Brevet FR2864917A1 — publié le 20050715

La présente invention concerne un procédé de soudage hybride combinant un faisceau laser et un arc électrique, en particulier un arc électrique de type TIG et un faisceau laser de type YAG, et son application au soudage de pièces en aluminium ou en un alliage d'aluminium. Le procédé de soudage hybride laser-arc est un procédé de soudage mixte qui associe le soudage à l'arc électrique à un faisceau laser. Ce procédé 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, notamment un laser de type YAG ou de type CO2, dans la zone d'arc, c'est-à-dire au niveau ou dans le plan de joint obtenu par réunion bord-à-bord des éléments à souder, de manière à obtenir une combinaison de l'arc et du faisceau dans la zone à souder. Ce type de procédé est applicable pour souder plusieurs pièces à assembler ensemble ou encore pour souder les deux bords longitudinaux d'une feuille métallique, après mise en forme de U puis de 0 de ladite feuille, de manière à obtenir un tube soudé. Le soudage hybride présente les avantages de permettre d'améliorer considérablement les vitesses de soudage par rapport au soudage laser seul ou à l'arc seul, et aussi d'accroître notablement les tolérances de positionnement des éléments avant soudage, donc le jeu entre les bords à souder, en particulier par rapport au soudage par faisceau laser seul qui exige une précision importante de positionnement des parties à souder du fait de la petite taille du point focal du faisceau laser. La mise en oeuvre d'un procédé hybride arc-laser requiert habituellement l'utilisation d'une tête de soudage qui permet de combiner dans un espace réduit le faisceau laser et son dispositif de focalisation, ainsi qu'une électrode de soudage adaptée, fusible ou non fusible. Plusieurs configurations de têtes sont décrites dans les documents ciaprès mentionnés et l'on peut dire, en résumé, que le faisceau laser et l'arc électrique, TIG, MIGIMAG ou plasma, peuvent être délivrés par une seule et même tête de soudage, c'est-à-dire qu'ils sortent par le même orifice, ou alors par deux têtes de soudage distinctes, l'une délivrant le faisceau laser et l'autre l'arc électrique, ceux-ci se combinant dans la zone de soudage. On peut citer aussi les documents suivants qui décrivent divers procédés et installations de soudage hybride, ainsi que leurs applications au soudage de tubes, de flancs raboutés (tailored blanks) ou autres: EP-A-1160048, EP-A-1160046 et EP-A- 1160047, EP-A-1313590, EP-A-11602026, WO-A-03/43776, WO-A-03/82511, WO-A- 03/11516, EP-A-1337375, EP-A-1212165, EP-A-1273383, EP-A-1199128, EP-A- 1273383, EP-A-793558, EPA-782489, EP-A-800434, US-A-5,006,688, US-A-5,700, 989, EP-A-844042, Laser GTA'Welding of aluminium alloy 5052, TP Diebold et CE Albright, 1984, p. 18-24, SU-A- 1815085, US-A-4,689,466, Plasma arc augmented laser welding, RP Walduck et J Biffin, p.172-176, 1994, TIG or MIG arc augmented laser welding of thick mild steel plate, Joining and Materials, de J Matsuda et al., p. 31- 34, 1988, et Laser plus arc equals power, Industrial Laser Solutions, February 1999, p.28-30. Or, malgré cet état de la technique abondant sur le sujet, il existe encore des problèmes qui se posent de façon rémanente, lors du soudage hybride de l'aluminium et de ses alliages, à savoir que les vitesses de soudage atteintes peuvent être inférieures à celles obtenues en soudage laser seul. De plus, en fonction des paramètres de soudage utilisés, l'état de surface du cordon peut être notablement détérioré par rapport à celui du soudage par faisceau laser seul. Ces problèmes sont en fait intimement liés à la nature des matériaux constituant les pièces à assembler, c'est-à-dire l'aluminium ou ses alliages, qui sont des matériaux plus difficiles à souder que les aciers classiques car ils présentent des viscosités et des températures de liquéfaction et de vaporisation très différentes. Le but de la présente invention est de résoudre ces problèmes en proposant un procédé de soudage hybride combinant faisceau laser et arc électrique permettant de souder efficacement l'aluminium ou ses alliages, c'est-à-dire à