Brevet FR2870765A1 — publié le 20051202

L'invention concerne un procédé de soudage laser ou hybride laser-arc d'une ou plusieurs pièces métalliques, en particulier des panneaux plans destinés à une utilisation sur un chantier naval, ou les bords longitudinaux de tubes ou de pipelines. Le soudage par faisceau laser est un procédé de soudage très performant qui permet d'obtenir des vitesses de soudage et des profondeurs de pénétration très importantes si on les compare à d'autres procédés plus traditionnels, tel le soudage à l'arc. Ces performances sont obtenues grâce aux fortes densités de puissances io mises en oeuvre lors de la focalisation, par un ou plusieurs miroirs ou lentilles, du faisceau laser sur la ou les pièces à souder. En effet, ces fortes densités de puissance laser provoquent à la surface de la pièce (ou des pièces) une très forte évaporation laquelle, en se détendant vers l'extérieur, induit un creusement progressif, appelé 'effet fusée', du bain de soudage et conduit à l'apparition, dans l'épaisseur de la tôle, d'un capillaire de vapeur ou keyhole D. Ce capillaire permet un dépôt direct de l'énergie au coeur de la tôle par opposition avec un procédé plus conventionnel où la fusion est réalisée principalement par propagation thermique. Typiquement, un 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. Quand le capillaire est débouchant, on dit que la soudure est débouchante, c'est à dire qu'il traverse complètement la tôle à souder. Ce processus est accompagné d'une perte d'énergie côté envers car toute la puissance du faisceau laser n'est pas utilisée pour fondre la tôle. Il y a donc une partie cette puissance laser qui est transmise à travers la tôle, laquelle est d'autant plus importante que la tôle est de faible épaisseur, que la puissance laser est importante et que la vitesse de soudage est faible. Par ailleurs, le procédé de soudage hybride laser-arc est un procédé de soudage qui combine le soudage à l'arc électrique au soudage laser. Un tel procédé hybride laser-arc est notamment décrit dans les documents EP-A-800434, EP-A-1273383, EP-A-1199128, EP-A-1212165, EP-A-1337375, WO-A03/11516, WO-A-03/43776, WO-A-03/82511, EP-A-1160048, EP-A-1160046, EP-A1160047 et EP-A-1380380. Le principe de ce procédé est de générer un arc électrique entre une électrode fusible ou non fusible et la ou les pièces à souder, et à focaliser concomitamment un faisceau laser de puissance, de type YAG ou CO2 par exemple, dans la zone d'arc. Ce procédé, s'il permet également d'obtenir des vitesses de soudage et des profondeurs de pénétration très importantes grâce à l'apparition d'un capillaire de vapeur, permet en outre d'accroître considérablement les tolérances de positionnement des pièces avant soudage par io rapport au positionnement très précis indispensable en soudage laser seul du fait de la petite taille du point focal qui est mis en oeuvre dans ce dernier. Un problème existant en soudage laser et en soudage hybride arc-laser utilisant un générateur laser de type CO2 est la création d'un plasma de gaz de couverture. En effet, le plasma de vapeurs métalliques présent dans le capillaire, qui est inhérent au soudage laser seul et qui est renforcé en soudage hybride par la présence d'un arc électrique, en ensemençant en électrons libres le gaz de couverture, peut déclencher l'apparition d'un plasma de gaz de couverture qui est préjudiciable à l'opération de soudage. Le faisceau laser peut alors être fortement, voire totalement, 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, donc à une interruption momentanée du processus de soudage. Le seuil d'apparition de ce plasma de gaz de couverture dépend du gaz de 25 couverture utilisé et des paramètres de puissance et de focalisation du faisceau laser. Pour remédier à ce problème, des mélanges gazeux utilisables en soudage avec laser de type CO2 ou en soudage hybride ont été proposés par les documents EP-A-1404482, WO-A-03/57398, EP-A-1371444, EP-A-1371445, EPA-1371446 et EP-A-1375054, lesquels permettent de se prémunir de l'apparition de ce plasma de gaz de couverture du côté endroit. Par ailleurs, un autre problème en soudage laser ou hybride arc-laser est lié à la teneur en azote du cordon de soudure. En effet, l'azote est, en général, un 2870765 3 élément nuisible aux propriétés mécaniques des assemblages soudés dès lors qu'il est en trop grande quantité dans le métal fondu. Autrement dit, le problème à résoudre est de proposer un procédé de soudage laser ou hybride arc-laser amélioré, dans lequel on limite la quantité d'azote qui s'incorpore dans le métal fondu pendant la réalisation du joint de soudage. La solution de l'invention est alors un procédé de soudage laser de type CO2 pour assembler par soudage une ou plusieurs pièces métalliques, dans lequel: io (a) on met en oeuvre du côté endroit de la ou des pièces à souder, un premier gaz de protection contenant de l'hélium, (b) on met en oeuvre du côté envers de la ou des pièces à souder, un second gaz de protection contenant de l'hélium, et (c) on réalise un joint de soudure à pleine pénétration au moyen d'au moins le faisceau laser délivré du côté endroit de la ou des pièces sans créer, pendant la réalisation du joint de soudure, de plasma du côté envers dans le second gaz de protection. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - les étapes (a) et (b) sont mises en oeuvre simultanément ou concomitamment. - ledit second gaz de protection est un gaz de composition identique à celle du premier gaz de protection. - le premier gaz de protection est choisi parmi l'hélium, l'argon, les mélanges argon/hélium, hélium/azote, hélium/oxygène, hélium/CO2, hélium/argon/oxygène, hélium/argon/CO2, argon/hydrogène ou hélium/hydrogène. - le second gaz de protection est choisi parmi l'hélium, l'argon, les mélanges argon/hélium, hélium/azote, hélium/oxygène, hélium/CO2, hélium/argon/oxygène, hélium/argon/CO2, argon/hydrogène ou hélium/hydrogène. - à l'étape (c), on met en oeuvre, par ailleurs, un arc électrique et on réalise le joint de soudure entre la ou les pièces à souder au moyen d'au moins l'arc électrique et le faisceau laser délivrés en se combinant l'un à l'autre du côté endroit de la ou des pièces. - la ou les pièces sont en matériaux métalliques, tels que, aciers au carbone, aciers au carbone manganèse, aciers micro-alliés, aciers inoxydables austénitiques, aciers inoxydables ferritiques, aciers inoxydables martensitiques et alliages d'aluminium, et/ou la ou les pièces sont des tôles planes ou un tube. - la ou les pièces à souder ont une épaisseur d'au moins 0,2mm, de préférence d'au moins 0,5 mm. - il est choisi parmi les procédés hybrides TIG-laser ou MIG-laser. - le second gaz de protection est de l'hélium. Dans le cadre de l'invention: io - par " faisceau laser de type CO2', on entend un faisceau laser généré par un générateur laser de type CO2 - par "côté endroit", on entend le côté de la ou des pièces à souder situé directement en regard de la tête de soudage laser ou laser hybride, qui reçoit le faisceau et/ou l'arc en premier, c'est-à-dire le côté de la surface supérieure de ou des tôles à souder - par "côté envers", on entend le côté de la ou des pièces opposé au côté endroit, c'est-à-dire le côté de la surface inférieure de la ou des tôles à souder, - par "keyhole" : on entend le capillaire formé de vapeurs métalliques et de plasma de vapeurs métalliques permettant un dépôt direct de l'énergie du faisceau laser au coeur de la tôle à souder, qui est crée par la forte densité de puissance du laser. Les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence qu'en fonction de la vitesse de soudage et de la puissance laser utilisée, on pouvait créer dans l'air en dessous du cordon de soudure, un plasma du côté envers, qui, quand il était déclenché, était une source importante de génération d'azote dans le cordon de soudure. En effet, la puissance qui débouche à l'extrémité du keyhole et qui n'est pas absorbée dans la ou les tôles à souder peut être suffisante pour créer un plasma dans l'air situé en dessous de la ou des tôles à souder. Ce plasma dissocie l'azote de l'air et lui permet ainsi de pénétrer dans le métal fondu et d'en détériorer les propriétés mécaniques et métallurgiques. Or, les inventeurs de la présente invention ont montré que pour se prémunir de l'apparition d'un tel plasma du côté envers et éviter ainsi l'introduction d'azote dans le cordon de soudure, il convenait d'utiliser un gaz de protection du côté envers qui soit difficile à ioniser, c'est-àdire soit de l'hélium, soit un mélange gazeux à base d'hélium, lequel est identique ou différent en composition à celui utilisé pour réaliser la protection du côté endroit du joint de soudure. Autrement dit, selon l'invention, on empêche la formation d'un plasma du côté envers de la soudure et on évite ainsi l'introduction d'azote dans le joint par mise en oeuvre du côté envers d'une atmosphère gazeuse de protection d'hélium ou d'un gaz contenant de l'hélium. L'invention sera mieux comprise au vu des explications suivantes données en références aux Figures annexées parmi lesquelles: io - la Figure la représente une macrographie de soudage par faisceau laser de type CO2 à une puissance de 10.4 kW selon l'art antérieur, de pièces de 5 mm d'épaisseur, à une vitesse de soudage de 2,5 m/min, avec de l'hélium en gaz endroit et de l'hélium en gaz du côté envers, et avec focalisation du laser à la surface des pièces à souder. - la Figure lb représente une macrographie obtenue dans les mêmes conditions que celles de la Figure la sans gaz du côté envers, c'est-àdire que le côté envers est à l'air ambiant. - la Figure 2a représente une photographie