Brevet FR2834230A1 — publié le 20030704

DESCRIPTION La présente invention se rapporte à un arbre de transmission soudé au laser et un procédé de fabrication de l'arbre de transmission. Plusieurs procédés de soudage sont connus et ont été largement utilisés dans diverses industries, telles que l'industrie automobile. Diverses pièces d'automobile sont fabriquées par des procédés de soudage, par exemple, un procédé de soudage à l'arc sous protection gazeuse (GMA). Par exemple, un arbre de transmission d'automobile peut étre soudé par un procédé GMA pour réaliser un ensemble d'arbre de transmission pour le véhicule. De tels arbres de transmission d'automobile comprennent des arbres de transmission qui transmettent la puissance de la transmission au différentiel pour des véhicules à propulsion. Les procédés actuels de fabrication d'arbres de transmission d'automobiles sont adéquats, mais peuvent étre améliorés. Dans le procédé de soudage GMA, une quantité significative de chaleur est utilisce pour souder un étrier à un tube d'un arbre de transmission. Dans de nombreux cas, la quantité de chaleur utilisée est absorbée par les pièces à souder et provoque habituellement au moins une certaine déformation entre le tube et l'étrier. La déformation peut étre un résultat d'un faux-rond inacceptable de l'arbre de transmission ou d'un déséquilibre nécessitant un traitement de redressement et un traitement d'équilibrage des masses sur l'arbre de transmission. Un excès de faux-rond ou de déséquilibre résulte en un bruit, une vibration et une rudesse inacceptables pour un véhicule dans lequel l'artre de transmission est utilisé. Etant donné les demandes toujours aussi croissantes pour une déformation réduite et une diminution du temps de soudage par cycle, les fabricants continuent à rechercher de nouvelles manières d'améliorer l'efficacité du soudage des artres de transmission. Ainsi, un but de la présente invention est de réaliser un procédé amélioré de soudage d'un joint d'un arbre de transmission résultant en moins d'apport de chaleur et en moins de temps consommé par cycle. Un autre but de la présente invention est de réaliser un procédé amélioré de soudage d'un arbre de transmission dans lequel le bruit, la vibration et la rudesse (NVH), la déformation, le faux-rond et le déséquilibre sont réduits en utilisant une puissance et une vitesse données. La présente invention fournit d'une façon générale un arbre de transmission soudé au laser et un procédé de soudage au laser de l'arbre de transmission d'un véhicule. L'arbre de transmission soudé au laser de la présente invention est fabriqué par un procédé de soudage au laser qui diminue le NVH, la déformation, le faux-rond et le déséquilibre, avec une puissance du laser et une vitesse de déplacement du laser données. La présente invention procure un procédé plus efficace de soudage d'un arbre de transmission qui est plus rigide que les arbres de transmission actuels fabriqués par d'autres procédés à une puissance du laser et une vitesse de déplacement du laser données. Le procédé implique l'utilisation d'un laser au néodyme:grenat d'yttrium et d'aluminium (Nd:YAG). Dans un aspect préféré, la présente invention réalise un procédé de soudage au laser d'une interface tube-étrier pour un arbre de transmission de véhicule, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend: la prévision de l'arbre de transmission comprenant un tube comportant une extrémité ouverte et un étrier comportant un guide d'embo^tement de tube, la disposition du guide d'embo1tement de tube au travers de l'extrémité ouverte afin d'embo^ter le guide et le tobe, en définissant l'interface tobe-étrier, et le soudage au laser de l'étrier et du tobe au niveau de l'interface tabe-étrier, en formant un joint de soudure pour définir l'arbre de transmission. Le procédé selon l'invention peut, en outre, comprendre la prévision d'une source de soudage au laser destinée au soudage au laser de l'étrier et du tube, dans laquelle la source de soudage au laser comprend une puissance d'au moins environ 2,5 kilowatts, et la rotation du tube et de l'étrier à une vitesse de déplacement allant d'environ 5 à 20 tours par minutes. I1 peut également étre prévu une protection de l'interface tube-étrier lorsque l'étrier et le tube sont soudés au laser, cette protection pouvant être réalisée avec de l'argon gazeux. