Brevet FR2934187A1 — publié le 20100129

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif mettant en œuvre une opération de soudage laser. L'invention concerne également un tel dispositif et un élément d'un tel dispositif. Un tel élé- ment est par exemple un raccord utilisable pour la réalisation d'un organe d'un circuit de transport de fluide, comme un organe émetteur ou récepteur de fluide. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Le soudage laser est un procédé de fixation qui est maintenant largement utilisé pour fixer l'un à l'autre un élément en matériau opaque à un rayonnement laser et un élément en matériau transparent au rayonne-ment laser. Lorsque ces éléments sont soumis à un tel rayonnement focalisé dans une zone de contact mutuel des éléments, le matériau opaque va s'échauffer sous l'effet du rayonnement laser et provoquer par conduction un échauffement du matériau transparent. Si la puissance du rayonnement est suffisante, l'échauffement engendrera une fusion locale des matériaux au voisinage du point de fo- calisation du rayonnement. La formation d'un cordon de soudure est obtenue par le déplacement relatif du point de focalisation du rayonnement et des éléments. Le rayonnement laser est issu d'un ensemble optique comportant une source de rayonnement et une ou plu- sieurs lentilles de focalisation du rayonnement laser. La source de rayonnement est par exemple constituée de diodes laser. La lentille de focalisation assure la focalisation du rayonnement dans la zone de soudage souhaitée et est éventuellement mobile pour créer un cordon de sou- dure. La lentille de focalisation est particulièrement utile dans le cas d'utilisation de diodes laser comme source de rayonnement car les diodes laser produisent un faisceau plus divergent que les lasers classique de type YAG ou CO2. La lentille de focalisation est normalement en un matériau transparent au rayonnement mais comporte L 2 toujours des impuretés qui vont réagir avec le rayonne-ment laser, entraînant à terme une altération des propriétés optiques de la lentille obligeant au remplacement de celle-ci. Il est généralement prévu des dispositifs de refroidissement des lentilles pour prévenir un échauffe-ment sous l'effet du rayonnement laser qui risquerait de détériorer la lentille. La lentille doit normalement être le plus près possible de la zone de soudage mais ceci favorise son encrassement et rend difficile les déplace- ments des éléments à souder et les interventions de maintenance. La réalisation de déplacements de la lentille est complexe et nécessite de recourir à des éléments op-tiques mobiles, comme des miroirs et des prismes, permet-tant de conduire le rayonnement de la source de rayonne- ment jusqu'à la lentille. Pour obvier à cette dernière difficulté, il est connu de déplacer les éléments à souder par rapport à la lentille. Toutefois, un tel déplacement est parfois impossible, notamment lorsque l'un des éléments à assembler présente une grande dimension dans une direction. Tel est le cas par exemple lors du soudage d'un raccord à une extrémité d'une conduite de plusieurs mètres. Par ailleurs, le changement des dimensions des éléments d'une série d'éléments à une autre oblige à ré- gler la focalisation pour s'adapter aux dimensions de la nouvelle série. OBJET DE L'INVENTION Un but de l'invention est de proposer un moyen permettant de s'affranchir de tout ou partie de ces in- convénients. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un premier et d'un deuxième éléments assemblés par soudage laser, le premier élément étant en maté- riau au moins partiellement opaque à un rayonnement laser 3 et le deuxième élément étant en un matériau transparent au rayonnement laser et comportant une lentille de ré-fraction du rayonnement vers le premier élément pour sou-der le premier élément sur le deuxième élément lorsque le premier élément et le deuxième éléments sont appliqués l'un contre l'autre et que le rayonnement laser est dirigé vers la lentille. On prévoit, dans le mode de mise en oeuvre préféré du procédé de l'invention, le dispositif comportant le premier élément et le deuxième élément en contact l'un avec l'autre chacun par une surface de contact, les étapes de : - réaliser un corps du premier élément en un matériau tel que le corps soit au moins partiellement opa- que à un rayonnement laser au moins au niveau de la sur-face de contact, - réaliser un corps du deuxième élément en un matériau tel que le corps soit transparent au rayonnement laser au moins entre la surface de contact et une surface d'entrée du rayonnement laser dans le corps, en ménageant une portion du corps pour former au moins une lentille de réfraction dudit rayonnement laser, - appliquer la surface de contact du deuxième élément sur la surface de contact du premier élément et diriger au moins une source de rayonnement laser vers la surface d'entrée du deuxième élément de manière à fondre la surface de contact du premier élément et souder le deuxième élément sur le premier élément, la portion formant lentille étant agencée pour mettre en forme le rayonnement