut etre forme par fusion totale du chant de chacune des pieces 1 a 4, ctest-a-dire selon toute l'epaisseur E, comme illustre sur la figure 3, ou alors par fusion totale des pieces 2, 3 situees au centre de ['assemblage et uniquement fusion partielle des chants des pieces 1, 4 situees de part et d'autre de ['assemblage multiepaisseurs, comme illustre sur ia figure 9 ou l'on volt que, bien qu'une partie des chants la et 4a des pieces 1 et 4, respectivement, n'ait pas ete fondue, on obtient neanmoins une soudure 6 effficace de ['assemblage multi-epaisseurs sur une epaisseur moindre e (e Grace au procede de ['invention, une fusion totale de tout l'epaisseur E de ['assemblage multi-epaisseur n'etant pas necessaire (voir figure 9), on comprend 3 0 aisement que la quantite d'energie a mettre en ccuvre est moindre que celle classiquement mise en couvre dans l'art anterieur (figure la a 1c), ce qui minimise d'autant le risque de deformation des pieces soudees. De plus, le soudage selon i'invention se faisant sur chants, les extremites des pieces 1 a 4 ainsi soudees ne peuvent plus se soulever et constituer des aretes saillantes dangereuses pour les utilisateurs et favorisant la corrosion ulterieure. D'autre part, le procede hybride permet d'obtenir a ia fois la penetration et l'etalement du cordon necessaire au soudage sur chants car ni la laser seul, ni l'arc electrique seul ne permettent d'obtenir a la fois la vitesse de soudage, la penetration et l'etalement compatible avec une bonne productivite industrielle. A titre d'exemple, pour une configuration multi-epaisseurs de 3 mm ou lton vient souder sur chants 4 tbies d'epaisseurs 1 et 0,5 mm a une puissance laser CO2 de 3 kW et a 130 A de courant d'arc, on obtient des vitesses de soudage de i'ordre de 4 a 5 mmn. Le procede de ['invention peut, en outre, etre utllise pour souder des pieces dont les chants la a 4a vent compris dans un meme plan, comme montre en figure 2, mais aussi pour souder des pieces dont les chants la a 4a vent situes dans des plans differents, par exemple des chants formant un assemblage en escalier (figure 4) ou des assemblages a plusieurs niveaux ou paliers (figures 5 a 7). Par ailleurs, bien que le procede ait ete exemplifie dans le cadre du soudage d'une configuration multi-epaisseurs formee de 4 plaques, il s'avere qu'il est egalement applicable a des configurations comprenant seulement 2 ou 3 pieces, par exemple une configuration a 3 pieces 1 a 3 telle qu'illustree en figure 8 ou, a ['inverse, a des configurations comportant au moins 5 pieces. Dans tous les cas, il est essentiel que le faisceau laser et l'arc viennent frapper et fondre les pieces sur chants, ctest-3-dire dans le sens de la fleche 5 des figures 2 a 8. Le procede de ['invention permet de souder des assemblages multiepaisseurs dont ltepaisseur totale est comprise entre 0,5 mm et 20 mm. Les pieces a souder peuvent, quant a elles, avoir une meme epaisseur ou des epaisseurs differentes. Le procede de soudage hybride arc-laser applicable a la presente invention est tout a fait ciassique et est basee sur une combinaison d'un faisceau laser et d'un arc electrique venant frapper un meme point ou une meme zone de sorte que les energies de l'arc et du faisceau se combirent pour obtenir une fusion efficace des pieces a souder. Cette technique est parfaitement connue de lthomme du metier et des procedes de soudage hybrides arc et laser ont ete decrits notamment dans les documents: EP-A 1162026; EP-A-1160047; EP-A-1160046; EP-A-1160048; WO-A-02/16071; EP-A 793558; EP-A-782489; EP-A-800434; US-A-5,006,688; US-A-5,700,989; EP-A 844042; Laser GTA'Welding of aluminium al/oy 5052, TP Diebold et CE Albright, 1984, p. 18-24; SU-A-1815085, US-A-4,689,466; Plasma arc augmented laser welding, RP WaJduck et]. Biffin, p.172-176, 1994; ou JIG or MIG arc augmented laser welding of 3 0 thiclr mild steel plate, Joining and Materials. Le procede arc-laser consiste 3 generer un arc electrique entre une electrode, fusible ou non fusible, et la ou les pieces a souder, et a focaliser un faisceau laser de puissance, notamment un laser de type YAG ou de type C02, dans la zone d'arc, c'est-a dire au niveau ou dans le pJan de joint a souder. 