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé peut, en outre, comprendre la mesure du faux-rond de l'arbre de transmission, après le soudage au laser de l'interface tube-étrier, le redressement de l'arbre de transmission si le faux-rond est mesuré comme étant supérieur à 0,5 mm, la mesure du déséquilibre de l'arbre de transmission, et l'addition d'un poids à l'arbre de transmission, si le déséquilibre est mesuré comme étant supérieur à 1,76 x 10- mm/g. Par ailleurs, on peut également prévoir, le cas échéant, la rotation du tobe sur au moins 360 lorsque l'étrier et le tube sont soudés au laser et/ou la vérifcation de la puissance et de la vitesse auxquelles la source de soudage au laser soude au laser l'étrier et le tube. Prétérentiellement, la source de soudage au laser émet un laser au Nd:YAG comportant une optique à double point. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention deviendront évidents à partir de l'examen de la description suivante lorsqu'elle est prise en liaison avec les dessins annexés. La figure 1 est une vue latérale d'un arbre de transmission soudé au laser conforme à un mode de réalisation de la présente invention, montrant notamment les deux extrémités opposées d'un tel arbre, La figure 2 est une vue en coupe transversale de l'arbre de transmission soudé au laser de la figure 1 au niveau de l'une de ses extrémités, La figure 3 est une vue partielle éclatée de l'arDre de transmission de la figure 1, s'appliquant aux deux extrémités dudit arbre, La figure 4 est une vue agrandie du détail C de la figure 1, La figure 5 est une vue latérale d'un arbre de transmission qui est soudé au laser conformément à un procédé de la présente invention, et La figure 6 est un organigramme décrivant un procédé de soudage au laser d'un arbre de transmission, conforme à un mode de réalisation de la présente invention. La figure 1 illustre un arbre de transmission soudé au laser 10 comprenant un tube 13 présentant un axe central A et des premier et second étriers soudés au laser 31,32 fixés au tube 13 par soudage au laser. Comme représenté sur les figures 1 à 3, le tube 13 comprend une paroi d'arbre de transmission 20 s'étendant vers des première et seconde extrémités ouvertes 23, 25. La paroi d'arbre de transmission 20 présente en outre des surfaces intérieure et extérieure 26, 28. Comme représenté sur les figures 1 à 4, le premier étrier 31 est soudé au laser à la première extrémité ouverte 23 du tube 13. L'étrier 31 présente une partie de corps 33 et un guide d'embo^tement de tube 36 s'étendant à partir de la partie de corps 33. La partie de corps 33 comporte une tête 40 et une paroi extérieure 43 s'étendant à partir de celle-ci vers le guide d'embo^tement de tube 36. Le guide 36 présente une paroi de contact 46 qui s'étend depuis la paroi extérieure 43 de la partie de corps 33. Celle- ci définit un épaulement extérieur 50 qui s'embo^te sur l'extrémité ouverte 23 du tube 13. Comme représenté, la paroi de contact 46 est radialement formée pour s'insérer au travers de l'extrémité ouverte 23 et se mettre en prise avec la surface intérieure 26 de la paroi d'arbre de transmission 20. Ceci définit une première interface tube-étrier 63 au niveau de laquelle l'étrier 31 est soudé au laser à l'extrémité ouverte 23 en formant un premier joint de soudure 66 de l'arbre de transmission. Le second étrier 32 est soudé au laser à la seconde extrémité ouverte 25 du tube 13. L'étrier 32 présente une partie de corps 34 et un guide d'embo^tement de tube 37 s'étendant depuis la partie de corps 34. La partie de corps 34 comporte une tête 41 et une paroi extérieure 44 étendue depuis celle-ci vers le guide d'embo^tement de tube 37. Le guide 37 est configuré essentiellement de façon identique au guide 36 de l'étrier 31. Par exemple, le guide 37 présente une paroi de contact 47 qui s'étend depuis la paroi extérieure 44 de la partie de corps 34 de façon similaire au guide 36. Celle-ci définit un épaulement extérieur 51 qui s'embo^te dans l'extrémité ouverte 25 de façon similaire à celle suivant laquelle l'épaulement extérieur 50 