Brevet FR2853269A1 — publié le 20041008

La présente invention concerne un procédé de soudage hybride arc-laser mettant en oeuvre une buse de distribution de gaz spécifique destinée à améliorer la protection gazeuse dans la zone de soudage o interagissent l'arc électrique et le faisceau laser. Le procédé de soudage arc-laser est un procédé de soudage hybride qui associe le soudage à l'arc électrique, par exemple un arc plasma, au soudage par faisceau laser. Plus précisément, ce procédé de soudage arc-laser consiste à générer un arc électrique entre une électrode fusible ou non fusible et la pièce à souder, et à focaliser simultanément un faisceau laser de puissance, par exemple de type YAG, diodes ou CO2, dans la zone d'arc. Ce procédé hybride permet d'améliorer les vitesses de soudage par rapport au 15 soudage laser seul et, en outre, d'accroître considérablement les tolérances de positionnement des pièces avant soudage, le soudage laser seul exigeant en effet une précision importante de positionnement à cause de la petite taille du point focal. La mise en oeuvre de ce procédé arc-laser nécessite l'utilisation d'une tête de soudage apte à permettre de combiner, dans un espace réduit, le laser et son dispositif de 2 0 focalisation, ainsi qu'une électrode de soudage adaptée. Il existe plusieurs manières de concevoir une telle tête de soudage. On peut, par l'intermédiaire d'une pièce d'adaptation à la tête de focalisation de soudage laser, amener l'électrode ou le fil fusible latéralement par rapport à l'axe optique du faisceau, comme représenté sur la figure 1 qui présente un exemple de tête de soudage 25 hybride o le fil fusible ou l'électrode non-fusible est amené latéralement, avec un angle d'environ 20 à 300 par rapport à l'axe du faisceau laser. Cette tête comprend un système de fixation 1 sur l'unité de focalisation, un ensemble 7 d'alimentation pour amener l'électrode ou du fil fusible comprenant une lance 5 de longueur variable, d'une buse 6 et d'un ou plusieurs organes de réglage de la rotation 2, d'une platine 3 0 de réglage 3 (XYZ) qui permet d'ajuster le positionnement de l'ensemble 7 et d'un système à lame de gaz 4 distribuant une lame d'air horizontalement de manière à permettre d'éviter aux fumées et aux projections de soudage d'entrer dans la tête de focalisation et d'y détériorer les éléments qui s'y trouvent. L'ensemble d'alimentation 7 est, en général, connecté (non représenté sur la figure 1) à des alimentations en courant et en tension, ainsi qu'à une source d'eau de refroidissement et de gaz de protection gazeuse. Toutefois, avec ce type de configuration, on se heurte en général à deux problèmes majeurs, à savoir un problème d'encombrement et un problème de protection gazeuse. En effet, il est primordial, au plan industriel, que la tête de soudage hybride ait un encombrement qui soit le plus faible possible. En effet, il y a habituellement, à proximité de la zone d'interaction, des outillages de bridage des tôles à souder, ainsi que des capteurs de suivi de joint ou de contrôle du procédé, et il est toujours difficile de rajouter une tête hybride tant la place disponible autour de la zone d'interaction est réduite. Ceci est encore plus vrai 15 sur les installations de soudage laser déjà existantes, sur lesquelles on vient ajouter une tête de soudage hybride. Par ailleurs, il est également impératif d'avoir une protection gazeuse efficace pour protéger l'arc électrique et la soudure de l'air ambiant qui, s'il pénètre dans la zone d'interaction, peut perturber le fonctionnement de l'arc et affecter de manière importante les 20 propriétés mécaniques de la soudure ainsi réalisée. En effet, on comprend aisément que si l'atmosphère gazeuse de protection n'est pas correctement distribuée autour de la zone de soudage, des composés et/ou impuretés atmosphériques présents dans l'air ambiant peuvent se mélanger au gaz de protection et atteindre le métal en fusion, donc venir perturber le processus de soudage laser et la qualité 25 du cordon de soudure ainsi obtenu, D'ailleurs, comme évoqué précédemment, il y a, à proximité de la zone d'interaction, beaucoup de capteurs ou d'outillages qui sont habituellement