Brevet FR2923405A1 — publié le 20090515

L'invention concerne le domaine du soudage par faisceau laser de pièces revêtues de zinc notamment utilisables pour la fabrication de véhicules automobiles. Le soudage par faisceau laser des tôles revêtues de zinc, utilisées largement pour la construction de véhicules automobiles, est difficile à mettre en oeuvre du fait de la présence de la couche de zinc sur les pièces à souder. En effet, la plupart des assemblages réalisés se font par transparence, c'est-à-dire que les tôles revêtues sont d'abord placées l'une au-dessus de l'autre et l'on vient ensuite focaliser le laser perpendiculairement à l'interface des deux tôles. Dans ce cas, le zinc présent à l'interface se vaporise violemment et peut induire des explosions de bain de soudure, ainsi que des porosités importantes dans le cordon de soudure. Les solutions utilisées aujourd'hui pour pallier ces problèmes ne donnent pas entière satisfaction. En effet, une première possibilité est de créer un jeu constant à l'interface des pièces qui va permettre au zinc vaporisé par le faisceau, de s'échapper pendant l'opération de soudage. Cependant, il est très difficile en pratique de maintenir ce jeu constant et, le plus souvent, on a en fait un jeu variable, donc parfois nul ou à l'inverse, important. Or, quand ce jeu est nul, le soudage se passe mal pour les raisons évoquées précédemment, alors que, lorsque ce jeu est trop important, on assiste alors à un effondrement du cordon de soudure car le jeu est trop important pour que le métal fondu puisse venir le combler. La plupart des têtes de focalisation équipées d'un doigt presseur, à savoir une molette 25 qui vient plus ou moins appuyer fortement sur les tôles à souder en avant du laser, ne permettent pas non plus de résoudre ce problème. Par ailleurs, il a déjà été proposé d'utiliser des mélanges gazeux particuliers pour tenter de minimiser ces problèmes. Ainsi, le document EP-A-527229 propose d'utiliser un mélange gazeux à base d'argon 30 et d'oxygène, alors que US-A-5,831,239 propose d'utiliser un mélange formé d'un gaz oxydant, tel qu'un mélange d'oxygène avec de l'azote, de l'hélium ou de l'argon , et d'air sec. L'oxygène présent dans ces mélanges gazeux est supposé aller oxyder et brûler les vapeurs de zinc qui sont produites durant le soudage et éviter ainsi les porosités. Cela dit, ces procédés conduisent aux inconvénients suivants, à savoir, d'une part, ils obligent à utiliser des mélanges gazeux spécifiques et parfois difficiles à mettre en oeuvre, et d'autre part, la vaporisation du zinc est si violente qu'il est en général assez difficile de l'empêcher même avec des mélanges gazeux de ce type. Un problème qui se pose est dès lors de proposer un procédé de soudage laser efficace des pièces revêtues de zinc, en particulier celles en acier revêtu utilisées pour la construction de véhicules automobiles, qui ne présente pas les inconvénients ci-dessus, notamment qui n'oblige pas à aménager un espace ou un jeu entre les pièces à souder, c'est-à- dire que les pièces peuvent être disposées en contact ou en quasi-contact l'une par rapport à l'autre de manière à ce qu'il n'existe aucun, quasiment aucun jeu ou un jeu très faible (i.e. au maximum de 0.15 à 0.20 mm) entre lesdites pièces dans la région où le cordon de soudure doit être réalisé. La solution de l'invention est alors un procédé de soudage par faisceau laser d'au moins une première pièce métallique revêtue de zinc avec au moins une seconde pièce métallique, dans lequel : a) on positionne au moins une première pièce métallique revêtue sur au moins une partie de l'une de ses surfaces d'une couche de zinc par rapport à au moins une seconde pièce métallique de manière à obtenir un assemblage à souder, et b) on opère une fusion d'au moins une partie du métal constitutif desdites pièces, au moyen d'au moins un faisceau laser venant frapper au moins l'une desdites pièces et au moins une partie du revêtement surfacique contenant le zinc, et en déplaçant ledit faisceau laser relativement par rapport audit assemblage selon une trajectoire de soudage désirée de manière à créer un cordon de soudure entre lesdites pièces formant ledit assemblage selon ladite trajectoire de soudage et à provoquer une vaporisation d'au moins une partie du zinc compris dans ledit revêtement surfacique, caractérisé en ce que : - à l'étape a), les pièces sont positionnées en contact ou en quasi-contact l'une par rapport à l'autre de manière à ce qu'il n'existe aucun ou quasiment aucun jeu entre lesdites pièces dans la région où le cordon de soudure doit être réalisé selon la trajectoire de soudage désirée, et - à l'étape b), on réalise le cordon de soudure par fusion du métal avec formation d'un capillaire ou keyhole rempli de vapeurs métalliques immédiatement en aval du point d'impact du faisceau sur la ou les pièces, et on dirige un premier flux de gaz uniquement vers l'ouverture du capillaire de vapeurs métalliques de manière à y exercer une pression dynamique gazeuse suffisante pour maintenir le capillaire suffisamment ouvert pour obtenir une évacuation d'au moins une partie des vapeurs de zinc provenant