laser dans au moins une zone d'impact du rayonnement laser sur ladite surface de contact. L'échauffement et la fusion de la surface de contact du premier élément vont provoquer par conduction l'échauffement et la fusion de la surface de contact du deuxième élément. Par "mettre en forme", on entend tout 4 traitement optique apte à modifier la forme, la densité ou la répartition d'énergie du rayonnement laser dans la zone d'impact du rayonnement laser sur la surface de contact. Pour le procédé de l'invention, la lentille est directement intégrée à l'un des éléments à souder. La lentille est ainsi disposée au plus près de la zone de soudage sans pour autant gêner les déplacements des éléments à souder ou les interventions de maintenance. La lentille n'est en outre utilisée qu'une seule fois de sorte qu'elle n'est pas soumise à une usure importante. Les propriétés optiques de la lentille peuvent être moins bonnes que celles d'une lentille externe classique. L'intégration de la lentille dans le deuxième élément permet de corriger au moins en partie les erreurs de positionne- ment relatif, dans les six degrés de liberté, des éléments par rapport à la source de rayonnement, augmentant la tolérance du procédé à ces erreurs de positionnement mais également aux variations dimensionnelles des éléments. Le rayonnement qui ne passe pas par la lentille augmente en outre la température du premier élément et diminue le gradient de température sur la surface de contact de celui-ci entre les zones soudées et les zones non soudées. Avantageusement, la portion formant lentille est agencée pour concentrer le rayonnement laser dans la zone d'impact. La lentille permet alors la réalisation d'une soudure ponctuelle. Selon un mode particulier de mise en ouvre, la portion formant lentille est agencée pour produire une pluralité de points de soudure. La lentille permet ainsi la réalisation simultanée de plusieurs points de soudure à partir d'un rayonne-ment unique. Avantageusement alors, la portion formant len- tille est agencée de telle manière que les points de sou-dure se chevauchent et, de préférence, chaque point de soudure a une forme allongée. La lentille ainsi agencée permet la réalisation 5 d'une soudure continue. De préférence le rayonnement laser présente une dimension transversale supérieure à une dimension transversale maximale de la portion formant lentille. Ainsi, il suffit de faire défiler sous le rayon- nement laser les éléments appliqués l'un contre l'autre (le deuxième élément étant orienté vers le rayonnement laser) quelle que soit l'orientation angulaire des éléments par rapport au rayonnement laser. Il est ainsi possible de réaliser d'un soudage en série en limitant au maximum les contraintes de positionnement des éléments par rapport au rayonnement laser. L'invention a également pour objet un dispositif obtenu par le procédé de l'invention, ce dispositif comporte au moins un premier élément et un deuxième élément en contact l'un avec l'autre chacun par une surface de contact et soudés l'un à l'autre au niveau de la surface de contact, caractérisé en ce que : - le premier élément a un corps en un matériau au moins partiellement opaque à un rayonnement laser au moins au niveau de la surface de contact, - le deuxième élément a un corps en un matériau transparent au rayonnement laser au moins entre la sur-face de contact et une surface d'entrée du rayonnement laser dans le corps, le corps comportant une portion for- mant au moins une lentille de réfraction dudit rayonne-ment laser vers la surface de contact du premier élément. L'invention a en outre pour objet, un élément entrant dans la fabrication d'un tel dispositif, cet élément a un corps en un matériau transparent à un rayonne- ment laser auquel serait soumis le corps, le matériau 6 étant transparent au rayonnement laser au moins entre une surface d'entrée du rayonnement laser dans le corps et une surface de sortie du rayonnement laser, le corps comportant une portion formant au moins une lentille de ré- fraction dudit rayonnement laser pour mettre en forme une zone d'impact du rayonnement laser sur une surface de contact d'un autre élément qui serait appliquée contre la surface de sortie du rayonnement laser. L'invention concerne aussi un raccord comportant un corps délimitant un chambrage de réception d'une extrémité de conduite, le corps étant en un matériau transparent à un rayonnement laser auquel serait soumis le corps, le matériau étant transparent au rayonnement laser au moins entre une surface externe du corps et une paroi du chambrage, le corps comportant une portion formant au moins une lentille de réfraction dudit rayonnement laser pour mettre en forme une zone d'impact du rayonnement laser avec une surface externe d'une extrémité de conduite qui serait reçue dans le chambrage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limita-tifs de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels . - la figure 1 est une vue schématique en perspective illustrant le principe d'une opération de soudage selon un premier mode de mise en œuvre du procédé de