Brevet FR2892328A1 — publié le 20070427

L'invention porte sur un procédé de soudage laser dans lequel on contrôle l'hydrodynamique du bain liquide grâce à un débit gazeux focalisé sur le capillaire se formant au point d'impact du faisceau laser, durant le soudage. En soudage par faisceau laser, la réalisation d'une soudure entre deux pièces repose sur le phénomène de fusion et de vaporisation de la matière au point d'impact du faisceau laser. Pour des densités de puissance spécifiques, suffisamment élevées, c'est à dire de quelques MW/cm2, un capillaire ou keyhole rempli de vapeurs métalliques se forme dans le matériau et permet un transfert direct de l'énergie au coeur de la matière. Les parois du capillaire sont formées de métal en fusion et sont maintenues grâce à un équilibre dynamique s'établissant avec les vapeurs internes. En fonction du mouvement, le métal fondu contourne le capillaire pour former à l'arrière de ce dernier un bain liquide . La présence de cette cavité au coeur du bain liquide constamment en mouvement est à l'origine d'instabilités qui donnent naissances à de nombreux défauts susceptibles de dégrader la qualité de la soudure ainsi obtenue. En effet, en observant la scène de soudage à l'aide d'une caméra, on constate que de fortes instabilités se développent à la surface du bain de soudage au contact des vapeurs éjectées, en formant des "vagues". Les vapeurs métalliques éjectées du capillaire entraînent de temps en temps aussi des gouttelettes de métal liquide. Le bain liquide peut parfois, sous l'action de son poids, s'effondrer et obstruer temporairement le capillaire provoquant de fortes instabilités Alors, les aspects de surface des cordons sont souvent très rugueux et tourmentés, des porosités apparaissent et fragilisent le cordon de soudure obtenu. En d'autres termes, les cordons de soudage obtenus sont de mauvaise qualité. Le document Kamimuki et al, Prevention of welding defect by side gas flow and its monitoring method in continuous wave Nd:Yag laser welding, J. of Laser Appl., 14(3), p. 136-145, 2002, explique qu'un jet de gaz latéral émis au travers d'une buse cylindrique classique, de petit diamètre et positionnée uniquement à l'arrière du keyhole, peut parfois diminuer les projections ainsi que les porosités dans un cordon de soudure. Toutefois, un problème majeur de cette solution réside dans la grande difficulté de positionnement de la buse. En effet, il suffit que la pression du jet de gaz soit un peu trop importante ou bien décalée de quelques millimètres à l'arrière du capillaire pour refermer ce dernier et augmenter les instabilités du bain liquide, ce qui conduit à l'effet inverse de celui recherché. De plus, avec une telle buse, on ne peut souder que dans un seul sens, ce qui n'est pas pratique au plan industriel où des soudures doivent pouvoir être faites selon plusieurs direction en fonction de la complexité des pièces à souder. Le problème qui se pose alors est d'améliorer les procédés de soudage laser existants de manière à accroître la qualité des cordons de soudure, en évitant des phénomènes néfastes susmentionnés. La solution de l'invention doit également être utilisable au plan industriel, c'est à dire être d'architecture simple et présenter une grande souplesse d'utilisation, en particulier ne pas être limitée à un sens de soudage. La solution de l'invention est un procédé de soudage par faisceau laser d'au moins une pièce métallique, de préférence de deux pièces métalliques l'une avec l'autre, dans lequel : a) on met en oeuvre un faisceau laser, un premier flux de gaz et une buse de soudage munie d'un orifice de sortie, ledit orifice étant traversé par le faisceau laser et par le premier flux de gaz, et b) on réalise un soudage de la ou des pièces par fusion du métal de la ou des pièces à souder, au point d'impact du faisceau laser avec la ou les pièces à souder, avec formation d'un capillaire ou keyhole rempli de vapeurs métalliques. Selon l'invention, durant le soudage, on dirige le premier flux de gaz uniquement vers l'ouverture du capillaire de vapeurs métalliques et selon une direction perpendiculaire à la ou aux pièces à souder de manière à y exercer une pression dynamique gazeuse. Dans le cadre de l'invention, on appelle "ouverture du capillaire (ou keyhole) de vapeurs métalliques", la zone du capillaire se trouvant à la surface de la tôle à souder et par laquelle s'échappent les vapeurs métalliques. A ce titre, le schéma de la Figure 5 illustre une vue en coupe longitudinale de la zone de soudage en cours de processus de soudage par faisceau laser 10. On y distingue, d'une part, une représentation du capillaire 11 duquel s'échappent des vapeurs métalliques 12 et, d'autre part, les parois de métal liquide 14 qui forment un bain à l'arrière 13. La flèche désignant le sens S du soudage. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - on utilise le premier flux de gaz pour exercer une pression dynamique gazeuse continue et constante sur l'ouverture du capillaire de vapeurs. - on utilise le premier flux de gaz pour opérer une stabilisation de l'écoulement du bain liquide de métal en fusion. - on met en oeuvre, en outre, un deuxième flux de gaz de protection distribué périphériquement au premier flux de gaz. - on met en oeuvre un deuxième flux de gaz de protection distribué coaxialement au premier flux de gaz par rapport à l'axe du faisceau laser. - le débit du premier gaz est de l'ordre de 10 à 20 I/min et le débit du deuxième gaz est de l'ordre de 20 à 30 I/min. les pièces à souder sont empilées et soudées par transparence. - le flux du premier gaz a une section comprise entre 0,1 et 10 mm2. - le flux du premier gaz a un diamètre compris entre 0,5 mm et 3 mm. - la buse est une buse coaxiale. - le premier et le deuxième gaz sont choisis parmi l'argon, l'hélium, l'azote, l'air et leurs mélanges, et éventuellement en plus faible proportion du 002, de l'oxygène ou de l'hydrogène . - le faisceau laser est généré par un générateur laser de type Nd:YAG , fibre d'Ytterbium ou 002. - la buse de soudage est portée par un bras robotisé. - la ou les pièces métalliques à souder sont en acier au carbone, revêtu ou non, en aluminium ou en acier inoxydable. La présente invention repose donc sur une stabilisation de l'écoulement du bain liquide durant le soudage, en agissant sur l'ouverture du keyhole via un premier jet ou flux de gaz "rapide" orienté vers ou sur ladite ouverture du capillaire de sorte d'exercer une pression dynamique gazeuse à cet endroit pour en stabiliser la forme, voire l'agrandir, et ainsi résoudre les problèmes susmentionnés. En effet, grâce à cette pression dynamique, le capillaire reste ouvert et les vapeurs métalliques générées dans le capillaire peuvent s'échapper sans être perturbées par le bain de métal en fusion avoisinant. Le nombre de projections s'en trouve notablement réduit et l'écoulement hydrodynamique du métal liquide facilité, conduisant à un aspect des cordons de soudure amélioré et une réduction des porosités dans la soudure puisque les vapeurs métalliques ne s'y trouvent plus ou beaucoup moins piégées. En complément, un second jet de gaz de protection à débit plus lent, tel qu'habituellement utilisé en soudage par laser, est distribué périphériquement de sorte de protéger le bain de soudage de l'oxydation en formant une protection ou couverture gazeuse autour de la zone de soudage. En d'autres termes, la solution de l'invention met donc préférentiellement en oeuvre un premier jet de gaz "rapide" de stabilisation distribué de manière symétrique par rapport à l'axe du faisceau laser dirigé ou focalisé sur l'ouverture du keyhole et un second jet de gaz "lent" de couverture ou protection de la zone de soudage. Le gaz focalisé est dit rapide s'il possède ou acquiert une énergie cinétique suffisante pour exercer une pression dynamique suffisante sur le keyhole afin de le maintenir ouvert. Par opposition, le gaz de couverture est dit lent car il ne doit pas perturber l'écoulement du bain liquide mais juste prévenir le contact de ce dernier avec l'oxygène de l'air ambiant. Les débits sont de l'ordre de 10 à 20 I/min pour le premier gaz rapide et de 20 à 30 I/min pour le deuxième gaz lent de couverture. La section de passage du gaz rapide est typiquement comprise entre 0.1 et 10 mm2. En fait, le diamètre de passage du gaz est juste supérieur de quelques 10e de millimètre à celui du faisceau laser à la sortie de la buse. Les débits de gaz mis en jeu dépendent directement de la densité du gaz mis en oeuvre pour obtenir une pression dynamique efficace. Cette pression est typiquement de l'ordre de quelques kPa. Le choix particulier des débits gazeux les plus appropriés pour une opération de soudage donnée peut donc être fait empiriquement par l'homme du métier en fonction des conditions de soudage qu'il souhaite mettre en oeuvre, notamment du type de matériau qu'il doit souder, de la nature du gaz dont il dispose, de la puissance du générateur laser qu'il va utiliser. Les jets ou flux de gaz peuvent être distribués par une buse unique de type à "double flux", c'est à dire distribuant deux flux de gaz coaxiaux l'un par rapport à l'autre, encore appelée buse "coaxiale", comme montré