Brevet FR2905884A1 — publié le 20080321

L'invention porte sur un procédé de soudage laser "à distance", dans lequel on met en oeuvre une protection gazeuse améliorée de la zone de soudage. Du fait de l'évolution technique de la qualité des faisceaux des lasers CO2, c'est-à-dire les lasers à diffusion, et des lasers solides, tels les lasers io Nd-YAG à barreau ou à disque avec fibres de 200 pm, il est possible d'utiliser des optiques de soudage à grandes distances focales, par exemple 1 à 1,6 m. De telles optiques permettent de souder en dirigeant le faisceau d'une façon quasi instantanée entre les cordons, avec une accessibilité sur des volumes de travail importants. 15 Le soudage "à distance" ou remote welding en anglais, peut être utilisé pour souder différents matériaux, tels que acier carbone, acier inoxydable, aluminium,... . Le soudage à distance se différencie du soudage classique en ce que le déplacement du faisceau laser ne se fait pas via un chemin optique 20 conventionnel mais par le biais d'un ou plusieurs miroirs oscillants situés directement en sortie de l'optique de focalisation. Les assemblages réalisés ainsi peuvent être en bord à bord, par transparence, à clin et sur des longueurs variables. L'avantage est de pouvoir réaliser des cordons de formes variables, par exemple circulaires, 25 rectangulaires, ou autres, à des vitesses de soudage de l'ordre de 10 à 20 m/min et des vitesses entre cordons de l'ordre de 1200 m/min. Les exemples d'applications sont le soudage de tubes d'échangeurs, la réalisation d'échangeurs à plaques par transparence ou le soudage de portes 30 de véhicules automobiles à clin. 2905884 2 Comme dans tous les procédés de soudage, il est nécessaire de protéger le métal fondu contre l'oxydation de l'air ambiant et/ou l'introduction d'azote formant des porosités. Du fait du soudage à distance, l'apport de gaz traditionnel avec une 5 buse latérale ou coaxiale au faisceau est impossible étant donné les vitesses importantes de translation entre les cordons et de la possibilité de souder dans des zones avec peu d'accessibilité. Pour des cordons simples, il existe des systèmes de protection avec des buses plates (argon ou hélium) spécifiques à la forme du cordon. io Toutefois, du fait des conditions de distribution industrielles du gaz (variation de pression, de débits, ...) et des instabilités du procédé, les écoulements gaz deviennent instables, ce qui induit une expulsion du métal liquide du capillaire qui vient colmater l'apport de gaz. De plus, la forme géométrique des apports de gaz nécessite une 15 consommation de gaz importante. Le problème à résoudre est donc d'améliorer les procédés connus de soudage à distance de manière à obtenir une protection gazeuse efficace de la zone de soudage, c'est-à-dire stable et ne conduisant pas à des projections de métal aussi importantes qu'avec les procédés connus, et permettant, en outre, 20 de réduire les consommations de gaz. Une solution de l'invention est un procédé de soudage par faisceau laser d'au moins une pièce métallique dans lequel on met en oeuvre une protection gazeuse de la zone de soudage, caractérisé en ce que ladite protection gazeuse est obtenue par distribution d'un gaz neutre refroidi à une 25 température inférieure à 273 K. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques additionnelles suivantes : - le gaz neutre est à une température proche de sa température de condensation à l'état liquide ou à une température inférieure ou égale à ladite 30 température de condensation dudit gaz neutre. 2905884 3 - la protection gazeuse est obtenue par distribution d'un gaz neutre refroidi à une température entre 273 K et environ 85 K mesurée dans ladite zone de soudage, de préférence inférieure à 220 K. - l'argon est à l'état gazeux ou liquide. 5 - l'argon est distribué en un flux laminaire ou sous forme de gouttelettes d'argon liquide. - l'argon liquide est distribué sur et/ou autour du cordon de soudure en cours de réalisation. io - l'argon liquide est distribué par une buse plate. - l'argon est distribué sous forme de gouttelettes d'argon liquide sur une portion du trajet du faisceau laser. - préalablement à la distribution de l'argon liquide, on opère une étape de balayage de la zone de soudage avec de l'argon à température plus élevée, en 15 particulier de l'argon à une température comprise entre 5 C et 40 C de manière à chasser au moins une partie de l'air et de l'humidité ambiante au-dessus de la zone de soudage. - on soude plusieurs pièces métalliques et/ou au moins une partie des pièces est en acier carbone, en acier inoxydable, en aluminium ou en un de 20 leurs alliages. La solution de l'invention implique donc de réaliser une amenée de gaz spécifique, avec par exemple une buse plate autour du cordon, et surtout avec un flux d'argon refroidi pour le rendre plus dense et visqueux de façon à ce qu'il s'étale mieux. On peut refroidir l'argon à un point proche de sa 25 condensation où sa densité sera d'environ 4 fois plus dense que l'air. Le procédé de l'invention peut alors consister à souffler d'abord un flux d'argon chaud, c'est-à-dire approximativement à la température de la pièce soudée ou présentant une différence de température peu importante avec celle-ci, par exemple à la température ambiante, rasant au-dessus de la pièce 30 pour chasser l'air et éviter la condensation de l'eau dans l'étape suivante, puis à souffler de l'argon froid, c'est-à-dire à une température suffisamment basse pour que la densité de l'argon gazeux