s'embo^te dans l'extrémité ouverte 23 du tube 13. De façon similaire à la paroi 46, la paroi de contact 47 est radialement formée pour s'insérer au travers de l'extrémité ouverte 25 et se mettre en prise avec la surface intérieure 26 de la paroi d'arbre de transmission 20. Ceci définit une seconde interface tube-étrier 73 au niveau de laquelle l'étrier 32 est soudé au laser à l'extrémité ouverte 25 en formant un second joint de soudure 76 de l'arbre de transmission. La figure 3 montre l'équivalence des références entre les deux extrémités opposées de l'arbre de transmission portant respectivement les premier et second étriers 31 et 32. De prétérence, mais pas nécessairement, l'arDre de transmission est un élément tubulaire qui est d'environ 65 pouces de longueur et qui présente un diamètre d'environ 4 pouces. De préférence, le tube et l'étrier sont réalisés à partir d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium, par exemple l'alliage d'aluminTum 6061 condition T6. L'aluminium fournit davantage de défis au cours du soudage que d'autres métaux ou matériaux, du fait que l'aluminium est plus conducteur et absorbe davantage de chaleur que de nombreux autres métaux utilisés dans le soudage, par exemple de l'acier. En outre, l'étrier présente de préLérence le méme diamètre extérieur que le tube. Comme représenté sur les figures 4 à 5, dans ce mode de réalisation, les étriers 31, 32 sont soudés au laser aux extrémités ouvertes 23, 25, respectivement (bien que représentés en relation avec l'assemblage 13/31, les objets de ces figures s'appliquent de manière tout à fait équivalente à l'assemblage 13/32). De prétérence, mais pas néce s sairement, c e ci est réali sé avec une al i mentati o n en fi l de métal ou d' al l iage métallique. De prétérence, mais pas nécessairement, l'alimentation en fil est constituée du méme matériau que l'arbre de transmission, par exemple, de l'aluminium ou un alliage d'aluminium. Cependant, tout matériau ou alliage métallique approprié peut étre utilisé sans se situer au delà de la portée ou de l'esprit de la présente invention. De prétérence, mais pas nécessairement, l'artre de transmission soudé au laser l O est équilibré à environ 0,2 pouce-once ou moins, présente un diamètre de prétérence supérieur à environ 3 pouces et présente une épaisseur de paroi de prétérence enke environ 0,03 et 0,20 pouce. Bien entendu, d'autres plages peuvent être utilisées sans se situer au-delà de la portée ou de l'esprit de la présente invention. La figure 6 représente un procédé 110 de soudage au laser d'un joint de soudure pour un arbre de transmission de véhicule conforme à un mode de réalisation de la présente invention. Le procédé 110 comprend la prévision d'une machine rotative habituelle utilisée pour le soudage ensemble d'éléments, dans la case 113. La machine ou l'équipement utilisé est configuré pour recevoir et retenir le tube et l'étrier (mentionnés ci dessus) de telle sorte que le guide d'emboîtement de tube de l'étrier soit disposé au travers de l'extrémité ouverte du tube pour s'ajuster à force dans le tube. La machine utilisce est également de prétérence configurée pour faire tourner le tube autour de son axe central en vue du soudage de l'ékier et du tube. Une telle machine peut comprendre une machine à position rotative comme cela est connu dans la technique. Cependant, d'autres machines approprices peuvent être utilisées pour faire tourner le tube sans se situer au-delà de la portée ou de l'esprit de la présente invention. Le procédé 1 10 comprend en outre la prévision de l'ensemble d'arbre de transmission (tel que mentionné ci-dessus) qui comprend le tube comportant les extrémités ouvertes et comprend les étriers comportant chacun le guide d'embo^tement de tube dans la case 116. Le tube et l'étrier sont ensuite serrés par un mandrin à l'intérieur de la machine rotative de sorte que le tube et 1'étrier puissent être fixés dans celle- ci tout en tournant autour de son axe central à une vitesse de déplacement entre environ 5 et tours par minute (tr/min). Le procédé comprend en outre la prévision d'une source ou d'une machine de soudage au laser dans la case 118 destinée au soudage de laser de l'étrier et du tube, dans laquelle la source