en Figures 1 à 4. Ce principe peut être étendu à plusieurs flux gazeux concentriques, notamment trois. De manière alternative, le gaz rapide de focalisation peut être délivré ainsi par plusieurs buses agencées de manière appropriées, par exemple quatre buses de faible diamètre, typiquement inférieur à 3 mm, concourantes avec un angle entre 20 et 45 par rapport à l'axe du faisceau, positionnées en étant régulièrement réparties à la périphérie d'une buse annulaire de protection classique distribuant le gaz lent . Il est à noter qu'on utilise préférentiellement des gaz identiques en tant que premier et deuxième flux de gaz. Toutefois, ces gaz peuvent aussi être différents. Ainsi, en soudage laser de type Nd:YAG, on utilise en général de l'argon comme gaz de protection du faisceau laser, alors qu'en soudage laser de type 002, l'hélium est nécessaire pour éviter le phénomène de claquage. Toutefois, pour certaines applications, on peut aussi utiliser des mélanges gazeux de type hélium/azote, hélium/argon ou tout autre mélange à base d'hélium pour les faisceaux issus de générateurs lasers de type 002 ainsi que tout gaz neutre pour les faisceaux issus de générateurs lasers de type YAG. De même, on peut utiliser de l'argon, de l'azote, de l'hélium ou des mélanges de ces gaz, additionnés en plus d'un ou plusieurs constituants additionnels en teneur faible (quelques %) tels que l'oxygène, le 002, l'hydrogène . Les Figures 1 à 4 schématisent plusieurs modes de réalisation de buses "coaxiales" selon l'invention. Comme on le voit sur ces Figures 1 à 4, une buse coaxiale est une buse formée d'au moins deux circuits de distribution de gaz concentriques. La figure 1 présente une première version de buse coaxiale. Le jet de gaz rapide est distribué au centre de la buse à travers un orifice 1 de diamètre compris entre 0.2 et 3 mm vers l'ouverture du keyhole. Le gaz de couverture est quant à lui diffusé dans la couronne 2 concentrique à l'ouverture 1. Le profil de la couronne 2 peut être choisi tel qu'un effet de paroi soit obtenu, c'est à dire que la direction d'écoulement du gaz lent suive la courbure de la paroi comme le montre le vecteur 3. La figure 2 présente une version de buse dans laquelle l'effet de paroi est utilisé pour focaliser l'écoulement du gaz rapide le long de l'axe du faisceau laser. Dans ce mode de réalisation, trois circuits de passage du gaz sont prévus : un circuit axial 4 pour une distribution de gaz lente et de faible débit, servant principalement à éviter les remontées de pollutions vers les optiques du laser, un premier circuit 5 périphérique canalisant le gaz rapide vers l'ouverture du keyhole et un deuxième circuit 6 distribuant le gaz lent de couverture. La figure 3 illustre une réalisation dans laquelle la couverture gazeuse du gaz lent est élargie grâce à une distribution en tourbillon , c'est à dire avec une composante de rotation qui tend à chasser le gaz horizontalement en sortie de la buse. La figure 4 présente une buse dans laquelle le gaz rapide est accéléré au travers d'une tuyère, c'est à dire d'un orifice convergent-divergent. Un intérêt majeur de l'utilisation d'une buse coaxiale réside dans sa facilité de positionnement et son indépendance par rapport au sens de déplacement de la tête de soudage portant la buse. Ceci implique qu'elle peut, par exemple, se mettre directement au bout du bras d'un robot dans le cas d'un soudage avec laser de type Nd :YAG où le faisceau laser est généré par un générateur de type Nd:YAG avant d'être acheminé via une fibre optique jusqu'à la tête laser portant la buse. Dans tous les cas, en mettant en oeuvre le procédé de l'invention avec une telle buse coaxiale, un premier jet de gaz est accéléré et confiné en direction de l'ouverture du capillaire, ce qui permet de modifier l'écoulement à l'arrière du capillaire. Le capillaire est alors plus ouvert le long de la direction de soudage et l'écoulement du bain liquide est régulier, continu et sans aucune oscillation en surface. Dans le cas d'un soudage avec oscillateur laser de type Nd:YAG, le cordon de soudure est très lisse et la "structure en chevron" caractéristique du soudage par laser Nd :YAG, peut être complètement supprimée. Naturellement, le débit du jet de gaz doit être plus élevé qu'un écoulement classique mais pas trop important non plus afin d'éviter l'éjection de métal fondu. Une mise en oeuvre de l'invention présente aussi l'avantage de conduire aussi à une augmentation notable la profondeur de pénétration de soudage. Ainsi, des essais réalisés avec un jet de gaz dirigé et confiné sur l'ouverture du capillaire ont