refroidis par des flux d'air qui induisent en général dans cette zone de fortes turbulences qui peuvent perturber notablement l'écoulement gazeux en provenance de la buse de protection. Dans la cas du soudage plasma-laser avec un laser CO2, cette protection gazeuse latérale doit également empêcher la formation, dans la zone d'interaction, d'un plasma de soudage laser, qui, s'il est créé, peut conduire à une absorption presque totale du faisceau laser et donc à une interruption du processus de soudage lui même. Or, pour que le procédé hybride fonctionne correctement, il faut, en général, sur le plan de la tôle à souder, une distance de 2 à 3 mm entre l'axe du faisceau laser 9 et l'axe du fil ou de l'électrode 8, comme montré en figure 1. Comme la buse d'amenée du gaz est, en général, cylindrique et a un diamètre extérieur typiquement de l'ordre de 15 à 16 mm, une des manières d'y parvenir est d'incliner 10 la buse de manière importante pour éviter qu'elle ne soit irradiée par le faisceau laser. Cela conduit cependant à un problème d'encombrement de la tête hybride car l'axe 8 du fil ou de l'électrode prend alors également une inclinaison importante. On peut courber légèrement la lance 5 mais cela ne résout pas vraiment le problème d'encombrement global au voisinage de la zone d'interaction. Une autre solution pour limiter l'encombrement de la tête hybride est de garder un angle faible entre l'axe du laser et l'axe du fil ou de l'électrode, tout en diminuant le diamètre de la buse cylindrique ou en éloignant la buse cylindrique du lieu de l'interaction laser/arc. Cependant on est alors confronté à un problème de protection gazeuse car la section du flux gazeux est alors souvent insuffisante ou son éloignement trop important pour protéger 2 0 efficacement la zone d'interaction vis-à-vis des contraintes précédemment expliquées. Avec une buse l 1 cylindrique classique, comme schématisé sur la figure 2, la zone d'interaction est plus ou moins éloignée de l'embouchure 12 de la buse l l. Généralement, l'inclinaison de la buse par rapport à la surface 13 des pièces à souder est environ de 700 à 80 et l'axe (AA) du cylindre formant la buse est légèrement 2 5 décalé, d'environ 2 à 3 mm, par rapport à l'axe 14 du faisceau laser, Il s'ensuit alors qu'avec ce type d'agencement, il est difficile de rapprocher la buse il de la zone d'interaction sans que le corps de buse l l ne soit irradié par le faisceau laser 14 incident. Le problème qui se pose alors est de proposer une configuration de tête hybride 3 0 d'encombrement réduit et permettant d'obtenir une protection gazeuse efficace de la zone de soudage arc-laser et ce, sans que la buse ne soit irradiée, donc détériorée, par le faisceau laser. Autrement dit, le but de l'invention est de résoudre les problèmes se posant en soudage arc-laser avec les buses latérales de l'art antérieur et de proposer un procédé de soudage plasma-laser utilisant une buse latérale de soudage améliorée, c'est-à-dire dont l'utilisation limite les effets de dispersion du gaz de protection au cours du processus de soudage arc-laser et permet de travailler avec des têtes hybride à encombrement limité. La solution de l'invention repose alors sur un procédé de soudage hybride arc-laser d'une ou plusieurs pièces métalliques, dans lequel: a) on délivre un faisceau laser au moyen d'une tête de soudage d'axe (BB), b) on délivre un gaz de protection au moyen d'une buse latérale d'alimentation en gaz d'axe (AA), l'axe (AA) de la buse et l'axe (BB) de la tête de soudage formant un angle non nul l'un par rapport à l'autre, ladite buse étant formée d'un corps de buse avec un orifice d'entrée de gaz par lequel le gaz de pénètre dans ledit corps de buse et un orifice de sortie de gaz par 15 lequel le gaz est expulsé du corps de buse en direction de la ou des pièces à souder, c) on génère un arc électrique au moyen d'une électrode agencée à l'intérieur de la buse, d) on dirige le faisceau laser à travers un évidement pratiqué dans la paroi latérale du corps de buse ou dans l'espace cloison/buse situé entre au moins une cloison latérale 2 0 agencée au niveau de l'orifice de sortie de ladite buse et ladite sortie de buse de manière à ce que ledit faisceau laser pénètre dans le corps de buse par ledit évidement ou dans l'espace cloison/buse et ressorte ensuite dudit corps de buse ou dudit espace cloison/buse en se combinant avec l'arc électrique généré à l'étape (c) pour aller frapper simultanément la ou les pièces métalliques à souder au niveau du plan de joint. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes: - l'évidement pratiqué dans la paroi latéral du corps de buse est au moins une échancrure rejoignant l'orifice de sortie de gaz et située sur la partie supérieure de la buse, - l'espace cloison/buse est défini par au moins deux cloisons latérales agencées au 30 niveau de l'orifice de sortie de ladite buse de manière à canaliser le gaz dans l'espace délimité par lesdites cloisons et l'orifice de sortie du corps de buse et à le concentrer au niveau de la zone de soudage. - il comporte au moins deux cloisons latérales agencées face à face, et de part et d'autre de l'orifice de sortie de gaz de la buse de manière à former des guides pour le gaz dirigé approximativement parallèlement à l'axe du cordon de soudure à réaliser. - l'électrode agencée à l'intérieur de la buse est une électrode non fusible, de préférence une électrode en tungstène, - l'électrode agencée à l'intérieur de la buse est un fil fusible. - l'inclinaison de la buse par rapport à la surface des pièces à souder est environ de 1 0 5 à 85 et/ou l'axe de la buse coupe l'axe du faisceau laser. - les deux cloisons latérales comportent des moyens d'alimentation en gaz permettant une distribution latérale de gaz dans l'espace. - le gaz est choisi dans le groupe formé par les gaz rares, l'argon, l'azote, le dioxyde de carbone, l'oxygène, l'hydrogène et les alcanes. - la buse est de forme cylindrique ou conique, convergente ou divergente. - les deux cloisons latérales sont formées en une pièce unique, ou en plusieurs pièces assemblées, formant jupe et ayant sensiblement une forme en U. - on réalise un joint de soudure au niveau de l'angle formé par des pièces à souder l'une avec l'autre, c'est-à-dire un soudage en angle pour lequel le procédé de l'invention est 2 0 particulièrement bien adapté. L'invention porte aussi sur une installation de soudage hybride par faisceau laser combiné à un arc électrique comportant: - des moyens de génération d'un faisceau laser pour générer un faisceau laser, - une tête de soudage d'axe (BB) pour délivrer le faisceau laser, - une buse latérale d'alimentation en gaz d'axe (AA), l'axe (AA) de la buse et l'axe (BB) de la tête de soudage formant un angle non nul l'un par rapport à l'autre, ladite buse étant formée d'un corps de buse avec un orifice d'entrée de gaz par lequel pénètre un gaz dans ledit corps de buse et un orifice de sortie de gaz par lequel est expulsé un gaz du corps de buse, - une électrode pour générer un arc électrique, ladite électrode étant agencée à l'intérieur de la buse latérale, - la paroi latérale du corps de buse comporte au moins un évidemment par lequel le faisceau laser entre à l'intérieur dudit corps de buse ou au moins une cloison latérale est agencée au niveau de l'orifice de sortie de ladite buse de manière à former un espace cloison/buse traversé par le faisceau laser et l'arc électrique. Selon le cas, l'installation de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes: - la buse comporte au moins deux cloisons latérales agencées face à face et de part 10 et d'autre de l'orifice de sortie de gaz de la buse de manière à former des guides pour le gaz, dirigé approximativement parallèlement à l'axe du cordon de soudure à réaliser, de préférence les deux cloisons latérales sont formées en une pièce unique formant jupe et ayant sensiblement une forme en U. - la buse contient une électrode fusible ou non fusible. L'invention consiste donc à contenir ou à minimiser la dispersion du jet de gaz à la sortie d'une buse latérale de manière à obtenir un écoulement le plus laminaire et unidimensionnel possible à la surface de la tôle, au niveau de la zone d'impact du faisceau laser et de l'arc électrique, c'est-à-dire de la zone de soudage ou d'interaction. Grâce au procédé de l'invention, la zone d'interaction