de soudage au laser émet un laser présentant une puissance d'au moins environ 2,5 kilowatts pour la vitesse de déplacement s'étendant entre environ 5 et tr/min. Dans ce mode de réalisation, la source de soudage au laser fournit un laser au ncodyme:grenat d'yttrium et d'aluminium (Nd:YAG) de quatre kilowatts (kW) comportant une optique à double point présentant une distance focale de 160 millimètres et une alimentation en fil d'alliage d'aluminium. Bien entendu, d'autres plages de puissances et d'autres types de lasers peuvent être utilisés, par exemple un laser au CO2 de huit kW avec une optique à un seul point. Cependant, pour ce mode de réalisation de la présente invention, les comportements de soudage sont significativement dissemblables entre des lasers au Nd:YAG et des lasers au CO2, résultant en des résultats de soudure dissemblables favorables aux lasers au Nd:YAG. Il a été déterminé qu'un laser au Nd:YAG de quatre kilowatts (kW) fournit une densité de puissance supérieure, un risque réduit de détauts de soudure, une plus grande souplesse dans le transport du faisccau laser, et un faisccau laser qui est plus facilement absorbé par les métaux que d'autres lasers utilisés dans l'industrie, par exemple des lasers au CO2. Par exemple, la longueur d'onde d'un laser Nd:YAG (1,06 micromètre) est plus courte que la longueur d'onde d'un laser au CO2(10,6 micromètres). Des longueurs d'onde plus courtes résultent en des coefficients d' absorption supérieurs et en des tailles de points de focalisation plus petites, fournissant des densités de puissance supérieures. Ainsi, pour les mémes puissance, qualité de faisceau et optique, la densité de puissance est plus élevée pour des lasers au Nd:YAG que pour des lasers au CO2. Ainsi, pour une soudure donnée, ceci résulte en une vitesse de déplacement du laser plus rapide qu'un laser au CO2. En outre, pour les mêmes vitesse et puissance de laser utilisces dans un laser au CO2, ceci procure une pénétration plus profonde pour la soudure. En outre, des longueurs d'onde plus courtes de lasers interagissent moins avec des plasmas produits par le laser, c'est-à-dire un métal ionisé et des gaz de protection. Un exemple peut comprendre des plasmas d'argon gazeux utilisés en tant que gaz de protection. Ceci procure un plasma plus stable et un trou de serrure ou une colonne de vapeur plus stable, résultant en une puissance relativement homogène sur le bain de soudure afin de réduire les risques d'avoir des défauts de soudure. On préfère également utiliser un laser au Nd:YAG, du fait que les lasers au Nd:YAG peuvent utiliser un gaz de protection d' argon alors que des lasers au C O2 nécessitent un gaz de protection d'hélium. Le gaz argon est moins onéreux que les autres gaz utilisés dans la soudure et est plus facilement utilisé dans l'industrie du soudage. En outre, des lasers à longueur d'onde plus courte sont plus facilement absorbés par des métaux que des lasers à longueur d'onde plus grande. De méme, des faisceaux de laser au Nd:YAG sont préLérés, du fait que les faisceaux de laser au Nd:YAG peuvent étre délivrés par l'intermédiaire de fibres optiques. Des faisceaux de laser au CO2 nécessitent une transmission dans l'atmosphère en utilisant des miroirs durs comme cela est connu dans la technique. Ainsi, les lasers au Nd:YAG présentent une plus grande souplesse pour le transport du faisccau. I1 a également été déterminé que, pour ce mode de réalisation de la présente invention, une source laser comprenant une optique à double point est préférée par rapport à une source laser comprenant une optique à point unique. Une source laser comprenant une optique à double point réalise une soudure ayant un bain de soudure plus large qu'une source laser comprenant une optique à un seul point. Les faisceaux laser provenant de lasers industriels à grande puissance sont en général des faisceaux laser collimatés variant en diamètre. Dans ce mode de réalisation, pour obtenir les densités de puissance en vue de souder le joint de l'arbre de transmission, les faisceaux laser sont focalisés à des diamètres de tailles de points prédéterminés, par exemple environ 0,5 millimètres ou moins. Dans un laser à optique à un seul point, l'optique focalise un seul