Brevet FR2834658A1 — publié le 20030718

partie fize dudit outil manuel. La présente invention concerne un procédé de soudage par faisceau laser utilisant un mélange gazeux d'azote et d'héllum en proportions ajustées ou adaptées en fonction de la puissance ou de la densité de puissance du dispositif laser utilisé. Dans l'industrie, il est connu d'utiliser un faisceau laser pour couper ou souder une ou des pièces métalliques. A ce titre, on peut citer les documents suivants: DE-A-2713904, DE-A4034745, JP-A-01048692, IP-A 5612269O, WO 97134730, JP-A-01005692, DE-A-4123716, JP-A-02030389, US-A4,871,8g7, JP-A-230389, JP-A-62104693, P-A-15692, JP-A-15693, JP-A-15694, JP-A-220681, JP-A-220682, JP-A-220683, WO-A-88J01553, WO-A-9814302 DE-A-3619513 et DE-A-393A920. Le soudage par laser est un procédé de soudage très performant car il permet d'obtenir, à des vitesses élevées, des profondeurs de pénétration très importantes si on les compare à d'autres procédés plus traditionnels, tel le soudage plasma, le soudage MIG (Metal Inert Gas) ou le soudage TIG (Tungsten Inert Gas). Ceci s'explique par les fortes densités de puissances mises en jeu lors de la focalisation, par un ou plusieurs miroirs ou lentilles, du faisceau laser au niveau du plan de jonction des pièces à souder, par exemple des densités de puissance pouvant dépasser 106 W/cm2 Ces fortes densités de puissance provoquent une forte vaporisation à 2 5 la surface des pièces qui, en se détendant vers l'extérieur, induit un creusement progressif du bain de soudage et conduit à la formation d'un capillaire de vapeur étroit et profond, appelé "keyRole" en anglais (= "trou de serrure") dans l'épaisseur des toles, c'est-à-dire au niveau du plan de joint. Ce capillaire permet un dépôt direct de l'énergie du faisceau laser en profondeur dans la tôle et ce, par opposition avec les procédés de soudage plus conventionnels o le dépôt d'énergie est localisé à la surface. Ce capillaire est constitué d'un mélange de vapeurs métalliques et de plasma de vapeurs métalliques dont la particularité est d'absorber le faisceau laser et donc de piéger l'énergie au sein du capillaire même. Une des problématiques du soudage laser est la formation d'un plasma de gaz de couverture. En effet, ce plasma de vapeurs métalliques, en ensemençant en électrons libres le gaz de couverture ou gaz de protection, peut déclencher l'apparition d' u n plasma de gaz de co uvertu re q ui est préjud iciab le à l'opération de soudage. Le faisceau laser incident peut alors être fortement, voire totalemerit, absorbé et donc conduire à une réduction importante de la profondeur de pénétration, voire à une perte de couplage entre le faisceau et la matière et donc à une interruption momentance du processus de soudage. Le seuil de densité de puissance à partir duquel le plasma appara^'t dépend du potentiel d'ionisation du gaz de couverture utilisé et est inversement proportionnel au carré de la longueur d'onde du faisceau laser. Ainsi, il est très difficile de souder sous argon pur avec un laser de type CO2, tandis que cette opération peut être réalisée avec beaucoup moins de problème avec un laser de type YAG. En général, en soudage laser CO2, on utilise comme gaz de couverture de l'hél l um q ui est un gaz à haut potentiel d' ionisati on et qui permet de se prémunir de l'apparition du plasma de gaz de couverture et ce, quelle que soit la puissance du faisceau laser mis en oeuvre. L'héllum a cependant l'inconvénient d'être un gaz onéreux et de nombreux utilisateurs de laser préféraient utiliser d'autres gaz ou mélanges gazeux moins onéreux que l'héllum mais qui permettraient néanmoins de limiter l'apparition du plasma de gaz de couverture et donc d'obtenir des résultats de soudage similaires à ceux obtenus avec l'hélium mais à un coût moindre. Ainsi, il existe au plan commercial des mélanges gazeux contenant de l'arçon et de l'hélium, par exemple le mélange gazeux contenant 30 % en volume d'hélium et le reste étant de l'argon, commercialisé sous l'appellation LASAL_ 2045 par la société L'AIR LIQUIDE_, lesquels permettent d'obtenir sensiblement les mêmes