3 5 La mise en couvre d'un procede de soudage hybride arc-laser requiert l'utilisation d'une tete de soudage qui permet de combiner le faisceau laser et son dispositif de focalisation, ainsi qu'une electrode de soudage adaptee, fusibJe ou non. Le faisceau laser est emis simultanement ou subsequemment a la formation de J'arc de maniere a ce que ledit faisceau se combine avec ['arc. Plusieurs configurations de fetes vent decrites dans les documents cidessus mentionnes et lion peut dire, en resume, que le faisceau laser et l'arc electrique peuvent etre delivres par une seule et meme tete de soudage, ctest-a-dire qutiis sortent par le meme orifice, ou alors par deux fetes de soudage distinctes, l'une delivrant le faisceau laser et l'autre l'arc eiectrique ou le jet de plasma, ccux-ci se reunissant dans la zone de soudage, comme par exemple enseigne par les documents WO-A01/05550 ou EP-A 1084789. Lors de la realisation du joint de soudure, il est indispensable diutiliser un gaz d'assistance pour assister le faisceau laser et proteger la zone de soudage des agressions exterieures et un gaz pour l'arc electrique, en particulier un gaz plasmagene servant a creer le jet de plasma d'arc dans le cas d'un procede arcplasma. L'arc electrique peut etre un jet de plasma d'arc, un arc TIG generee par une electrode en tungstene non fusible ou un arc MIG genere a l'extremite d'une electrode fusible permettant, lors de sa fusion progressive, d'alimenter le bain de metal en fusion en metal d'apport additionnei. Dans tous les cas, le faisceau laser et l'arc se combinent de fa5On 3 concentrer localement sufffisamment de densite de puissance (energie de soudage) pour fondre les chants la a 4a des pieces 1 a 4 a souder. L'invention peut etre utilisee pour assembler des pieces metalliques ayant des epaisseurs egales ou differentes eVou des compositions metallurgiques ou des nuances 2 0 metallurgiques identiques ou differentes. Il va de soi que, pour obtenir un joint 6 de soudure complet comme montre sur la figure 10, les pieces a souder et la tete de soudage vent animees d'un mouvement de deplacement relatif les unes par rapport a l'autre, c'est-a-dire soit les pieces vent fixes et la tete de soudage se deplace, soit ['inverse. Par ailleurs, il est a souligner que la phase de soudage peut se faire en une ou plusieurs passes. Le procede de ['invention est applicable au soudage de toute structure formee de plusieurs epaisseurs metalliques apte a etre soudee sur chant et peut par exemple etre utilise pour souder des parties d'echangeurs thermiques. Le procede de ['invention est egalement applicable au soudage sur chants de bords releves de tubes ou de profiles, ctest-a-dire de pieces de rneme epaisseur ou d'epaisseurs differentes dont les bords se projettent vers l'exterieur en etant soudes sur chants selon le procede de ['invention. Revendications 1. Procede de soudage hybride arc-laser de plusieurs pieces (1 3 4) metalliques 3 souder mettant en ceuvre au moins un faisceau laser et au moins un arc electrique, caracterise en ce que lesdites pieces metalliques (13 4) vent superposees en une configuration multi-epaisseurs et en ce que ledit faisceau laser et ledit arc electrique viennent souder sur chants (la a 4a) ladite configuration multi-epaisseurs (la, 2a, 3a, 4a). 2. Procede selon la revendication i, caracterise en ce que l'arc electrique et le faisceau laser viennent frapper et souder une meme zone situee sur chants. 3. Procede selon l'une des revendications 1 ou 2, caracterise en ce que l'arc electrique et le faisceau laser viennent frapper approximativement 3 mldistance selon l'epaisseur (E) de la configuration multi-epaisseurs. 4. Procede selon l'une des revendications 1 3 3, caracterise en ce que les pieces vent des plaques ou des feuilles metalliques. 5. Procede selon l'une des revendications 1 3 4, caracterise en ce que le faisceau laser est genere par un oscillateur laser de type CO2 ou YAG. 6. Procede selon l'une des revendications 1 3 5, caracterise en ce que la configuration multi-epaisseurs comprend de 2 a 100 pieces, de preference de 3 3 10. 7. Procede selon l'une des revendications 1 ou 6, caracterise en ce que la configuration multi-epaisseurs a une epaisseur totale (E) comprise entre O.S et 20 mm. 8. Procede selon l'une des revendications 1 3a 7, caracterise en ce que le faisceau laser et l'arc plasma vent delivres, en etant combines ensemble, par le meme orifice d'une buse de soudage. 9. Procede seton l'une des revendications 1 a 8, caracterise en ce que, durant le soudage, on met en ceuvre un gaz contenant de ['argon, de ['helium ou ies deux. 10. Procede selon l'une des revendications 1 a 9, caracterise en ce que la distance (D) de penetration de la soudure sur chants est comprise entre 0. 5 mm et 10 mm. 511. Procede selon l'une des revendications 1 a 10, caracterise en ce que l'arc electrique est genere par une electrode fusible ou non fusible. 12. Procede selon l'une des revendications 1 a 11, caracterise en ce que les pieces a souder vent en un materiau choisi parmi ies aciers allies ou nonallies,