du revêtement surfacique, pendant tout le temps de déplacement relatif du faisceau laser par rapport aux pièces. En d'autres termes, selon l'invention, la pression dynamique gazeuse suffisante pour maintenir le capillaire ouvert et à évacuer ainsi au moins une partie des vapeurs de zinc provenant du revêtement surfacique, ce qu'il n'est pas possible d'obtenir habituellement en soudage lorsque les pièces sont positionnées en contact ou en quasi-contact l'une par rapport à l'autre de manière à ce qu'il n'existe aucun ou quasiment aucun jeu entre elles. En effet, les inventeurs de la présente invention ont montré que lorsqu'on dirigeait vers l'ouverture du capillaire de soudage laser, un flux de gaz distribué par une buse de soudage ou busette dont le diamètre était de l'ordre de 1 à 2 mm, et dont la vitesse typique du gaz était de l'ordre de 5 à 6 m/sec, on arrivait à ouvrir de manière très importante le capillaire de vapeur sans déstabiliser le bain de soudage, et ainsi permettre au zinc vaporisé de s'échapper librement sans perturber le cordon de soudage. En fait, quand on met en oeuvre le procédé de l'invention, l'ouverture du capillaire est multiplié par un facteur supérieur à 3 et généralement compris entre environ 5 et 10 par rapport à un capillaire obtenu avec un procédé classique. Ainsi, un capillaire obtenu avec un procédé classique est légèrement plus grand que le diamètre de la tâche focale, à savoir de l'ordre de 500 �m, alors que, lorsqu'on met en oeuvre le procédé de l'invention, son diamètre est multiplié par 5 à 10 environ, c'est-à-dire qu'il est de 3 à 5 mm environ. Cela peut être visualisé au moyen d'une caméra rapide. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le cordon de soudure est obtenu par re-solidification du métal fondu à l'étape b). - on utilise le premier flux de gaz pour exercer une pression dynamique gazeuse continue et sensiblement constante sur l'ouverture du capillaire de vapeurs, de préférence selon une direction perpendiculaire à la ou aux pièces à souder ou de manière inclinée par rapport à la surface desdites pièces. - 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 et/ou coaxialement au premier flux de gaz. - le débit du premier gaz est de l'ordre de 10 à 201/min et le débit du deuxième gaz est de l'ordre de 20 à 30 1/min. - la vitesse de distribution du premier gaz est de l'ordre de 2 à 10 m/sec, de préférence de l'ordre de 4 à 7 m/sec, avantageusement de l'ordre de 5 à 6 m/sec. - 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, ou encore avec de l'air, notamment de l'air purifié et débarrassé des impuretés ambiantes qu'il peut contenir et qui sont susceptibles de venir polluer le bain de soudure. - le faisceau laser est généré par un générateur laser de type Nd:YAG, à fibre d'Ytterbium ou CO2. - la ou les pièces métalliques à souder sont en acier au carbone revêtu de zinc. - les pièces sont superposées l'une à l'autre et le soudage est opéré par transparence. - la buse de soudage délivrant le premier flux de gaz a une section de passage du gaz comprise entre 0.1 et 10 mm2, de préférence de 0,5 à 5 mm2 de section, par exemple une buse à orifice de sortie circulaire de 1 à 2 mm de diamètre. - la pression du premier flux de gaz est comprise entre 1 et 10 kPa. La Figure 1 schématise le mode d'action de ce jet de gaz. Plus précisément, on y voit le capillaire de vapeur 1 surmonté de vapeurs métalliques 2 obtenu par fusion par le faisceau laser 3 du métal constitutif des pièces à souder qui sont recouvertes d'une couche de zinc. Le métal fondu se re-solidifie ensuite en un cordon de soudure 4. Afin de maintenir le keyhole ouvert et permettre un bon dégazage du zinc, une busette 5 de 1 à 2 mm de diamètre distribue un premier flux de gaz sous pression vers ledit keyhole. Le flux de gaz est dirigé uniquement vers l'ouverture du capillaire 1 de vapeurs métalliques et selon une direction perpendiculaire aux pièces à souder ou bien incliné d'un coté ou de l'autre, de manière à y exercer une pression dynamique gazeuse suffisante pour augmenter significativement le diamètre du capillaire, pendant tout le temps de déplacement relatif du faisceau laser 3 par rapport aux pièces, et permettre ainsi une évacuation des vapeurs de zinc provenant du revêtement surfacique des pièces. En d'autres termes, la pression gazeuse exercée doit être suffisante pour conduire à une évacuation du zinc vaporisé par l'ouverture du capillaire. Par ailleurs, avantageusement, on met aussi en oeuvre un deuxième flux de gaz de protection distribué périphériquement et/ou coaxialement au premier flux de gaz délivré par la busette 5. De manière classique, ce deuxième flux de gaz sert à protéger la zone de soudage, en particulier le bain de soudure, des contaminations atmosphériques, notamment de l'incorporation dans le métal fondu du bain d'impuretés de type azote, vapeur d'eau ou similaires qui pourraient venir contaminer ce bain en y engendrant des défauts, telles des porosités. On comprend donc que seul le premier flux de gaz délivré par la busette vient exercer une pression gazeuse sur le keyhole, le deuxième flux gazeux ne servant qu'à protéger l'ensemble