montré un gain en pénétration de 25%. Ceci peut s'expliquer par le fait que, si on considère que le capillaire est allongé par le jet de gaz selon l'invention, le faisceau laser est beaucoup moins interrompu par les fluctuations du front arrière du capillaire. De plus, du fait de l'ouverture plus importante du capillaire du fait du jet de gaz, on obtient un plasma moins dense et par conséquent absorbant moins le faisceau laser lors d'un soudage avec oscillateur laser de type CO2 par exemple. L'allongement du capillaire permet également de fortement diminuer les porosités générées dans le cordon de soudure, pendant le soudage laser. Lorsque l'écoulement du bain liquide est stabilisé via le jet de gaz convergent de l'invention, on atténue les éclaboussements de métal en fusion et le phénomène d'éjection de gouttelettes métalliques peut être complètement éliminé. L'utilisation d'une buse coaxiale qui confine le jet de gaz rapide sur l'ouverture du capillaire peut efficacement contrôler l'hydrodynamique du bain liquide. L'écoulement de ce dernier peut être alors très bien stabilisé et les projections de gouttelettes métalliques complètement supprimées, ce qui permet d'arriver à une très bonne qualité de cordon de soudure avec une profondeur de pénétration améliorées, à basse vitesse de soudage, c'est à dire à moins de 3 m/min Cette méthode de soudage avec jet rapide est donc adaptée aux applications de soudage laser des moyennes épaisseurs, c'est-à-dire de 1 à 5 mm environ. Elle est aussi adaptée aux cas de soudage de tôles minces empilées, notamment lorsque deux ou trois tôles, revêtues d'une couche contenant du zinc, comme par exemple pour les applications automobile, sont superposées pour être soudées par transparence.25 Revendications 1. Procédé de soudage par faisceau laser d'au moins une pièce métallique, de préférence de deux pièces métalliques l'une avec l'autre, dans lequel : a) on met en oeuvre un faisceau laser, un premier flux de gaz et une buse de soudage munie d'un orifice de sortie, ledit orifice étant traversé par le faisceau laser et par le premier flux de gaz, et b) on réalise un soudage de la ou des pièces par fusion du métal de la ou des pièces à souder, au point d'impact du faisceau laser avec la ou les pièces à souder, avec formation d'un capillaire ou keyhole rempli de vapeurs métalliques, caractérisé en ce que, durant le soudage, on dirige le premier flux de gaz uniquement vers l'ouverture du capillaire de vapeurs métalliques et selon une direction perpendiculaire à la ou aux pièces à souder de manière à y exercer une pression dynamique gazeuse. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise le premier flux de gaz pour exercer une pression dynamique gazeuse continue et constante sur l'ouverture du capillaire de vapeurs. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise le premier flux de gaz pour opérer une stabilisation de l'écoulement du bain liquide de métal en fusion. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre, en outre, un deuxième flux de gaz de protection distribué périphériquement au premier flux de gaz. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre un deuxième flux de gaz de protection distribué coaxialement au premier flux de gaz par rapport à l'axe du faisceau laser. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le débit du premier gaz est de l'ordre de 10 à 20 I/min et le débit du deuxième gaz est de l'ordre de 20 à 30 I/min. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la buse est une buse coaxiale. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le premier et le deuxième gaz sont choisis parmi l'argon, l'hélium, l'azote et leurs mélanges, et éventuellement en plus faible proportion du CO2, de l'oxygène ou de l'hydrogène . 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le faisceau laser est généré par un générateur laser de type Nd:YAG, fibre d'Ytterbium 15 ou CO2. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la buse de soudage est portée par un bras robotisé. 20 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la ou les pièces métalliques à souder sont en acier au carbone, revêtu ou non, en aluminium ou en acier inoxydable. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que 25 les pièces à souder sont empilées et soudées par transparence. 13. Procédé selon les revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le flux du premier gaza une section comprise entre 0,1 et 10 mm2. 30 14. Procédé selon les revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le flux du premier gaz a un diamètre compris entre 0,5 mm et 3 mm.