une vitesse de soudage compatible avec les exigences industrielles, typiquement supérieure aux vitesses obtenues en laser seul, et avec des cordons de soudure ayant meilleur aspect que celui donné par le soudage laser seul. La solution apportée par la présente invention est alors un procédé de soudage hybride arc-laser de pièces en aluminium ou en alliage d'aluminium, dans lequel on réalise un joint de soudage par mise en oeuvre combinée d'au moins un faisceau laser et d'au moins un arc électrique généré par une électrode non fusible, caractérisé en ce qu'on génère, délivre et/ou oriente le faisceau laser et l'arc électrique de manière à ce que l'arc l'électrique soit devant le faisceau laser. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes: - l'arc l'électrique vient frapper la ou les pièces avant le faisceau laser. - les valeurs de courant pour l'arc (Iarc), de puissance (P) du faisceau laser, de diamètre (D) de la tâche focale du faisceau laser et de vitesse de soudage (V) effective sont choisies telles que: 0.1 - le faisceau laser est de type Nd:YAG. - l'arc est de type TIG ou plasma, de préférence de type TIG. - le courant (Iarc) est compris entre 5 et 200 A, de préférence inférieur à 150 A. - la puissance (P) du laser est comprise entre 3 et 5 kW. - le diamètre (D) de la tâche focale est compris entre 300 et 600 pm. - la vitesse de soudage (V) est comprise entre let 20 mlmin. - la ou les pièces à souder ont une épaisseur inférieure à 10 mm, de préférence de 0.5 mm à4 mm. - durant le soudage, on met en oeuvre une protection gazeuse de tout ou partie du joint de soudage formée d'un mélange hélium-argon - les valeurs de courant pour l'arc (larc), de puissance (P) du faisceau laser, de diamètre (D) de la tâche focale du faisceau laser et de vitesse de soudage (V) effective, vérifient: 0.2 5 P. Iarc I (D. V) 5 0.5 L'invention porte aussi sur un procédé de fabrication d'un élément entrant dans la constitution d'un véhicule automobile (voiture, camion, autobus..) d'un fuselage d'avion ou tout autre aéronef, dans lequel on met en oeuvre un procédé de soudage selon l'invention. Dans le cadre de l'invention: - par soudage hybride arc-laser, on entend une mise en oeuvre, simultanément ou approximativement simultanément, d'au moins un faisceau laser et d'au moins un arc électrique, lesdits faisceau laser et arc électrique se combinant en un endroit ou zone d'impact pour obtenir une fusion localisée des pièces à assembler et son durcissement subséquent en un joint de soudure, et - par l'arc est "devant" le faisceau laser, on entend que la zone d'impact susmentionnée, qui est située sur la ou les pièces à souder, est frappée d'abord par l'arc puis par le faisceau laser. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - la ou les pièces à souder ont une épaisseur inférieure à 10 mm, en particulier de 0.5 mm à 4 mm, au niveau du plan de joint où s'effectue le soudage. - le faisceau laser est émis par un laser de type Nd:YAG. - l'arc électrique et le faisceau sont délivrés par une tête de soudage unique ou des têtes distinctes. - l'assemblage, c'est-à-dire le soudage proprement dit, est réalisé en une seule passe de soudage. - le gaz d'assistance du faisceau laser et le gaz pour l'arc électrique sont choisis parmi l'argon, l'hélium, l'azote, l'oxygène, le dioxyde de carbone ou leurs mélanges, de préférence l'argon, l'hélium ou leurs mélanges. - la vitesse de soudage est comprise entre 1 m/mn et 20 m/mn. Dit autrement, selon l'invention, le soudage de l'aluminium se fait par combinaison hybride du faisceau laser YAG avec un arc électrique de type TIG ou plasma qui viennent frapper, dans un ordre précis, la zone à fondre pour y former le joint de soudure, c'est-à-dire que l'arc frappe la zone à fondre avant le faisceau laser. Plus précisément, il a été montré dans le cadre de la présente invention que la vitesse de soudage et l'aspect du cordon de soudage obtenu pouvaient être nettement améliorés lorsque la configuration est de type "arc tiré", c'est-à-dire lorsque l'arc est situé avant le faisceau laser, que lorsque la configuration est de type arc "poussé", c'est-à-dire