faisceau de sortie sur le joint de l'arbre de transmission, en créant un seul point de soudure sur l'arbre de transmission. Dans ce mode de réalisation, lorsqu'une optique à double point est utilisce, l'optique de celui-ci produit deux faisceaux laser focalisés sur le joint de soudure de l'arbre de transmission. L'optique à double point génère deux faisceaux laser à des tailles de points prédéterminées. De prétérence, mais pas nécessairement, les deux faisceaux laser sont alignés dans la direction de la soudure au laser. C'est-à-dire que les faisceaux laser sont focalisés l'un devant l'autre durant le soudage au laser de l'arbre de transmission. Un bain de soudure à double point est un bain de soudure plus grand ou plus large qui procure davantage de temps pour que le joint de soudure se ferme par rapport à un bain de soudure à un seul point. Un trou de serrure à double point est plus grand qu'un trou de serrure à un seul point. En général, un trou de serrure plus grand aide à empêcher le trou de serrure de s'écraser. Ceci donne davantage de temps aux gaz piégés pour s'échapper du bain de soudure. Ceci empéche de façon efficace la formation d'une porosité, résultant en un joint de soudure moins poreux par rapport à un joint de soudure à un seul point. A son tour, un joint de soudure à double point présente davantage de rigidité et de résistance qu'un joint de soudure à un seul point. Le procédé de la présente invention comprend en outre la vérification de la puissance et de la vitesse du laser établies afin de vérifier les paramètres auxquels la source de soudage au laser se trouve pour la soudure au laser. La puissance du laser peut être vérifiée au moyen d'un appareil de mesure de puissance habituel comme cela est connu. La vitesse peut être vérifiée en ayant simplement un technicien qui confirme manuellement la puissance du laser établie sur la machine de soudage au laser et la vitesse sur la machine rotative. Après que la puissance et la vitesse sont vérifiées, la source de soudage au laser soude au laser l'étrier et le tube en formant le joint de soudure de l'arbre de transmission. L'étrier et le tube peuvent être faits d'un alliage d'aluminium pouvant être traité thermiquement. Si c'est le cas, la soudure au laser peut être exécutée ave c un fi l d ' al imentati on en métal ou en al l i ag e m étal l i que, tel qu' un al l i age d ' alumini um. Durant le soudage au laser, un gaz de protection est introduit pour protoger l'interface tube-étrier, en empêchant l'air de venir en contact avec le matériau soudé. Ceci peut être réalisé par tout moyen approprié connu dans la technique. De prétérence, mais pas nécessairement, le gaz de protection peut comprendre de l'argon gazeux. Durant le soudage, dans ce mode de réalisation, le tube et l'étrier sont tournés sur au moins 360 à mesure que le laser soude le tube et l'étrier. Après le soudage au laser, l'arbre de transmission est mesuré en ce qui concerne le faux-rond. Comme cela est connu dans la technique, le faux-rond est une mesure qui indique le profil du tube de l'arbre de transmission sur la base de son centrage. Une mesure de faux-rond peut être exécutée avec un comparateur à cadran habituel. Le comparateur à cadran peut comporter une jauge à cadran pour mesurer les écarts de diamètre à des points sélectifs le long de l'arbre de transmission, par exemple, de façon adjacente aux première et seconde extrémités et à une partie adjacente du milieu de l'arbre de kansmission. L'indicateur à cadran détermine le faux-rond de l'arbre de transmission comme cela est exécuté habituellement dans la technique. Dans ce mode de réalisation, si un faux-rond de l'arbre de transmission est déterminé comme étant supérieur à environ 0,02 pouce (0,5 mm), alors un traitement de redressement est exécuté sur l'artre de transmission. Ceci peut étre réalisé avec un dispositif de redressement habituel. Le dispositif de redressement maintient le tube soudé le long d'un axe X par un moyen approprié quelconque comme cela est connu dans la technique. Le dispositif de redressement fait alors tourner l'arbre de transmission autour de l'axe X à une vitesse prédéterminée, par exemple, 3 000 tr/min. Le dispositif de redressement comprend en