de la zone de soudage de l'atmosphère ambiant, donc ne vient pas exercer de pression sur le keyhole. Le procédé de l'invention permet donc de souder des tôles revêtues de zinc quel que soit le jeu présent entre les tôles à souder, en particulier ce procédé est applicable au soudage d'assemblages dans le domaine automobile, c'est-à-dire d'assemblages de plusieurs pièces dont l'une au moins présente une surface zinguée ou en partie zinguée, i.e. galvanisée ou électro-zinguée. Le cordon de soudage réalisé peut être débouchant, c'est-à-dire traversant toute l'épaisseur à souder, ou non débouchant en fonction de l'application considérée. La Figure 2 ci-jointe schématise différentes configurations de pièces pour lesquelles le procédé de l'invention peut être appliqué, notamment des empilements de deux ou trois tôles d'épaisseurs variables soudées par transparence, c'est-à-dire que les tôles sont au moins partiellement superposées les unes aux autres, et que le faisceau laser traverse l'épaisseur ou une partie de l'épaisseur d'une des tôles (celle située du côté où arrive le faisceau) avant de venir frapper et fondre l'autre tôle (celle qui est la plus éloignée de la buse laser délivrant le faisceau). Ces configurations ont la particularité de posséder toutes, à des degrés divers, une surface couverte de zinc qui lors du soudage laser va se vaporiser en provoquant les défauts susmentionnés. Or, le procédé de l'invention permet de souder ces configurations sans aucun problème de ce type. Plus précisément, les Figures 2a, 2g, 21, 2m et 2n représentent un soudage à clin par transparence ; les Figures 2b et 2i, un soudage à clin en angle ; la Figure 2c, un soudage de T en angle ; la Figure 2d, un soudage de T par transparence ; les Figures 2e et 2f, un soudage sur bords tombés ; la Figure 2h, un soudage sur chants ; la Figure 2j, un soudage de coins par transparence ; et la Figure 2k, un soudage de coins bord à bord. Revendications 1. Procédé de soudage par faisceau laser d'au moins une première pièce métallique revêtue de zinc avec au moins une seconde pièce métallique, dans lequel : a) on positionne au moins une première pièce métallique revêtue sur au moins une partie de l'une de ses surfaces d'une couche de zinc par rapport à au moins une seconde pièce métallique de manière à obtenir un assemblage à souder, et b) on opère une fusion d'au moins une partie du métal constitutif desdites pièces, au moyen d'au moins un faisceau laser venant frapper au moins l'une desdites pièces et au moins une partie du revêtement surfacique contenant le zinc, et en déplaçant ledit faisceau laser relativement par rapport audit assemblage selon une trajectoire de soudage désirée de manière à créer un cordon de soudure entre lesdites pièces formant ledit assemblage selon ladite trajectoire de soudage et à provoquer une vaporisation d'au moins une partie du zinc compris dans ledit revêtement surfacique, caractérisé en ce que : - à l'étape a), les pièces sont positionnées en contact ou en quasi-contact l'une par rapport à l'autre de manière à ce qu'il n'existe aucun ou quasiment aucun jeu entre lesdites pièces dans la région où le cordon de soudure doit être réalisé selon la trajectoire de soudage désirée, et - à l'étape b), on réalise le cordon de soudure par fusion du métal avec formation d'un capillaire ou keyhole rempli de vapeurs métalliques immédiatement en aval du point d'impact du faisceau sur la ou les pièces, et on dirige un premier flux de gaz uniquement vers l'ouverture du capillaire de vapeurs métalliques de manière à y exercer une pression dynamique gazeuse suffisante pour maintenir le capillaire suffisamment ouvert pour obtenir une évacuation d'au moins une partie des vapeurs de zinc provenant du revêtement surfacique, pendant tout le temps de déplacement relatif du faisceau laser par rapport aux pièces. 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, de préférence selon une direction perpendiculaire à la ou aux pièces à souder. 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 et/ou coaxialement au premier flux de gaz. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le débit du premier gaz est de l'ordre de 10 à 20 1/min et le débit du deuxième gaz est de l'ordre de 20 à 301/min. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la buse est une buse coaxiale. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, 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. 20 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le faisceau laser est généré par un générateur laser de type Nd:YAG, à fibre d'Ytterbium ou CO2. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la ou les pièces métalliques à souder sont en acier au carbone revêtu de zinc. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les pièces sont superposées l'une à l'autre et le soudage est opéré par transparence. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la buse de 30 soudage délivrant le premier flux de gaz a une section de passage du gaz comprise entre 0.1 et 10 mm. 25 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la pression du premier flux de gaz est comprise entre 1 et 10 kPa. 5