est parfaitement protégée et le 2 0 processus de soudage arc-laser est bien plus performant puisque la zone d'interaction est alors située dans l'écoulement gazeux laminaire ainsi obtenu et que le cordon de soudure se développe alors suivant cet axe privilégié. Pour conserver le caractère laminaire de l'écoulement gazeux au-delà de l'embouchure de la buse, on utilise un système de guidage qui peut être, selon le cas: - soit une échancrure 15 ou un orifice pratiqué dans la paroi latérale au niveau de l'embouchure 12 de sortie de la buse 11 de distribution de gaz de manière à ce que la zone d'interaction se trouve à l'intérieur de la buse. Dans ce cas, comme schématisé sur la figure 3 et la figure 4, l'échancrure 15 sert à laisser passer le faisceau laser 14 et les propriétés de l'écoulement dans la buse l l sont alors conservées dans la zone d'interaction. - une ou plusieurs parois 16 ou jupes latérales agencées de part et d'autre de l'extrémité aval 12 de la buse 11 cylindrique qui limite toute dispersion latérale de l'écoulement en dehors de la buse 11, comme visible sur les figures 5, 6 et 7. De plus, les parois latérales 16 peuvent aussi être adaptées pour alimenter en gaz la zone d'interaction, transversalement 17 au déplacement du laser, comme montré sur la figure 6. Cette injection de gaz perturbe l'écoulement unidimensionnel initial mais il permet d'injecter du gaz de manière uniforme autour de la zone d'interaction. Toutefois, il est préférable de limiter l'espacement entre la buse 11 latérale et les tôles 13 pour éviter tout phénomène d'aspiration du gaz environnant, c'est-à-dire de l'air ambiant. 1 0 Il est à noter que l'invention peut s'appliquer à toutes sortes de buses latérales, à savoir aux buses linéaires, coudées, de tous les diamètres, en tous les matériaux... Par ailleurs, la matière du guide de gaz, c'est-à-dire des jupes ou parois latérales, peut être de n'importe quelle nature, l'important étant que le matériau utilisé résiste aux conditions thermiques environnantes. On peut d'ailleurs également recouvrir la paroi intérieure de la buse d'un revêtement anti-adhérant, en particulier d'un revêtement à base de silicone ou de graphite, qui permet aux éventuelles projections de soudage de ne pas adhérer à l'intérieur de la buse. En outre, un système de refroidissement peut être intégré à chacun des systèmes d'apport de gaz, c'est-à-dire des buses, pour maintenir les parois de la buse et le gaz incident 2 0 à température voulue, préférentiellement constante. L'angle que fait l'axe (AA) de la buse 11 avec la surface de la tôle peut être compris entre 50 et 850, et la buse 11 peut être installée dans n'importe quelle position autour de la zone d'interaction. Un système de réglage approprié permet d'adapter le positionnement de l'échancrure 15 par rapport à la zone d'impact du faisceau laser sur la cible. 2 5 Afin d'éviter d'éventuel contact entre la buse 11 et le renflement du cordon de soudure, un évidement 19 peut être aménagé à l'arrière de la buse 11, à l'opposé de l'échancrure 15. Les dimensions de cet évidement 19 seront légèrement supérieures aux dimensions du renflement du cordon de soudure. Les figures 3 à 7 schématisent un soudage à plat mais on peut aussi utiliser cette buse 30 11 à échancrure 15 dans d'autres configurations de soudage, notamment pour le soudage d'angle, o l'angle de l'axe laser par rapport à la surface de la tôle est en général très faible, typiquement de 100 à 15 , et o une buse 11 échancrée 15 conduit à une excellente protection. En fonction d'ailleurs de l'angle d'inclinaison de l'axe de la buse échancrée par rapport 5 à l'axe du laser et l'axe du joint, cette même buse peut être redimensionnée de manière à ce qu'elle puisse se loger au plus près de la zone d'interaction. Revendications 1. Procédé de soudage hybride arc-laser d'une ou plusieurs pièces métalliques, dans lequel: a) on délivre un faisceau laser (14) au moyen d'une tête de soudage d'axe (BB), b) on délivre un gaz de protection au moyen d'une buse (11) latérale d'alimentation en gaz d'axe (AA), l'axe (AA) de la buse (11) et l'axe (BB) de la tête de soudage formant un angle non nul l'un par rapport à