lorsque l'arc est situé après le faisceau laser. Les meilleurs résultats en termes de qualité et d'aspect du cordon ont été obtenus pour un courant inférieur à 150 A pour une puissance laser YAG de 4 kW. De plus, compte tenu des épaisseurs à souder, il a par ailleurs été montré que les valeurs de courant pour l'arc (larc), de puissance (P) du faisceau laser, de diamètre (D) de la tâche focale du faisceau laser, et de vitesse de soudage (V) effective, doivent être telles que: 0.1 La présente invention peut être appliquée au soudage par transparence, à clin, en angle ou bout-à-bout de pièces en aluminium ou en ses alliages, notamment de flancs raboutés (tailored blanks) ou encore de carrosseries de véhicules automobiles. On peut l'appliquer en particulier dans la construction aéronautique, notamment sur les pièces de fuselage. Exemple comparatif Des essais comparatifs ont été réalisés en soudage par transparence de pièces en alliage d'aluminium 5086 ayant une épaisseur de 1,2 mm, avce mise en oeuvre d'un faisceau laser YAG de 4 kW de puissance. Lorsque le soudage est opéré par un faisceau laser seul, on obtient une vitesse de soudage de l'ordre de 7 m/mn avec une tâche focale de 600 im. A titre comparatif, quand on met en oeuvre un procédé de soudage hybride arc-laser dans lequel l'arc est "poussé" (comme selon l'art antérieur), on ne peut pas dépasser environ 5m/mn pour un même courant d'arc de 150A et une même puissance laser. Par contre, avec le procédé arc-laser hybride de l'invention pour une même puissance laser et un courant d'arc de 150 A, on obtient des vitesses de soudage allant jusqu'à 10 m/mn. Au delà de 150 A, quelle que soit la vitesse de soudage, on détériore la qualité du cordon de soudure; il est donc préconisé de limiter dans l'intensité du courant à cette valeur, dans ce cas. Ces essais montrent clairement que la solution de l'invention (soudage hybride à arc 'tiré') est nettement plus efficace que le soudage laser seul ou le soudage hybride de type à 'arc poussé'. 6 Revendications 1. Procédé de soudage hybride arc-laser de pièces en aluminium ou en alliage d'aluminium, dans lequel on réalise un joint de soudage par mise en oeuvre combinée d'au moins un faisceau laser et d'au moins un arc électrique généré par une électrode non fusible, caractérisé en ce qu'on génère, délivre et/ou oriente le faisceau laser et l'arc électrique de manière à ce que l'arc l'électrique soit devant le faisceau laser. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arc l'électrique vient frapper la ou les pièces avant le faisceau laser. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les valeurs de courant pour l'arc (larc), de puissance (P) du faisceau laser, de diamètre (D) de la tâche focale du faisceau laser et de vitesse de soudage (V) effective sont choisies telles que: 0.1 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le faisceau 2 0 laser est de type Nd:YAG. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'arc est de type TIG ou plasma, de préférence de type TIG. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le courant (larc) est compris entre 5 et 200 A, de préférence inférieur à 150 A, la puissance (P) du laser est comprise entre 3 et 5 kW, le diamètre (D) de la tâche focale est compris entre 300 et 600 pm, et/ou la vitesse de soudage (V) est comprise entre let 20 m/min. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les pièces à souder ont une épaisseur inférieure à 10 mm, de préférence de 0.5 mm à 4 mm. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, durant le soudage, on met en oeuvre une protection gazeuse de tout ou partie du joint de soudage formée d'un mélange hélium-argon 9. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce les valeurs de courant pour l'arc (lare), de puissance (P) du faisceau laser, de diamètre (D) de la tâche focale du faisceau laser et de vitesse de soudage (V) effective, vérifient: 0.2 revendications 1 à 9. 11. Procédé de fabrication d'un élément entrant dans la constitution d'un fuselage d'avion, dans lequel on met en oeuvre un procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 9.