Brevet FR2952316A1 — publié le 20110513

Procédé de soudure laser L'invention concerne notamment un procédé de soudure laser. On connaît par la demande de brevet EP 1 927 425 une machine de coupage ou soudage, pour la métallurgie, comportant un générateur de faisceau ou source laser permettant de générer un faisceau laser au moyen d'une ou plusieurs fibre d'ytterbium. L'amplification et le pompage optique sont obtenus par réflexion sur les faces internes d'une fibre optique, l'excitation étant effectuée par un réseau de lasers à diode. En d'autres termes, la source laser comporte plusieurs modules internes servant à générer un faisceau laser, chaque module comprenant une fibre d'ytterbium. Les pré- faisceaux générés par chaque module sont collectés et couplés les uns aux autres dans un dispositif de couplage ou coupleur interne à la source laser. Le faisceau laser ainsi obtenu en sortie du coupleur, à la sortie avale de la source laser, est récupéré et introduit dans au moins une fibre optique de 20 transport ou convoyage. La ou les fibres optiques de transport diffèrent des fibres d'ytterbium servant à générer le faisceau. Par exemple la fibre de transport comporte un coeur en quartz avec un revêtement en silice fondue et une gaine plastique et/ou métallique. 25 Une tête de focalisation laser est prévue en sortie de la fibre de transport pour couper par exemple une tôle en acier au carbone. L'invention concerne ce type de laser, généré par au moins une fibre dopée avec des éléments de terre rare, notamment l'ytterbium. Par ailleurs on connaît par la demande de brevet US 2006/006304 un 30 procédé pour joindre deux pièces en matière plastique. Ce procédé utilise un faisceau laser focalisé sur la surface de contact entre les deux pièces, à l'aide d'une bille ou un disque transparent, en verre ou plastique, rotatif. Cette bille ou ce disque, qui est pressé en permanence sur l'une des pièces, agit comme une lentille pour le faisceau laser. L'invention a notamment pour objet un procédé de soudure laser comportant les étapes suivantes : - générer un faisceau laser au moyen d'une source laser comportant au moins une fibre dopée avec des éléments de terre rare, notamment l'ytterbium, - souder deux structures entre elles, ces structures étant notamment réalisées au moins partiellement en matière plastique, la soudure étant réalisée à l'aide dudit faisceau laser, l'une des deux structures étant sensiblement transparente au faisceau laser et l'autre des structures étant capable d'absorber le faisceau laser de sorte que cette structure fonde partiellement et les deux structures soient jointes. L'invention permet de réaliser une liaison entre deux structures par exemple en matière thermoplastique, pour un feu de signalisation ou un projecteur de véhicule automobile, avec un aspect esthétique et des formes pouvant être complexes, et/ou de dimensions importantes. La source laser selon l'invention utilise un milieu actif formé par une fibre optique dopée avec un ion de terre rare. Par exemple l'efficacité puissance électrique/ optique peut s'en trouver amplifié en lien direct avec l'amélioration de l'effet de pompe d'une fibre ytterbium. La source laser peut être agencée pour délivrer une puissance relativement élevée, par exemple d'environ plusieurs centaines de Watts en continu. Ce type de source laser présente en outre un encombrement relativement réduit, et nécessite une maintenance plus faible que la plupart des autres sources laser. De plus l'invention permet d'avoir une meilleure qualité de faisceau dont le diamètre peut être particulièrement fin, de quelques microns par exemple. Le faisceau laser peut être pseudo- collimaté, exhibant une grande profondeur de champ, notamment à l'aide d'une optique fixe. De préférence, le procédé comporte l'étape suivante : - former un feu ou un projecteur de véhicule automobile à partir des deux structures ainsi soudées. Avantageusement l'une des structures est une platine et l'autre des structures est une glace, et la platine est par exemple réalisée à partir de l'un des matériaux suivants : ABS (copolymère acrylonitrile- butadiène- styrène), ABS/PC (copolymère acrylonitrile- butadiène- styrène/ polycarbonate), PBT (polytéréphtalate de butylène), et la glace est par exemple réalisée à partir de l'un des matériaux suivants : PMMA (polyméthacrylate de méthyle), PC (polycarbonate), PC (polycarbonate) haute température, PES (polyéther sulfones), PA (polyamide)... Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le faisceau laser, notamment pseudo-collimaté par une optique fixe, atteint directement les structures à joindre, en étant dirigé par une unité de balayage composée par exemple de deux miroirs. Cette unité de balayage avec un ou plusieurs miroirs mobiles est par exemple commandée par une unité de commande telle qu'un ordinateur. Par exemple, le faisceau laser présente une longueur d'onde comprise notamment entre 0.90 et 1.10 nm, étant par exemple d'environ 1.06 nm, et ce faisceau laser en sortie peut présenter une largeur comprise entre 0.1 et 1 mm, notamment en fonction de l'optique correspondante. Le procédé peut comporter, si on le souhaite, les étapes suivantes : - générer une pluralité de faisceaux laser, notamment à l'aide de sources laser statiques ou en variante mobiles, - souder les structures entre elles en formant un cordon de soudure à l'aide de ces faisceaux laser, chaque faisceau laser formant notamment une portion du cordon de soudure, ce cordon de soudure pouvant être continu ou discontinu, fermé ou ouvert, les différentes portions du cordon de soudure associées aux différents faisceaux laser étant par exemple raboutées sensiblement pour assurer une continuité apparente du cordon final, par exemple sans se superposer. Par exemple, l'orientation du ou des faisceaux laser dans l'espace est commandée par réflexion sur un ou plusieurs miroirs, qui peuvent être avantageusement pilotables par exemple par un ordinateur. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, chaque source laser est solidaire d'une unité mobile, appartenant avantageusement à un bras robotisé, pilotable notamment pour permettre au faisceau laser associé de balayer la portion correspondante du cordon de soudure. Si on le souhaite, la pluralité de sources laser et d'unités mobiles associées sont agencées pour travailler en même temps. Avantageusement les unités mobiles sont commandées par une unité de commande telle qu'un ordinateur. Si on le souhaite, l'unité de balayage pourvue de miroir(s) pilotable(s) peut être portée par un bras robotisé pilotable. Ceci permet une certaine flexibilité dans l'utilisation du matériel, ce qui est particulièrement avantageux lorsque plusieurs types de produits différents doivent être fabriqués avec le même matériel. La soudure des deux structures peut être obtenue par un seul passage de faisceau laser ou, en variante, par plusieurs passages de faisceau laser sur une même portion de soudure. La soudure des deux structures peut être réalisée en même temps que ces structures sont pressées mécaniquement, au moins localement, l'une contre l'autre. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la pression de pressage sur les deux structures est choisie comprise entre environ 2 et 10 kg/cm2. De préférence le pressage mécanique, qui peut être statique ou dynamique, de l'une des structures sur l'autre est réalisé à l'aide d'un organe de pressage en appui sur l'une des structures. Avantageusement l'organe de pressage dynamique est agencé pour pouvoir se déplacer, notamment rouler, sur ladite structure, de manière à permettre un pressage local en cohérence avec le passage du rayon laser piloté. L'organe de pressage dynamique comporte, de préférence, l'un au moins d'une bille et un disque en contact mobile avec ladite structure. Grâce à l'invention, sur une structure de grandes dimensions, il est possible d'assurer une pression ponctuelle nécessaire au niveau de la soudure, sans avoir à utiliser un moyen global de pressage surdimensionné et difficile à gérer localement. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'organe de pressage dynamique est opaque au faisceau laser. Par exemple l'organe de pressage est réalisé en acier, par exemple en acier poli. En variante, l'organe de pressage peut être réalisé en aluminium ou en résine. Dans un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'organe de pressage dynamique est transparent au faisceau laser, étant par exemple en verre ou en plastique. Si on le souhaite, l'organe de pressage dynamique présente un diamètre compris entre 2 et 30 mm. Avantageusement le faisceau laser est envoyé vers les structures à souder sans passer par l'organe de pressage dynamique. Par exemple le faisceau est envoyé vers