l'autre, ladite buse (11) étant formée d'un corps de buse avec 10 un orifice d'entrée de gaz par lequel le gaz de pénètre dans ledit corps de buse et un orifice de sortie (1 2) de gaz par lequel le gaz est expulsé du corps de buse (11) en direction de la ou des pièces à souder, c) on génère un arc électrique au moyen d'une électrode (20) agencée à l'intérieur de la buse (11), d) on dirige le faisceau laser (14) à travers un évidement (15) pratiqué dans la paroi latérale du corps de buse (11) ou dans l'espace cloison/buse situé entre au moins une cloison latérale (6) agencée au niveau de l'orifice (2) de sortie de ladite buse (1) et ladite sortie de buse (1) de manière à ce que ledit faisceau laser (14) pénètre dans le corps de buse par ledit évidement (15) ou dans l'espace cloison/buse et ressorte ensuite dudit corps de buse (11) ou 20 dudit espace cloison/buse en se combinant avec l'arc électrique généré à l'étape (c) pour aller frapper simultanément la ou les pièces métalliques à souder au niveau du plan de joint. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évidement (5) pratiqué dans la paroi latéral du corps de buse (1) est au moins une échancrure rejoignant l'orifice (2) 25 de sortie de gaz et située sur la partie supérieure de la buse (1). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace cloison/buse est défini par au moins deux cloisons latérales (6) agencées au niveau de l'orifice (2) de sortie de ladite buse (1) de manière à canaliser le gaz dans l'espace (8) délimité par lesdites cloisons (6) et l'orifice (2) de sortie du corps de buse (1) et à le concentrer au niveau de la zone de soudage. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux cloisons latérales (6) agencées face à face, et de part et d'autre de l'orifice (2) de sortie de gaz de la buse (1) de manière à former des guides pour le gaz dirigé approximativement parallèlement à l'axe du cordon de soudure à réaliser. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'électrode 10 (20) agencée à l'intérieur de la buse (11) est une électrode non fusible, de préférence une électrode en tungstène. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'électrode (20) agencée à l'intérieur de la buse (11) est un fil fusible. 15 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'inclinaison de la buse (11) par rapport à la surface des pièces à souder est environ de 50 à 850 et/ou l'axe de la buse (11) coupe l'axe du faisceau laser. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on réalise un joint de soudure au niveau de l'angle formé par des pièces à souder l'une avec l'autre. 9. Installation de soudage hybride par faisceau laser combiné à un arc électrique comportant: - des moyens de génération d'un faisceau laser pour générer un faisceau laser (4), - une tête de soudage d'axe (BB) pour délivrer le faisceau laser (4), - une buse (1) latérale d'alimentation en gaz d'axe (AA), l'axe (AA) de la buse (1) et l'axe (BB) de la tête de soudage formant un angle non nul l'un par rapport à l'autre, ladite buse (1) étant formée d'un corps de buse avec un orifice d'entrée de gaz par lequel pénètre un gaz il dans ledit corps de buse et un orifice de sortie (2) de gaz par lequel est expulsé un gaz du corps de buse, - une électrode (20) pour générer un arc électrique, ladite électrode (20) étant agencée à l'intérieur de la buse (1) latérale, - la paroi latérale du corps de buse (1) comporte au moins un évidemment (5) par lequel le faisceau laser (4) entre à l'intérieur dudit corps de buse ou au moins une cloison latérale (6) est agencée au niveau de l'orifice (2) de sortie de ladite buse (1) de manière à former un espace cloison/buse traversé par le faisceau laser (14) et l'arc électrique. 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que la buse (1) comporte au moins deux cloisons latérales (6) agencées face à face et de part et d'autre de l'orifice (2) de sortie de gaz de la buse (1) de manière à former des guides pour le gaz, dirigé approximativement parallèlement à l'axe du cordon de soudure à réaliser, de préférence les deux cloisons latérales (6) sont formées en une pièce unique formant jupe et ayant 15 sensiblement une forme en U.