l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en coupe selon le plan II de la figure 1, - la figure 3 est une vue analogue à la figure 1 d'une première variante de mise en œuvre, - la figure 4 est une vue analogue à la figure 1 5 10 15 20 25 30 35 7 d'une deuxième variante de mise en œuvre, - la figure 5 est une vue analogue à la figure 1 illustrant le principe d'une opération de soudage selon un deuxième mode de mise en œuvre de ce procédé, - la figure 6 est une vue schématique en coupe selon le plan VI de la figure 5, - la figure 7 est une vue schématique en perspective montrant une opération de soudage selon un troisième mode de mise en oeuvre, - la figure 8 est une vue en perspective illustrant l'application du premier mode de mise en œuvre au soudage d'un raccord sur une extrémité de conduite, la première variante est représentée sur la partie gauche du raccord et la deuxième variante sur la partie droite, - la figure 9 est vue partielle en coupe selon le plan IX de la figure 8. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence aux figures 1 et 2, le procédé conforme à l'invention est destiné à la fabrication d'un dispositif comportant au moins un premier élément 1 et un deuxième élément 2, ici des plaques, en contact l'un avec l'autre chacun par une surface de contact 3, 4. Le procédé comporte une étape de fabrication des éléments 1, 2 et une étape de soudage des éléments 1, 2 l'un à l'autre au moyen d'un rayonnement laser. Le procédé de l'invention débute par la réalisation des éléments 1 et 2. Le premier élément 1 est ici réalisé selon un procédé classique d'injection d'un matériau thermoplastique dans un moule non représenté pour former le corps du premier élément 1. Le matériau utilisé est un matériau opaque au rayonnement laser. Le deuxième élément 2 (représenté pour plus de 8 clarté en transparence sur la figure 1 et d'une manière générale sur les vues en perspectives) est ici réalisé selon un procédé classique d'injection d'un matériau thermoplastique dans un moule non représenté pour former le corps du deuxième élément 2. Le matériau utilisé est un matériau transparent au rayonnement laser. Le moule a une empreinte agencée pour former sur une portion 5 du corps du deuxième élément 2 des lentilles 6 de focalisation dudit rayonnement laser. La lentille 6 débouche sur une surface 7 du corps opposée et ici parallèle à la sur- face de contact 4. Les matériaux thermoplastiques utilisés sont bien évidemment soudables l'un sur l'autre. En l'espèce, le même matériau est utilisé pour les deux éléments. Ce ma- tériau, transparent à la base au rayonnement laser a été rendu opaque pour le premier élément en y ajoutant une charge telle que du noir de carbone. Une fois les éléments 1, 2 fabriqués, la surface de contact 4 du deuxième élément 2 est appliquée sur la surface de contact 3 du premier élément 1. Une source 8 de rayonnement laser, ici une barrette de diodes laser, est dirigée vers la surface 7. Le rayonnement laser est du type infrarouge et comporte plusieurs faisceaux parallèles dirigés chacun vers une des lentilles 6. Chaque lentille 6 focalise le rayonnement laser sur la surface de contact 3 du premier élément 1 de manière à fondre la surface de contact 3 du premier élément 1. La chaleur ainsi produite est transférée par conduction à la surface de contact 4 du deuxième élément 2 provoquant la fusion de ladite surface de contact 4 et la soudure du deuxième élément 2 sur le premier élément 1. L'effort d'application exercé sur les éléments permet de contrôler l'interpénétration des matériaux et l'enchevêtrement de leurs chaînes macromoléculaires. On notera que la surface 7 forme une surface 9 d'entrée du rayonnement laser dans le deuxième élément 2 et la surface de contact 4 forme une surface de sortie du rayonnement laser hors du deuxième élément. Chaque lentille 6 est ici de forme convexe pour concentrer le rayonnement laser en une zone réduite de la surface de contact 3 de manière à avoir une fusion rapide avec une puissance relativement faible. Plus précisément, chaque lentille 6 a un profil en ellipse et est plus large que haute pour modifier la répartition d'énergie du rayonnement laser dans la zone d'impact du rayonnement laser sur la surface de contact 3 en concentrant l'énergie au centre de la zone d'impact. Les lentilles 6 produisent ainsi une pluralité de points de fusion espacés les uns des autres. La lentille 6 peut avoir une forme allongée parallèlement à la surface 7 et un déplacement relatif des éléments et du rayonnement laser est alors réalisé pour soumettre la totalité de la lentille 6 au rayonnement laser. Le déplacement relatif est obtenu en déplaçant la sortie de la source de rayonnement laser le long de la lentille 6 ou en déplaçant les éléments par rapport à la sortie de la source de rayonnement laser. Il est ainsi obtenu une soudure continue. En variante, comme représenté sur la figure 3, le rayonnement laser est produit sous la forme d'un faisceau unique de section rectangulaire couvrant plusieurs lentilles 6. Selon une autre variante représentée à la figure 4, le rayonnement laser est émis sur les lentilles 6 se- lon une direction inclinée par rapport à la surface de contact 3, 4. Les éléments identiques ou analogues à ceux précédemment décrits porteront des références numériques identiques à ces derniers dans la description qui suit des deuxième et troisième modes de mise en œuvre. 