outre des presses concaves supérieure et inférieure, o la presse supérieure est soulevée pour venir en contact avec l'arbre de transmission et presser celui-ci lorsqu'il tourne autour de l'axe X. Le contact entre les presses et l'arbre de transmission "redresse" l'arbre de transmission et diminue le faux-rond de l'arbre de transmission et, ainsi, améliore le profil du tube de l'arbre de transmission sur la base de son centrage. Après le traitement de redressement, l'arbre de transmission est mesuré en ce qui concerne l'équilibre des masses qui indique la distribution des poids ou le déséquilibre le long de l'arbre de transmission. Ceci peut étre réalisé avec une machine d'équilibrage habituelle. L'arbre de transmission est reçu et serré par un mandrin sur la machine d'équilibrage, et est entrâîné en rotation à une vitesse prédéterminée, par exemple 3 200 tr/min. Un capteur sur la machine d'équilibrage mesure la distribution des poids ou le déséquilibre de l'arbre de transmission. Dans ce mode de réalisation, si le déséquilibre est déterminé comme étant supérieur à 1,76 x 10- mm/g (0,2 pouce/once), alors la machine d'équilibrage identifie un emplacement sur l'arbre de transmission o le déséquilibre est situé et un élément pesé est ajouté à l'étrier. Ceci équilibre l'arbre de transmission à un niveau de préférence de 1,76 x 10- mm/g (0,2 poucelonce) ou moins. I1 doit être compris que, bien qu'un laser au Nd:YAG soit prétéré dans ce mode de réalisation, tout autre laser approprié peut être utilisé, par exemple un laser au CO2. Bien que la présente invention ait été décrite en termes de modes de réalisation préLérés, il sera compris, bien entendu, que l'invention n'est pas limitée à ceux-ci du fait que des modifcations peuvent être apportées par l'homme de l'art, en particulier à la lumière des enseignements qui précèdent. REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage au laser d'une interface tube-étrier (63, 73) d'un arbre de transmission (10) d'un véhicule, procédé caractérisé en ce qu'il comprend: la prévision de l'arbre de transmission (10) comprenant un tube (13) comportant une extrémité ouverte (23, 25) et un étrier (31, 32) comportant un guide d'emboîtement de tube (36, 37), la disposition du guide d'emboîtement de tube (36, 37) au travers de l'extrémité ouverte (23, 25) afin d'emboîter le guide (36, 37) et le tube (13), en définissant l'interface tube-étrier (63, 73), et le soudage au laser de l'étrier (31, 32) et du tube (13) au niveau de l'interface tube étrier (63, 73), en formant un joint de soudure (66, 76) pour définir l'arbre de transmission (10). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: la prévision d'une source de soudage au laser destinée au soudage au laser de l'étrier (31, 32) et du tube (13), dans laquelle la source de soudage au laser comprend une puissance d'au moins environ 2,5 kilowatts, et la rotation du tube (13) et de l'étrier (31, 32) à une vitesse de déplacement allant d'environ 5 à 20 tours par minutes. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la protection de l'interface tabe-étrier (63, 73) lorsque l'étrier (31, 32) et le tube (13) sont soudés au laser. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la protection comprend la protection de l'interface tube-étrier (63, 73) avec de l'argon gazeux. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la rotation du tube (13) sur au moins 360 lorsque l'étrier (31, 32) et le tube (13) sont soudés au laser. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: la mesure du faux-rond de l'artre de transmission (10), après le soudage au laser de l'interface tube-étrier (63, 73), le redressement de l'arbre de transmission (10) si le faux-rond est mesuré comme étant supérieur à 0,5 mm, la mesure du déséquilibre de l'arbre de transmission (10), et l'addition d'un poids à l'arbre de transmission (10), si le déséquilibre est mesuré comme étant supérieur à 1,76 x 10- mm/g. 7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source de soudage au laser émet un laser au Nd:YAG comportant une optique à double point. 8. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la vérification de la puissance et de la vitesse auxquelles la source de soudage au laser soude