Brevet FR2859934A1 — publié le 20050325

L'invention concerne un procédé pour le soudage par faisceau laser avec pointage préalable, dans lequel au moins deux tôles sont positionnées l'une par rapport à l'autre de la manière nécessaire pour le soudage, puis elles sont assemblées par pointage et ensuite elles sont soudées par faisceau laser. On connaît un tel procédé déjà du document DE 44 14 464 Cl. Lors du soudage par des procédés de soudage à haute densité de puissance, en particulier lors du soudage par faisceau laser, lors du soudage par faisceau électronique, ou lors du soudage au plasma, les intervalles entre les éléments à assembler ne doivent pas dépasser une largeur maximale dépendante du processus et du matériau. Ceci est particulièrement important lors du soudage à recouvrement de tôles de carrosseries dans la construction automobile. Pour cette raison, les tôles doivent en règle générale être serrées à proximité directe de l'emplacement de soudage. Habituellement, pour le serrage, on utilise une technique de serrage fixe avec une multitude d'éléments de serrage qui assurent le respect de la largeur d'intervalle admissible à chaque emplacement du cordon de soudure. Le document DE 198 03 734 C2 propose une technique de serrage conjointement mobile. À cet effet, un élément presseur qui amène simultanément le fil d'apport passe par-dessus les tôles à souder et il presse celles-ci ensemble. Une tête de soudage au laser est reliée rigidement à l'élément presseur et est orientée rigidement par rapport à celui-ci, pour qu'elle puisse amener le fil d'apport à la fusion. Dans cette réalisation, les vitesses de serrage et de soudage sont couplées l'une à l'autre. Des procédés de soudage modernes, par exemple le soudage au scanneur à laser, peuvent atteindre des vitesses de soudage qui sont sensiblement supérieures à la vitesse de déplacement qu'un dispositif de serrage mobile peut atteindre. Cette dernière est limitée entre autres 2859934 2 par la nécessité de ne pas désajuster par transfert d'impulsion les tôles ajustées l'une par rapport à l'autre. Le document DE 44 14 464 C 1 propose de renoncer complètement à la technique de serrage. Les tôles doivent seulement être positionnées l'une sur l'autre, puis être pointées par plusieurs points de soudage au moyen d'un laser le long du cordon de soudure envisagé, et ensuite être soudées. Ce procédé convient certes pour des tôles plates. Cependant, l'expérience a montré que lors d'une géométrie plus complexe, il se forme des largeurs d'intervalle qui ne peuvent pas être comblées sans moyen technique de serrage. L'objectif sous-jacent à la présente invention est donc de proposer un procédé pour le soudage par faisceau laser, qui assure d'une part le respect d'une largeur d'intervalle maximale entre les tôles et qui permet d'autre part une exploitation maximale de la vitesse de soudage possible. En ce qui concerne le procédé pour le soudage par faisceau laser, cet objectif est atteint dans un procédé mentionné en introduction par le fait qu'on exécute plusieurs fois en alternance un pointage local et un soudage local, les tôles étant serrées localement au moyen d'un dispositif de serrage pour le pointage, de telle sorte qu'une largeur d'intervalle maximale prédéterminée entre les tôles est assurée localement, et par le fait que ledit pointage s'effectue par faisceau laser. Des développements avantageux de l'invention ressortent de la description qui suit. Cette mise en oeuvre conforme à l'invention du procédé présente l'avantage que le mouvement du dispositif de serrage et celui du faisceau de soudage sont découplés l'un de l'autre et qu'ainsi le premier ne limite plus le deuxième. Un serrage s'effectue toujours à l'endroit et à l'instant où on doit procéder à un pointage. Ainsi, la durée de serrage, c'est-à-dire la période temporelle de l'application de force et la durée de séjour sont minimisées. 