10 Dans le deuxième mode de mise en oeuvre représenté aux figures 5 et 6, les lentilles 6 sont de forme concave pour élargir le faisceau laser qu'elles transmettent de manière à produire des points de soudure se chevauchant partiellement pour former une soudure continue. Dans le troisième mode de réalisation représenté à la figure 7, la lentille 6 a une forme allongée et s'étend selon une ligne fermée. La lentille 6 a ainsi la forme du cordon de soudure à réaliser. La source de rayonnement laser est agencée pour former un rayonnement laser sous forme d'une nappe de section ici rectangulaire telle que le rayonnement laser présente une dimension transversale A (la longueur de la section rectangulaire) supérieure à une dimension transversale maximale B de la portion 5 formant la lentille 6. Ceci permet de réaliser le cordon de soudure par défilement, en regard du rayonnement laser, des éléments 1, 2 superposés sans tenir compte de leur orientation. La dimension A est ici égale à la plus grande di- mension du dispositif. Les éléments 1, 2 appliqués l'un sur l'autre sont disposés sur un tapis roulant 30 qui dé-file sous la source de rayonnement. Le tapis 30 a ici des bords 31 écartés d'une distance égale à la dimension A. On comprend que les dispositifs formés par les éléments 1, 2 avec l'élément 2 dirigé vers la source de rayonnement laser peuvent être disposés sur le tapis avec une orientation quelconque. L'application à un raccord du procédé selon le premier mode de mise en oeuvre de l'invention va mainte- nant être décrite. Le raccord 20 comporte un corps 21 délimitant à chacune de ses extrémités un chambrage 22.1, 22.2 de réception d'une extrémité de conduite 23.1, 23.2. Le corps 21 est en un matériau transparent à un rayonnement laser auquel serait soumis le corps lors du 11 procédé de fabrication. Le matériau étant transparent au rayonnement laser au moins entre une surface externe 24 du corps et une paroi 25.1, 25.2 du chambrage 22.1, 22.2. Le corps 21 comportant une portion formant au moins une lentille 26 de focalisation dudit rayonnement laser dans le chambrage 22.1, 22.2 à proximité de la paroi 25.1, 25.2. Les lentilles 26 sont ici au nombre de deux par extrémité du corps 1 et ont chacune la forme d'un bourre- let annulaire convexe assurant une focalisation du rayonnement laser et un élargissement de celui-ci selon une direction circonférentielle de la paroi 25.1, 25.2. Les extrémités de conduite 23.1, 23.2 sont emmanchées à force dans les chambrages 22.1, 22.2 de sorte que la surface externe de chaque extrémité de conduite 23.1, 23.2 est appliquée avec un effort de pression contre la paroi 25.1, 25.2 des chambrages 22.1, 22.2. Des rayonnements laser comprenant un faisceau pour chaque lentille 26 (chambrage 22.1) ou un faisceau pour deux lentilles 26 (chambrage 22.2) sont ensuite émis selon une direction radiale du raccord 20 sur les lentilles 26. Le point de focalisation se trouve sur la surface externe de chaque extrémité de conduite 23.1, 23.2. Une mise en rotation du raccord ou un déplacement circulaire de la source de rayonnement autour du raccord 20 est ensuite réalisé pour obtenir une soudure continue de chaque extrémité de conduite 23.1, 23.2 à la paroi 25.1, 25.2 des chambrages 22.1, 22.2. Comme les points de focalisation des faisceaux ont une forme allongée selon une direction circonférentielle des chambrages 22.1, 22.2, la rotation ou le déplacement circulaire sont limités. Il serait également possible de disposer plusieurs sources de rayonnement réparties autour du raccord 20. A titre d'exemple, on peut utiliser six sources disposées à 60° les unes des autres. 12 On notera qu'en multipliant les lentilles et en prévoyant une pluralité de sources de rayonnement laser, il est possible de réaliser des soudures en plusieurs en-droits des éléments sans déplacement ni des sources ni des éléments. On notera également que la surface 24 forme une surface d'entrée du rayonnement laser dans le raccord et la paroi 25.1, 25.2 forme une surface de sortie du rayonnement laser hors du raccord. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en œuvre décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. Le corps du premier élément peut être partielle- ment opaque au moins au niveau de la surface de contact et le corps du deuxième élément peut être partiellement transparent mais au moins entre la surface de contact et une surface d'entrée du rayonnement laser dans le corps. La portion formant lentille peut comprendre une ou plusieurs lentilles. La portion formant lentille 6 est agencée pour produire un point de soudure ou une pluralité de points de soudure se chevauchant ou non. Chaque zone d'impact formant les points de soudure peut avoir une forme circulaire ou allongée ou autre. La lentille peut également avoir un profil en portion de cercle ou de parabole. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un dispositif comportant au moins un premier élément (1) et un deuxième élé- ment (2) en contact l'un avec l'autre chacun par une sur-face de contact (3, 4), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : - réaliser un corps du premier élément en un matériau tel que le corps soit au moins partiellement opa- que à un rayonnement laser au moins au niveau de la sur-face de contact, - réaliser un corps du deuxième élément en un matériau tel que le corps soit transparent au rayonnement laser au moins entre la surface de contact et une surface d'entrée (7) du rayonnement laser dans le corps, en ménageant une portion du corps pour former au moins une lentille (6) de réfraction dudit rayonnement laser, - appliquer la surface de contact du deuxième élément sur la surface de contact du premier élément et diriger au moins une source de rayonnement laser vers la surface d'entrée du deuxième élément de manière à fondre la surface de contact du premier élément et souder le deuxième élément sur le premier élément, la portion formant lentille étant agencée pour mettre en forme le rayonnement laser dans au moins une zone d'impact du rayonnement laser sur ladite surface de contact. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la portion formant lentille (6) est agencée pour concentrer le rayonnement laser dans la zone d'impact. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la portion formant lentille (6) est agencée pour produire une pluralité de points de soudure. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la portion formant lentille (6) est agencée de telle ma- nière que les points de soudure se chevauchent. 14 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel chaque point de soudure a une forme allongée. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la portion formant lentille (6) a une forme allongée et un déplacement relatif des éléments et du rayonnement laser est réalisé pour soumettre la totalité de la portion formant lentille au rayonnement laser. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le déplacement relatif est obtenu en déplaçant la sortie de la source de rayonnement laser le long de la portion formant lentille (6). 8. Procédé selon la revendication 6 dans lequel le déplacement relatif est obtenu en déplaçant les élé- ments par rapport à la sortie de la source de rayonnement laser. 9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le rayonnement laser présente une dimension transversale supérieure à une dimension transversale maximale de la portion formant lentille (6). 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la portion formant lentille s'étend selon une ligne fermée. 11. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le rayonnement laser est émis selon une direction incliné par rapport aux surfaces de contact (3, 4). 12. Dispositif obtenu conformément à l'une quel-conque des revendications précédentes, comportant au moins un premier élément (1) et un deuxième élément (2) en contact l'un avec l'autre chacun par une surface de contact (3, 4) et soudés l'un à l'autre au niveau de la surface de contact, caractérisé en ce que : - le premier élément a un corps en un matériau au moins partiellement opaque à un rayonnement laser au moins au niveau de la surface de contact, 15 - le deuxième élément a un corps en un matériau transparent au rayonnement laser au moins entre la sur-face de contact et une surface d'entrée (7) du rayonne-ment laser dans le corps, le corps comportant une portion formant au moins une lentille (6) de réfraction dudit rayonnement laser au voisinage de la surface de contact du premier élément. 13. Elément (2) d'un dispositif conforme à la revendication 12, ayant un corps en un matériau transparent à un rayonnement laser auquel serait soumis le corps, le matériau étant transparent au rayonnement laser au moins entre une surface d'entrée (7) du rayonnement laser dans le corps et une surface de sortie (4) du rayonnement laser, le corps comportant une portion formant au moins une lentille (6) de réfraction dudit rayonnement laser pour mettre en forme une zone d'impact du rayonnement laser avec une surface de contact d'un autre élément qui serait appliquée contre la surface de sortie du rayonnement laser au-delà et à proximité de la surface de sortie. 14. Elément (2) d'un dispositif conforme à la revendication 13, dans lequel la lentille a un profil elliptique. 15. Raccord comportant un corps délimitant un chambrage de réception d'une extrémité de conduite, le corps étant en un matériau transparent à un rayonnement laser auquel serait soumis le corps, le matériau étant transparent au rayonnement laser au moins entre une sur-face externe du corps et une paroi du chambrage, le corps comportant une portion formant au moins une lentille de focalisation dudit rayonnement laser pour mettre en forme une zone d'impact du rayonnement laser avec une surface externe d'une extrémité de conduite qui serait reçue dans le chambrage.