les structures à souder suivant un angle, mesuré par rapport à une direction normale locale aux structures, compris entre 30° et 60°, cet angle étant notamment voisin de 45°. Si on le souhaite, une pluralité de faisceaux laser sont utilisés pour réaliser une même portion de cordon de soudure, ces faisceaux étant notamment 30 associés au même organe de pressage. L'invention permet ainsi d'utiliser plusieurs sources laser, le cas échéant, pour augmenter la puissance énergétique au niveau de la matière des structures à souder, afin d'améliorer l'efficacité du procédé. La source laser et l'organe de pressage dynamique peuvent être portés par une unité mobile, cette unité étant notamment pilotée par un robot multiaxe. Le cas échéant, l'organe de pressage est associé à un système de refroidissement permettant de refroidir cet organe, ce système de refroidissement étant par exemple formé sur l'unité mobile, et comportant par exemple un dispositif d'injection d'air dans une cavité logeant l'organe de pressage. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'angle d'incidence du faisceau laser sur les structures à souder est conservé sensiblement constant lors du déplacement du faisceau laser par rapport aux structures à souder. Si on le souhaite, les structures à souder présentent une forme gauche et/ou de grandes dimensions. L'invention permet, le cas échéant, de modifier l'angle d'incidence du faisceau laser sur les structures pour permettre d'augmenter le diamètre de l'organe de pressage. L'invention a également pour objet une machine de soudure laser pour 20 souder ensemble deux structures, cette machine comportant : - au moins une source laser comportant au moins une fibre dopée avec des éléments de terre rare, notamment l'ytterbium, - au moins un organe de pressage agencé pour presser, au moins localement, les structures l'une contre l'autre, 25 la machine étant agencée de manière à ce que la source laser puisse produire un faisceau laser irradiant les structures sans passer à travers l'organe de pressage. Avantageusement la source laser et l'organe de pressage sont solidaires d'une unité mobile notamment actionnable par un robot. 30 L'invention a encore pour objet un dispositif d'éclairage et/ou de signalisation comportant deux structures assemblées par soudure laser à l'aide du procédé tel que défini ci-dessus, ces structures étant liées ensemble par au moins un cordon de soudure. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif de l'invention, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente, schématiquement et partiellement, une étape du procédé selon un premier exemple de mise en oeuvre de l'invention utilisant un pressage dynamique, - la figure 2 illustre un cordon de soudure obtenu grâce à la machine de la figure 1, - la figure 3 illustre, schématiquement et partiellement, en perspective, une machine selon un deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention utilisant un pressage statique, et - la figure 4 illustre, schématiquement et partiellement, un cordon de soudure obtenu selon le procédé de la figure 3. On a représenté sur la figure 1 une machine 1 de soudure laser pour souder ensemble deux structures 20 et 21, cette machine 1 comportant : - une pluralité de sources laser 2 comportant chacune au moins une fibre 3 (en pointillés sur la figure 1) dopée avec des éléments de terre rare, notamment l'ytterbium, - un organe de pressage 5 agencé pour presser, localement, les structures 20 et 21 l'une contre l'autre. Chaque fibre génératrice de laser 3 est raccordée, directement ou indirectement, à une fibre de verre neutre de convoyage 2a. La machine 1 comporte une seule unité mobile 6 actionnable par une tête de robot 7 présentant par exemple six ou sept degrés de liberté. Dans l'exemple décrit, l'unité mobile 6, montée sur la tête de robot 7, porte deux sources laser 2 et un organe de pressage 5. En variante, l'unité mobile 6 peut porter une seule source laser 2, et un 30 organe de pressage 5. La machine 1 permet de mettre en oeuvre un procédé de soudure laser avec les étapes suivantes : - générer un faisceau laser 10 au moyen de chacune des sources laser 2, - souder les deux structures 20 et 21 entre elles, à l'aide des faisceaux laser 10, l'une 20 des deux structures, sur le dessus, étant sensiblement transparente au faisceau laser 10 et l'autre 21 des structures, en