transversale illustrant le processus de soudage laser dont le résultat est indiqué à la figure 1 b. - la Figure 2b représente une photographie transversale illustrant le processus de soudage laser dont le résultat est indiqué à la figure la. La figure 1 b est une macrographie d'un cordon de soudure dont le pied de cordon présente des porosités larges et importantes. Le métal fondu contient une quantité d'azote extrêmement importante, à savoir 550 ppm en poids. En observant la photographie de la figure 2a, on perçoit, du côté envers, une luminosité extrêmement importante qui est la signature de la formation d'un plasma crée dans l'atmosphère du côté envers du cordon de soudure qui est à l'air ambiant. Ce plasma se formant dans l'air du côté envers provoque une dissociation des molécules d'azote de l'air et permet ainsi leur pénétration dans le cordon de soudure, ce qui en détériore les propriétés métallurgiques notamment. A l'inverse, comme visible sur la figure 2b, selon l'invention, lorsqu'on empêche la formation de tout plasma du côté envers, le cordon obtenu, tel que montré sur la figure la, ne présente qu'un faible taux d'inclusions d'azote dans le 2870765 6 métal fondu, à savoir pas plus de 50 ppm en poids ici. Ceci confirme l'efficacité du procédé de l'invention. Il est à noter qu'on distingue à la fois sur les Figures 2a et 2b, du côté endroit, un plasma de vapeurs métalliques qui s'échappent du keyhole pendant le soudage. Il faut signaler que lorsque ce plasma du côté envers est créé dans l'air, la quantité d'azote qui pénètre dans le cordon de soudage est beaucoup plus élevée que lorsque ce plasma du côté envers n'est pas déclenché. Ainsi, si on augmente la vitesse de soudage, jusqu'à repasser en dessous du seuil de déclenchement de ce plasma du côté envers, la quantité d'azote introduite dans le cordon de soudure chute de manière notable. Cependant, il y a inévitablement une partie de l'azote de l'air qui rentre dans le cordon même si le plasma du côté envers n'est pas déclenché. C'est pour cette raison que l'on peut utiliser malgré tout des mélanges hélium/azote du côté envers tant que ce plasma du côté envers n'est pas déclenché. Il faut également noter qu'il n'est pas toujours possible d'augmenter les vitesses de soudage pour se débarrasser de ce plasma du côté envers, notamment pour le soudage en chanfrein ou lorsqu'une forme particulière de cordon est imposée. De manière préférentielle, on choisit le même gaz du côté envers et du côté endroit, c'est-à-dire de l'hélium ou des mélanges hélium/argon ou hélium/azote. 2870765 7 Revendications 1. Procédé de soudage laser de type CO2 pour assembler par soudage une ou plusieurs pièces métalliques, dans lequel: (a) on met en oeuvre du côté endroit de la ou des pièces à souder, un premier gaz de protection contenant de l'hélium, (b) on met en oeuvre du côté envers de la ou des pièces à souder, un second gaz de protection contenant de l'hélium, et (c) on réalise un joint de soudure à pleine pénétration au moyen d'au moins le faisceau laser délivré du côté endroit de la ou des pièces sans créer, pendant la réalisation du joint de soudure, de plasma du côté envers dans le second gaz de protection. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étapes (a) et (b) sont mises en oeuvre simultanément ou concomitamment. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit second gaz de protection est un gaz de composition identique à celle du premier gaz de protection. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier gaz de protection est choisi parmi l'hélium, l'argon, les mélanges argon/hélium, hélium/azote, hélium/oxygène, hélium/CO2, hélium/argon/oxygène, hélium/argon/CO2, argon/hydrogène ou hélium/hydrogène. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le second gaz de protection est choisi parmi l'hélium, l'argon, les mélanges argon/hélium, hélium/azote, hélium/oxygène, hélium/CO2, hélium/argon/oxygène, hélium/argon/CO2, argon/hydrogène ou hélium/hydrogène. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'à l'étape (c), on met en oeuvre, par ailleurs, un arc électrique et on réalise le joint de soudure entre la ou les pièces à souder au moyen d'au moins l'arc électrique et le 2870765 8 faisceau laser délivrés en se combinant l'un à l'autre du côté endroit de la ou des pièces. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la 5 ou les pièces sont en matériaux métalliques et/ou la ou les pièces sont des tôles planes ou un tube. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la ou les pièces à souder ont une épaisseur d'au moins 0,2mm, de préférence d'au 10 moins 0,5 mm. 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est choisi parmi les procédés hybrides TIG-laser ou MIG-laser. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le second gaz de protection est de l'hélium.