2859934 3 De plus, le respect d'une largeur d'intervalle maximale est assuré à tout moment, à savoir lors du pointage par le dispositif de serrage et lors du soudage par le cordon pointé. De plus, par comparaison avec le document DE 44 14 464 Cl, on exploite mieux le temps de travail au laser, car on ne soude pas tout d'abord tous les emplacements de pointage et ensuite le laser doit faire tout le trajet jusqu'au premier emplacement de pointage, pour commencer le soudage, mais le laser commence à souder sans détour immédiatement après le pointage, et sans nécessiter à cet effet le dispositif de serrage. Selon un développement avantageux du procédé conforme à l'invention, pendant le soudage local, le dispositif de serrage est déplacé vers l'emplacement de pointage local suivant. Ainsi, on réduit le temps total du processus. Selon un développement particulièrement avantageux du procédé, le déplacement du dispositif de serrage s'effectue avec une force de pressage réduite ou sans force de pressage. Ainsi, on minimise le risque d'un désajustement des tôles, orientées l'une par rapport à l'autre, par le transfert non voulu d'une impulsion du dispositif de serrage. Selon un autre développement avantageux du procédé, le pointage s'effectue au moyen d'au moins un cordon allongé de préférence d'une longueur d'environ 2 à 5 mm (en fonction des épaisseurs de matériau, de la puissance du laser, de la vitesse de soudage, des forces de retour élastiques etc.). Souvent, les largeurs d'intervalle et les forces agissant à l'encontre du serrage sont aussi élevées qu'il faut une surface minimale de pointage pour empêcher un ré-arrachement du cordon pointé. Le cordon de pointage et le cordon de soudure peuvent être positionnés indépendamment l'un de l'autre, en correspondance des données des pièces, c'est-à-dire que le cordon de pointage peut se trouver 2859934 4 complètement à l'extérieur du cordon ultérieur, le premier peut croiser ou recouvrir le dernier et également faire partie intégrale de ce dernier. Dans ce cas, il est particulièrement avantageux que le cordon de pointage allongé soit agencé perpendiculairement au cordon de soudage ultérieur, car ainsi on maximise la solidité totale de l'emplacement d'assemblage. En variante, le cordon de soudage ultérieur peut également être entouré par deux cordons de pointage côté gauche et côté droite, s'étendant de préférence perpendiculairement à celui-ci. Selon un autre développement avantageux du procédé, le pointage et le soudage s'effectuent au moyen d'un scanneur à laser. 15 Un scanneur à laser comprend un dispositif de déviation de faisceau particulièrement rapide et flexible, par exemple un système à miroir (constitué par au moins un miroir pivotant à commande présentant un ou plusieurs axes, voir par exemple DE 100 27 148 Al) ou également des modulateurs acoustiquesoptiques. Le grand avantage est que le dispositif à scanneur facile à programmer peut diriger le faisceau laser à des intervalles temporels très courts sur des pistes de traitement pratiquement quelconques sur la surface à traiter, et qu'il peut donc réaliser sans problème également des modifications finement adaptées de la vitesse de soudage ou des pistes de mouvement de faisceau latérales plus compliquées. En particulier, l'alternance conforme à l'invention entre le pointage et le soudage est possible de manière très rapide et simple au moyen d'un scanneur à laser, et il permet ainsi une exploitation pratiquement continue de la puissance du laser. Dans ce qui suit, on expliquera plus en détail le procédé conforme à l'invention en se rapportant à trois exemples de réalisation. 2859934 5 Selon un premier exemple de réalisation, on oriente deux tôles d'acier l'une par rapport à l'autre et on définit les cordons de soudage envisagés. On déplace de façon régulière un dispositif à scanneur pardessus les tôles, qui dirige un faisceau laser sur la surface de traitement. Le dispositif à scanneur est constitué par un système à miroirs tridimensionnel, pivotant et commandé par ordinateur. Le dispositif à scanneur présente une distance d'environ 300 mm par rapport à la surface de la tôle, le foyer du laser se trouve sur la surface à souder. La puissance du laser est d'environ 3500 Watt, la vitesse de soudage est d'environ 5 mètres par minute. Un dispositif de serrage est guidé le long des cordons de soudure envisagés, sans force de pressage. Dès qu'il a atteint un cordon de soudure envisagé, il serre ensemble brièvement les deux tôles. La durée de serrage est d'environ 50 ms et elle suffit juste pour souder localement un cordon de soudure d'une longueur d'environ 4 mm et d'une largeur d'environ 0,5 mm. Le cordon de soudure est orienté perpendiculairement à la direction de mouvement du