résultats que l'héilum, pour des puissances iaser CO2 inférieures à 5kW et pourvu que les densités de puissance engendrées ne soient pas trop importantes, c'est-à-dire environ supérieures à 2000 1 0 kW/cm2. Or, le problème qui se pose avec ce type de mélange Ar/He est que pour des densités de puissance laser plus importantes, il n'est plus adapté car le seuil de création du plasma de gaz de protection est alors dépassé. Le but de la présente invention est alors de résoudre ce problème en proposant un procédé de soudage par laser amélioré pouvant mettre en _uvre des laser de puissance dépassant les 15 à 20 kW et ce, sans ou en minimisant la formation d'un plasma dans le gaz de protection, quelle que soit la puissance ou la densité de puissance choisie. La solution de l'invention est alors un procédé de soudage par 2 0 faisceau laser mettant en _uvre un mélange gazeux de protection contenant de l'azote et de l'héllum, dans lequel la proportion d'azote et/ou d'héllum dans ledit mélange gazeux est choisie ou ajustée en fonction de la puissance ou de la densité de puissance dudit faisceau laser. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes: - la puissance laser est comprise entre 0.5 kW et 30 kW, de préférence entre 5kW et 20 kW. - le mélange gazeux de protection est constitué d'azote etiou d'héllum, de préférence le mélange gazeux contient une proportion volumique d'hélium de 30% à 80%, le reste étant de l'azote, et éventuellement des impuretés inévitables. - le mélange gazeux est réalisé sur site en mélangeant des quantités déterminées d'azote et d'héllum. - le mélange gazeux est réalisé au moyen d'un système mélangeur de gaz asservi à la puissance laser ou à la densité de puissance mise en _uvre de manière à mélanger des quantités contrôlées d'azote et d'hélium. - on augmente la proportion d'héllum dans le mélange gazeux lorsque la puissance laser ou la densité de puissance augmente. Selon un autre aspect, I'invention porte aussi sur un procédé de soudage par faisceau laser mettant en _uvre un mélange gazeux de protection contenant de l'héllum et de l'azote, dans lequel la proportion d'hélium par rapport à la proportion d'azote dans ledit mélange gazeux est choisie ou aJustée en fonction de la puissance ou de la densité de puissance dudit faisceau laser de manière à éviter ou minimiser la formation de plasma dans le gaz de protection durant le soudage. Selon un autre aspect, I'invention porte aussi sur un procédé de soudage par faisceau laser mettant en _uvre un mélange gazeux de protection contenant de l'héllum et de l'azote, dans lequel la proportion 2 0 volumique d'hélium dans ledit mélange gazeux est comprise: - entre 1 et 30 % pour une puissance de faisceau laser comprise entre 0.5 kW et 4 kW, entre 30 et 50 % pour une puissance de faisceau laser comprise entre 4 kW et 8 kW, et/ou - entre 50 et 70 % pour une puissance de faisceau laser comprise entre 8 kW et 12 kW. Par ailleurs, I'invention concerne aussi un procédé de soudage par faisceau laser mettant en _uvre un mélange gazeux de protection contenant de l'hélium et de l'azote, dans lequel la proportion volumique d'hélium dans ledit mélange gazeux est comprise: - entre 1 et 30 % pour une densité de puissance du faisceau laser comprise entre 500 kW/cm2 et 2 000 kW/cm2, - entre 30 et 50 % pour une densité de puissance du faisceau laser comprise entre 2 000 kWlcm2 et 4 000 kW/cm2, eVou - entre 50 et 70 % pour une densité de puissance du faisceau laser comprise entre 4000 kW/cm2 et 10 000 kW/cm2. De préférence, I'héllum et i'azote sont issus d'une source de gaz unique dans laquelle l'héllum et l'azote sont pré-mélangés en proportions désirées au moyen, par exemple, d'un mélangeur de gaz. L'invention a également trait à une installation de soudage par faisceau laser avec mise en _uvre d'un mélange gazeux de protection contenant de l'azote et de l'héllum, comprenant: - au moins une source d'azote, - au moins une source d'hélium, - des moyens de mélange de gaz pour permettre de mélanger de l'azote issu de la source d'azote avec de l'héllum issu de la source d'héllum, - un dispositif générateur