proche des cordons de soudure soit au 2905884 4 moins le double de celle d'air à température ambiante. Typiquement les températures de l'argon froid sont en dessous de 0 C et peuvent descendre selon les cas jusqu'à la température de l'argon gazeux en équilibre avec la phase gazeuses à la pression atmosphérique (87,29 K). L'argon est soufflé en 5 mode laminaire rasant près des cordons de soudure au moyen de buses plates pouvant avoir une dimension et une forme spécifiques au type de cordon. La température de l'argon en contact avec le cordon de soudure et la pièce est contrôlée de façon à ne pas descendre en-dessous des limites imposées par le maintien des propriétés mécaniques des matériaux. io En outre, l'argon chaud et l'argon froid peuvent provenir d'une même source d'argon ou de sources différentes. Une autre possibilité est d'amener un filet de gouttelettes d'argon liquide sur le chemin du faisceau au moyen d'une buse cryogénique. L'évaporation de l'argon et la mobilité des gouttes, créent alors une protection totale. 15 Ceci ne peut, bien entendu, s'appliquer qu'aux métaux résistants à des températures cryogéniques. En effet, en procédant ainsi, lorsqu'il existe une différence de température de 10 C et plus entre une surface plane et un liquide cryogénique, et il se forme alors une couche de caléfaction stable entre la surface et le 20 liquide cryogénique. La couche de caléfaction est une couche gazeuse s'intercalant entre la surface et le liquide cryogénique qui reste supportée par la couche gazeuse. Une autre possibilité, selon la forme de la pièce, est d'entourer la pièce par un manchon serré, en acier inoxydable, par exemple, maintenant une 25 bonne étanchéité autour de la pièce et de verser doucement l'argon liquide sur la pièce jusqu'à obtenir une caléfaction stable. Encore une autre possibilité consiste à mettre les pièces à souder dans une boîte sans couvercle dont la hauteur de dépassement des bords par rapport à la surface à souder est à choisir au cas par cas de manière à obtenir 30 un soufflage laminaire rasant d'argon à la température ambiante qui puisse chasser suffisamment l'air du fait de la différence de densité entre ces gaz et ensuite obtenir une protection gazeuse suffisante. 2905884 5 De façon générale, deux cas peuvent se présenter : - la durée du soudage est très courte et la différence de température restera toujours supérieure à 10 C, alors dans ce cas aucun moyen de réchauffage n'est nécessaire, s si la durée du soudage fait que la température de peau de la pièce descende proche de la température de l'argon liquide, il faudra prévoir un moyen de chauffage pour maintenir une variation de température d'au maximum 10 C. io Exemple de réalisation On a réalisé un soudage de pièces en acier inoxydable de nuance 304 L, avec une source à Nd-YAG à disque de 4 kw équipée d'une fibre optique de 200 pm dans les conditions suivantes d'utilisation : soudure par 15 transparence de tôles d'épaisseur 0,9 mm, à une puissance laser de 3 kW et une vitesse de soudage de 2,9 m/min. Conformément à l'invention, un flux d'argon liquide est soufflé en mode laminaire avec une buse plate de section rectangulaire 2,5 mm x 20 mm à la surface de la tôle. 20 Les résultats obtenus sont totalement satisfaisants puisque sans protection gazeuse le cordon est oxydé en surface, avec un aspect irrégulier, avec l'argon froid utilisé le cordon est moins oxydé avec un aspect plus régulier. 25 25 REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage par faisceau laser d'au moins une pièce métallique dans lequel on met en oeuvre une protection gazeuse de la zone de soudage, caractérisé en ce que ladite protection gazeuse est obtenue par distribution d'un gaz neutre refroidi à une température inférieure à 273 K. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz neutre io est à une température proche de sa température de condensation à l'état liquide ou à une température inférieure ou égale à ladite température de condensation dudit gaz neutre. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la 15 protection gazeuse est obtenue par distribution d'un gaz neutre refroidi à une température entre 273 K et environ 85 K mesurée dans ladite zone de soudage, de préférence inférieure à 220 K. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que 20 l'argon est à l'état gazeux ou liquide. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'argon est distribué en un flux laminaire ou sous forme de gouttelettes d'argon liquide. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'argon liquide est distribué sur et/ou autour du cordon de soudure en cours de réalisation. 30 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'argon liquide est distribué par une buse plate. 2905884 7 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que 5 l'argon est distribué sous forme de gouttelettes d'argon liquide sur une portion du trajet du faisceau laser. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, préalablement à la distribution de l'argon liquide, on opère une étape de io balayage de la zone de soudage avec de l'argon à température plus élevée, en particulier de l'argon à une température comprise entre 5 C et 40 C de manière à chasser au moins une partie de l'air et de l'humidité ambiante au-dessus de la zone de soudage. 15 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'on soude plusieurs pièces métalliques et/ou au moins une partie des pièces est en acier carbone, en acier inoxydable, en aluminium ou en un de leurs alliages.