dispositif de serrage (et à l'axe principal du cordon de soudure proprement dit). Après le pointage, on défait le dispositif de serrage et on le déplace sans force à vitesse élevée jusqu'à l'emplacement de pointage suivant à une distance d'environ 50 mm. Pendant cela, on soude la liaison proprement dite des tôles aux alentours directs de l'emplacement de pointage, c'est-à-dire à une distance maximale par rapport au cordon de pointage, laquelle est spécifique au matériau et au processus (ici à environ 10 mm). A cet effet, on mène le faisceau laser au moyen du dispositif à scanneur depuis l'extrémité du cordon de pointage jusqu'au début du cordon de soudure. Le cordon de soudure peut présenter une forme quelconque, tant qu'il présente une longueur et une solidité suffisantes, afin d'assurer une liaison permanente des tôles. La forme d'une agrafe incurvée (en ellipse ouverte sur environ un quart le long de l'axe principal) s'est avérée particulièrement appropriée. Cette agrafe est soudée de telle sorte que son axe principal s'étend perpendiculairement à l'orientation du cordon de pointage qui est agencé au centre de l'agrafe. L'agrafe présente une 2859934 6 longueur d'environ 12 mm et une largeur d'environ 5 mm. Pour souder ce cordon, il faut un temps d'environ 300 ms pendant lequel le dispositif de serrage est déplacé jusqu'à l'emplacement de pointage suivant. En variante, on peut souder également un cordon rectiligne d'une longueur d'environ 20 mm verticalement à travers le cordon de pointage et en dépassement régulier de part et d'autre. Selon un autre exemple de réalisation, on soude à chaque emplacement d'assemblage deux cordons de pointage respectifs d'une longueur d'environ 2 mm perpendiculairement à la direction de mouvement du dispositif de serrage à une distance d'environ 20 mm. Cette distance est suffisamment petite pour ne pas être obligé de re-déplacer et serrer le dispositif de serrage pour assurer la largeur d'intervalle maximale. Après le soudage des deux cordons de pointage, on défait le dispositif de serrage et on l'amène à l'emplacement d'assemblage suivant. Pendant cela, l'agrafe décrite ci-dessus ou bien seulement une ligne rectiligne est soudée au centre entre les deux cordons de pointage. Selon un troisième exemple de réalisation, on soude des tôles revêtues. Celles-ci sont pourvues de boutons (de modifications topographiques minimales d'une hauteur d'environ 100 m) sur les faces dirigées l'une vers l'autre. Ainsi, on assure un écart minimal entre les tôles également dans l'état serré, cet écart délimitant un espace dans lequel le revêtement qui s'évapore pendant le soudage peut s'échapper sans obstacle. Le pointage et le soudage des tôles revêtues s'effectuent de façon analogue aux exemples de réalisation précédents. Dans les modes de réalisation des exemples décrits ci-dessus, le procédé conforme à l'invention s'avère particulièrement approprié pour le soudage par faisceau laser de tôles d'acier dans l'industrie automobile. En particulier, on peut obtenir ainsi une nette réduction des durées d'assemblage tout en assurant une bonne qualité d'assemblage. 2859934 7 Revendications 1. Procédé pour le soudage par faisceau laser, dans lequel au moins deux tôles - sont positionnées l'une par rapport à l'autre de la manière nécessaire pour le soudage, - puis elles sont assemblées par pointage, et ensuite elles sont soudées par faisceau laser, caractérisé en ce que on exécute plusieurs fois en alternance un pointage local et un soudage local, - les tôles étant serrées localement au moyen d'un dispositif de serrage pour le pointage, de telle sorte qu'une largeur d'intervalle maximale prédéterminée entre les tôles est assurée localement, et en ce que ledit pointage s'effectue par faisceau laser. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pendant le soudage local, le dispositif de serrage est déplacé vers l'emplacement de pointage local suivant. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le déplacement du dispositif de serrage s'effectue avec une force de pressage réduite ou sans force de pressage. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pointage s'effectue au moyen d'au moins un cordon allongé. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 30 que le pointage et le soudage s'effectuent au moyen d'un scanneur à laser.