laser délivrant un faisceau laser ayant une puissance laser d'au moins 0.5 kW, - des moyens de réglage coopérant avec lesdits moyens de mélange de gaz de manière à ajuster les proportions d'azote eVou d'héllum en fonction de la puissance laser délivrée du dispositif laser. En outre, I'invention porte aussi sur un procédé de soudage par faisceau laser mettant en _uvre un mélange gazeux de protection contenant de l'hélium et de l'azote, dans lequel la proportion volumique d'hélium (% He) dans ledit mélange gazeux en fonction de la densité de puissance est telle que: 28. In( p) - 207 s % He s 31. In(q)p) - 207 L'lnven.lon va mainler, art être m,eux cûmpr,se grâce aux explications données ci-dessous en références à la figure annexée. Comme expliqué ci-dessus, en soudage par faisceau laser, un problème majeur qui se pose est lié à la création d'un plasma de gaz de couverture néfaste à l'opération de soudage de par l'absorption forte, voire totale, du faisceau laser qu'il engendre, et entrane alors une réduction notable de la profondeur de pénétration, voire à une perte de couplage entre le faisceau laser et la matière à souder, donc à une interruption du processus de soudage. Or, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que le seuil d'apparition du plasma de gaz de couverture était conditionnée, pour une densité de puissance laser type GO2 fixée, par la proportion volumique d'hélium (en fonction de celle d'azote) dans le mélange gazeux d'hélium et d'azote utilisé comme gaz de protection pendant l'opération de soudage et que cette proportion d'hélium devait varier en fonction de la densité de puissance du laser. Ainsi, sur la fgure 1, on a représenté (courbe A) I'évolution du seuil d'apparition du plasma en fonction de la densité de puissance (en abscisses) et de la proportion volumique d'hélIum (en ordonnées) dans le mélange formé d'azote et d'hélium, la somme des teneurs en azote et hélium constituant 100% en vol. du mélange. La courbe A a été obtenue à partir de l'analyse de la profondeur de pénétration des cordons de soudure réalisées avec différentes teneurs d'hélIum dans le mélange, ainsi que par examen visuel de l'apparition ou de la non-apparition du plasma de gaz de protection au cours du processus de 1 0 soudage. La densité de puissance a été obtenue en divisant la puissance laser sur la pièce par le diamètre de la tâche focale obtenue avec le laser considéré, préalablement mesuré grâce à un analyseur de faisceau laser. Le domaine situé au dessus de la courbe A représente le domaine o, pour la densité de puissance considérée, la teneur en héllum dans l'azote permet d'effectuer un cordon de soudure sans apparition d'un plasma de gaz de protection. Dans le domaine situé en dessous de la courbe A, il y a claquage du gaz de protection et donc présence d'un plasma de gaz de protection. Pour tenir compte des incertitudes liées à la mesure du diamètre (en microns) de la tâche focale, à celle de la teneur en héllum dans le mélange d'azote et d'héllum, et à celle sur la répartition de l'énergie dans la tâche focale, trois faisceaux de courbes (B,C), (D,E) et (F,G) ont été aussi représentés en Figure 1. Les équations de ces courbes sont du type: %He =,u.ln( Qp) - 207 o: In( mélange avec une proportion d'héllum plus importante. L'ensemble de ces courbes a été réalisé à une vitesse de soudage de 3 mlmn sur pièces en acier et sur acier inoxydable, avec un miroir parabolique de focale 250 mm, 200 mm ou 150 mm, et en utilisant un laser CO2 dont le facteur de qualité était de 4. Comme montré sur la Figure 1, un mélange d'hélium et d'azote contenant 50% en volume d'azote donne des profondeurs de pénétration et des vitesses de soudage sensiblement égales à de l'hélium pur pour une densité de puissance laser CO2 de 5,3.106 W/cm2. L' i nvention peut aussi être visual isée par une représentation de l'évolution du seuil d'apparition du plasma de gaz de protection en fonction de la teneur en héllum dans l'azote, et de la puissance du laser mise en _uvre, comme schématisé en Figure 2. Cette autre représentation, moins générale que la précédente, peut