dessous, étant capable d'absorber le faisceau laser de sorte que cette structure 21 fonde partiellement et les deux structures 20 et 21 soient jointes. Les structures 20 et 21 sont destinées à former un feu ou projecteur de véhicule automobile. L'une des structures est une platine et l'autre des structures est une glace, et la platine est par exemple réalisée à partir de l'un des matériaux suivants : ABS (copolymère acrylonitrile- butadiène- styrène), ABS/PC (copolymère acrylonitrile-butadiène- styrène/ polycarbonate), PBT (polytéréphtalate de butylène), et la glace est par exemple réalisée à partir de l'un des matériaux suivants : PMMA (polyméthacrylate de méthyle), PC (polycarbonate), PC haute température. Comme on peut le voir sur la figure 1, chaque faisceau laser 10 atteint directement les structures 20 et 21 à joindre. Le faisceau laser 10 présente une longueur d'onde d'environ 1.06 nm, et ce faisceau laser en sortie peut être structuré pour présenter une largeur comprise entre 0.1 et 1 mm. La soudure des structures 20 et 21 entre elles est réalisée en formant un cordon de soudure 30 continu, comme illustré sur la figure 2. La tête de robot 7 avec l'unité mobile 6 est commandée par une unité de commande telle qu'un ordinateur 12. La soudure des deux structures 20 et 21 peut être obtenue par un seul passage de faisceau laser ou, en variante, par plusieurs passages du même 30 faisceau laser sur une même portion de soudure. La soudure des deux structures 20 et 21 est réalisée en même temps que ces structures sont pressées mécaniquement, localement, l'une contre l'autre. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la pression de pressage sur les deux structures est choisie comprise entre environ 2 et 10 kg/cm2. Le pressage mécanique, dynamique, de l'une des structures sur l'autre est réalisé à l'aide de l'organe de pressage 5 en appui sur l'une des structures. L'organe de pressage 5 est agencé pour pouvoir rouler sur la structure 20, de manière à permettre un pressage dynamique. L'organe de pressage 5 comporte, dans l'exemple décrit, une bille ou un disque en contact avec ladite structure. L'organe de pressage 5 est opaque au faisceau laser 10, et est réalisé en acier, par exemple en acier poli. Comme visible sur la figure 1, les faisceaux laser 10 sont envoyés vers les structures 20 et 21 à souder sans passer à travers l'organe de pressage 5. Par exemple chaque faisceau 10 est envoyé vers les structures à souder suivant un angle A, mesuré par rapport à une direction Y normale locale aux structures 20 et 21, compris entre 30° et 60°, cet angle étant notamment voisin de 45°. L'angle d'incidence de chaque faisceau laser 10 sur les structures à souder 20 est conservé sensiblement constant lors du déplacement du faisceau laser par rapport aux structures 20 et 21 à souder. Dans l'exemple décrit, deux faisceaux laser 10 sont utilisés pour réaliser le cordon de soudure 30, ces faisceaux étant associés au même organe de pressage 5. 25 La machine 1 de la figure 1 permet d'obtenir un cordon de soudure 30 par un passage des mêmes faisceaux laser, comme illustré sur la figure 2. L'organe de pressage 5 est associé à un système de refroidissement 14 permettant de refroidir cet organe, ce système de refroidissement étant par exemple formé sur l'unité mobile 6, et comportant un dispositif d'injection d'air 15 30 dans une cavité 16 logeant l'organe de pressage 5. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de mise en oeuvre décrit ci-dessus. Par exemple l'unité mobile 6 peut être dépourvue de système de refroidissement 14. Dans un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention, comme illustré sur la figure 3, la machine 100 peut comporter une pluralité de sources laser 6', qui sont montées de manière statique sur la machine, à la différence de l'unité mobile 6 précédemment décrite. Les sources laser 6' sont par exemple au nombre de cinq. Chaque source laser 6' est associée à une unité de balayage 101 comprenant chacune un ou plusieurs miroirs 102 pilotables par un ordinateur 12, permettant de diriger le faisceau laser suivant une orientation de balayage souhaitée. Ainsi la source laser 6' peut être fixe et le faisceau laser est piloté par mouvement des miroirs 102. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention non illustré, l'unité de balayage 101 peut être montée sur un bras robotisé pilotable. Chaque source laser 6' sert à faire une portion élémentaire 31 du cordon de soudure 30, comme on peut le voir sur la figure 4. Le cordon complet 30 est ainsi formé d'une succession de portions 31. Le pressage statique peut être réalisé par exemple par une ou plusieurs cales appliquées sur les structures.25 Revendications1. Procédé de soudure laser comportant les étapes suivantes : - générer un faisceau laser (10) au moyen d'une source laser (2) comportant au moins une fibre (3) dopée avec des éléments de terre rare, notamment l'ytterbium, - souder deux structures (20, 21) entre elles, ces structures étant notamment réalisées au moins partiellement en matière plastique, la soudure étant réalisée à l'aide dudit faisceau laser, l'une des deux structures étant sensiblement transparente au faisceau laser et l'autre des structures étant capable d'absorber le faisceau laser de sorte que cette structure fonde partiellement et les deux structures soient jointes. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait qu'il 20 comporte l'étape suivante : - former un feu ou un projecteur de véhicule automobile à partir des deux structures ainsi soudées. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, l'une des structures 25 (20, 21) étant une platine et l'autre des structures étant une glace, et la platine étant par exemple réalisée à partir de l'un des matériaux suivants : ABS (copolymère acrylonitrile- butadiène- styrène), ABS/PC (copolymère acrylonitrile- butadiène- styrène/ polycarbonate), PBT (polytéréphtalate de butylène), et la glace étant par exemple réalisée à partir de l'un des matériaux suivants : PMMA 30 (polyméthacrylate de méthyle), PC (polycarbonate), PC haute température. 10 15 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes suivantes : - générer une pluralité de faisceaux laser (10), notamment à l'aide de sources laser statiques, - souder les structures entre elles en formant un cordon de soudure (30) à l'aide de ces faisceaux laser, chaque faisceau laser formant une portion du cordon de soudure, notamment l'orientation des faisceaux laser étant commandée par un ou plusieurs miroirs. 5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que chaque source laser est solidaire d'une unité mobile commandée pour permettre au faisceau laser associé de balayer la portion correspondante du cordon de soudure. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la soudure des deux structures est réalisée en même temps que ces structures sont pressées mécaniquement, au moins localement, l'une contre l'autre. 7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que le pressage mécanique de l'une des structures sur l'autre est réalisé à l'aide d'un organe de pressage dynamique en appui sur l'une des structures. 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que l'organe de pressage (5) dynamique comporte l'un au moins d'une bille et un disque en contact avec ladite structure. 9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé par le fait que l'organe de pressage est opaque au faisceau laser.30 10.Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le pressage est statique. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le faisceau est envoyé vers les structures à souder suivant un angle, mesuré par rapport à une direction (Y) normale locale aux structures, compris entre 30° et 60°, cet angle étant notamment voisin de 45°. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'angle d'incidence du faisceau laser sur les structures à souder est conservé sensiblement constant lors du déplacement du faisceau laser par rapport aux structures à souder. 13.Machine (1) de soudure laser pour souder ensemble deux structures, cette machine comportant : - au moins une source laser comportant au moins une fibre dopée avec des éléments de terre rare, notamment l'ytterbium, - au moins un organe de pressage (5) agencé pour presser, au moins localement, les structures l'une contre l'autre, la machine étant agencée de manière à ce que la source laser puisse produire un faisceau laser irradiant les structures sans passer à travers l'organe de pressage. 14. Dispositif d'éclairage et/ou de signalisation comportant deux structures assemblées par soudure laser à l'aide du procédé selon l'une des revendications 1 à 12, ces structures étant liées ensemble par au moins un cordon de soudure.