s'obtenir en partant des courbes de la Figure 1 et en utilisant les relations suivantes: (1) p =P/S o: p est ia densité de puissance, P est la puissance laser utilisée et S la surface de la tâche focale (2) S = zWo2 o: WO est le rayon de la tâche focale (3) W0WF = M (2f /) o: Fest le rayon du faisceau laser au niveau du miroir ou de la lentille de focalisation à la puissance considérée, M2est le facteur de qualité du faisceau laser qui est en général une donnce constructeur (M2 = 1 pour un faisceau Gaussien), est la longueur d'onde du faisceau laser (1 0,6Lum pour un laser type CO2) et f est la distance focale du miroir ou de la lentille de focalisation. Ainsi, peut on passer indifféremment d'une représentation en densité de puissance (Figure 1) à une représentation en puissance (Figure 2), et inversement, à l'aide des relations ci-dessus, pour évaluer à partir de la puissance ou de la densité de puissance utilisée, le mélange azote/hélium correspond ant. La figure 2 a été obtenue ici à partir des courbes de la Figure 1 et ce, pour un facteur de qualité de 4, une distance focale de 200 mm et un diamètre de faisceau au niveau du miroir de focalisation de 28 mm. Ainsi, à 6 kW, avec une focale de 200 mm, pour un laser de facteur de qualité 4 et un diamètre de faisceau au niveau du miroir de focalisation de 200mm, on peut utiliser un mélange azote/héllum contenant 50% en volume de chacun de ces composés. La présente invention est donc basée sur le fait d'adapter ou d'ajuster le mélange gazeux N2/He en fonction de la puissance du laser ou de la densité de puissance utilisée de manière à obtenir un soudage de qualité et à coûts réduits, sans génération de plasma de gaz de protection ou alors avec une génération de plasma aussi faible que possible. Selon l'invention, I'ajustage des proportions des composés dans le mélange gazeux peut se faire sur la base des proportions volumiques, molaires ou massiques; toutefois, un ajustage volumique est préféré car plus simple à mettre en _uvre. Partant de là, la mise en _uvre de l'invention peut se faire par la réalisation d'une gamme de mélanges de gaz en bouteilles, c'est-à-dire sous forme conditionnce, avec une teneur d'héllum dans l'azote variable et adaptée en fonction de la densité de puissance ou de la puissance laser. Par exemple, dans le tableau ci-après sont donnés trois mélanges N2/He différents adaptés, respectivement, à trois gammes de densité de puissance laser conseillée pour mettre en _uvre l'invention. Composition du mélange gazeux Gammes de densités de N2/He (exprimée en % vol. de He) puissance laser recommandées N2 + 30% He 500 à 2000 kW/cm2 N2 + 50% He 2000 à 4000 kW/cm N2 +70% He 4000 à 10000 kW/cm Selon le cas, I'invention peut aussi être mise en _uvre directement sur site par un opérateur, préalablement au début du soudage, par exemple à partir de stockage d'hélium et d'azote, du mélange gazeux N2/He le plus adapté à la densité de puissance ou à la puissance du laser utilisé et ce, suivant les spécifications de la figure ci-annexée. De façon alternative, le mélange N2/He souhaité peut aussi être obtenu par asservissement automatique d'un mélangeur de gaz en fonction de la densité de puissance ou de la puissance du laser utilisé et en utilisant la courbe de la figure ci-annexée comme courbe d'étalonnage. Le procédé de soudage laser de l'invention est particulièrement adapté au soudage de pièces en aluminium ou en alliages d'aluminium, en acier inoxydable ou en acier doux. Le procédé de soudage laser de l'invention peut être utilisé pour souder des pièces d'épaisseurs identiques ou différentes et comprises entre 0,1 mm et 300 mm. Revendications 1 - Procédé de soudage par faisceau laser mettant en _uvre un mélange gazeux de protection contenant de l'azote et de l'héllum, dans lequel la proportion d'azote eVou d'hélium dans ledit mélange gazeux est choisie ou ajustée en fonction de la puissance ou de la densité de puissance dudit faisceau laser. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la puissance laser est comprise entre 0.5 kW et 30 kW, de préférence entre kW et 20 kW. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ie mélange gazeux de protection est const,tué d'azote et/ou d'hélium, de préKrence le mélange gazeux contient une proportion volumique d'héllum de 30% à 80%, le reste étant de l'azote, et éventuellement des impuretés inévitables. 4- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mélange gazeux est réalisé sur site en mélangeant des quantités déterminées d'azote et d'hélium. - Procèdé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mélange gazeux est réalisé au moyen d'un système mélangeur de gaz asservi à la puissance laser ou à la densité de puissance mise en _uvre de manière à mélanger des quantités contrôlées d'azote et d'hélium. 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on augmente la proportion d'héllum dans le mélange gazeux lorsque la puissance laser ou la densité de puissance augmente. 7 - Procédé de soudage par faisceau laser mettant en _uvre un mélange gazeux de protection contenant de l'héllum et de l'azote, dans lequel la proportion d'hélium par rapport à la proportion d'azote dans ledit mélange gazeux est choisie ou ajustée en fonction de la puissance ou de la densité de puissance dudit faisceau laser de manière à éviter ou minimiser la formation de plasma dans le gaz de protection durant le soudage. 8 - Procédé de soudage par faisceau laser mettant en _uvre un mélange gazeux de protection contenant de l'hélium et de l'azote, dans lequel la proportion volumique d'hélium dans ledit mélange gazeux est comprise: entre 1 et 30 % pour une puissance de faisceau laser comprise entre 0.5 kW et 4 kW, - entre 30 et 50 % pour une puissance de faisceau laser comprise entre 4 kW et 8 kW, eVou - entre 50 et 70 % pour urre:puissance de faisceau laser comprise entre 8 kW et 12 kW. 9 - Procédé de soudage par faisceau laser mettant en _uvre un mélange gazeux de protection contenant de l'hélium et de l'azote, dans lequel la proportion volumique d'héllum dans ledit mélange gazeux est comprise: entre 1 et 30 % pour une densité de puissance du faisceau laser comprise entre 500 kW/cm2 et 2 000 kW/cm2, - entre 30 et 50 % pour une densité de puissance du faisceau laser comprise entre 2 000 kW/cm2 et 4 000 kW/cm2, eVou - entre 50 et 70 % pour une densité de puissance du faisceau laser comprise entre 4000 kW/cm2 et 10 000 kW/cm2. : :: =: : : - Procédé selon l'une des revéndications i à 9, caractérisé en ce que l'héllum et lazote sont issus d'une source dè gaz unique dans laquelle I'hélium et l' otesont pré-mélangés en.proportians désirées . 11 - Installa.tion de soudage par faisceau laser avec mise en ceuvre d'un mélange gazeux de protection ntenant deI'azote et de l'hélium, - comprenant:. -: -; - -. - au moins une source d'azote,: : 10: - au moins une source d'héllum, . - des moyens de melange de gaz pour permettré de mélanger de . I'azote issu de la source d'azote avec de l'héllum issu de la source d'héllum, .... ,,,. - un dispositif générateur laser délivrant un faisccau laser ayant une: .. . - puissance laser d'au mQins 0.5 kW, - 1-5.: - des moyens de-réglage coopérant avec lesdits moyens de mélange -. : de gaz de manière â ajuster les proportions d'azote etIou d'hélium en fonction de la puissance laser délivrée du dispositif laser. . -. 12 - Procèdé de soudage par faisccau laser mettant en _uvre un ,. o mélangé -gazeux de protection contenant.de l'héllum et de l'azote, dans lequel là proportion volumiquet d'héllum - We)dans lédit mélange gazeux en fonction dela densité de puissance est tel:le que: 28. Int p) - 207 : -. : .: - -. ,.; À - % He: le pourcentage volumique:d'héllum dans lazote du mélange gazeux. -:: : - - - -.: - - -: .: '- \., -, i,., 13 - Procédé salon la revendication 12, caractérisé en ce que la proportion volumique d'héllum (% He) dans ledit mélange gazeux en fonction de la densité de puissance est telle que: 28,5. In(p) - 207 s % He s 31,5. In( 14 - Procédé selon rune des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que la proportion volumique d'héllum (% He) dans ledit mélange gazeux en fonction de la densité de puissance est telle que: 29. In(p) - 207 s % He s 31. In(qp) - 207