Brevet FR2963749A1 — publié le 20120217

Le domaine de la présente invention est celui du soudage par laser pour l'aéronautique et plus particulièrement celui du soudage par laser YAG des pièces constitutives d'une turbomachine. Un laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ou Amplification de Lumière par Emission Stimulée de Radiation) est constitué principalement d'un rayon lumineux mince et cohérent pouvant être concentré comme celui que produirait une loupe qui concentre les rayons du soleil. La haute puissance émise par le laser fait fondre le métal à souder puis l'évapore en surface, et crée une ionisation de ce métal en phase vapeur. Il s'ensuit la création d'un plasma très lumineux qui se développe rapidement en s'éloignant de la cible sous l'action d'un gaz de protection, tel par exemple que de l'argon, envoyé sur celle-ci. On désigne communément sous le nom de plume du plasma les vapeurs métalliques qui sont diluées par le gaz de protection. Le soudage des pièces de turbomachines s'effectue classiquement à l'aide de lasers de type gazeux, ou laser CO2, qui nécessitent des appareillages relativement lourds et qui ont des coûts d'exploitation élevés. Par leur haute productivité, leur grande vitesse de soudage, les faibles déformations dues à la faible taille des zones échauffées et la possibilité de souder une grande variété de matériaux, les sources lasers à solide YAG (Yttrium Aluminium Gamet, ou grenat d'aluminium-yttrium) sont de plus en plus utilisées pour le travail des matériaux. Le milieu émetteur alors est constitué de barreaux de YAG, excités ou pompés par des diodes laser ou lampes flash ; l'énergie du rayon suffit pour faire fondre une infime quantité de matière, au sein d'une micro cavité. En se déplaçant, le rayon déplace le point d'impact, entraînant un bain de fusion qui forme le cordon de soudure Le rayonnement d'une longueur d'onde de 1,06 µm permet le transport du faisceau par fibre optique, conférant à ce procédé de soudage une grande flexibilité. Cette technologie est surtout bien adaptée aux soudures fines, avec des cordons de 0,5 à 4 mm de large et des pénétrations de 0,3 à 6 mm, et donc aux pièces telles que les redresseurs de compresseurs basse pression (BP) des turbomachines. 2 Cependant le matériel de soudage YAG que l'on trouve en standard répond à des critères d'utilisation pour la production de grande série où la qualité recherchée de la protection gazeuse pour le point de soudage est moindre que dans les spécifications aéronautiques. L'utilisation des outillages mis au point pour le soudage par laser CO2 des pièces aéronautiques ne donne en conséquence pas de bons résultats avec un laser YAG. On a en effet constaté une production de fumée de soudage en excès qui absorbe une partie de l'énergie du faisceau, une non-maîtrise du plasma qui peut aboutir à la casse du verre de protection des lentilles de focalisation, et une compacité des cordons de soudure qui ne répond pas aux exigences aéronautiques. Tout ceci a conduit à la remise en cause de l'emploi du laser YAG pour l'assemblage des pièces aéronautiques comme les redresseurs BP. On connait cependant le soudage par laser YAG associé à un soufflage du plasma créé par le laser, dans lequel une buse alimentée par une tuyauterie envoie un gaz de protection sur la cible pour limiter l'ionisation des vapeurs métalliques, le jet de gaz étant toujours orienté selon le sens d'avancement du soudage. Cette technique, si elle réduit l'ionisation et par là améliore la quantité d'énergie allouée au soudage, ne produit pas de cordons de soudure de bonne qualité dès lors qu'on modifie le sens de déplacement du soudage et que celui-ci ne se trouve plus dans l'axe du cordon. Elle n'est donc pas adaptée au soudage de pièces comme les redresseurs de compresseurs BP sur leur anneau de maintien car le soudage doit alors être effectué sur une ligne fermée, en l'occurrence un rectangle aux angles arrondis, sans recourir à une rotation de la pièce. Il est donc nécessaire d'améliorer les techniques et outils existants pour rendre possible le soudage par laser YAG des pièces aéronautiques. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un nouvel outil pour le soudage YAG. A cet effet, l'invention a pour objet une tête de soudage, pour le soudage à l'aide d'un laser YAG de pièces métalliques positionnées côté à côte au point de focalisation du faisceau laser pour former une cible plane, ladite tête comprenant un corps de tête au travers duquel passe ledit faisceau laser et au moins un moyen de soufflage, par un gaz de protection, de la plume du plasma généré par le soudage, ledit moyen comprenant une canalisation d'amenée du gaz et une buse orientant le flux de gaz en direction de la cible. Elle est caractérisée en ce que le moyen de soufflage comporte au moins deux buses orientant chacune leur flux dans des directions différentes. La présence de deux buses et, par conséquent, de deux flux de gaz orientés indépendamment l'un de l'autre permet de donner la forme la plus adaptée à la plume du plasma et ainsi de contrôler la formation du cordon de soudure tout en maîtrisant les projections éventuelles. Préférentiellement les buses sont positionnées en vis-à-vis, symétriques l'une de l'autre par rapport au faisceau laser. Cette configuration donne une forme circulaire, en vue de dessus, à la plume du plasma et permet un déplacement du soudage dans toutes les directions souhaitées, indépendamment de l'orientation du flux de gaz. Dans un mode particulier de réalisation lesdites buses orientent leur flux de gaz dans une direction faisant un angle compris entre 35 et 45° avec le plan de la cible. Cet angle améliore la qualité du cordon de soudure et réduit les remontées de la plume en direction du corps de tête. Dans un mode plus préférentielle la direction du flux de gaz fait avec le plan de la cible un angle compris entre 40 et 42°. Il a été trouvé que l'angle ainsi revendiqué constitue un optimum en ce qui concerne les deux paramètres précédents. Dans un mode particulier de réalisation le corps de tête comporte une enceinte traversée par le faisceau laser qui est mise en surpression par rapport à la pression ambiante. La surpression empêche les fumées produites lors du soudage de remonter dans le corps de tête et d'obscurcir le cheminement du faisceau laser, ce qui réduirait la puissance disponible pour le soudage. Avantageusement ladite enceinte est refermée du côté de la cible par une bague métallique percée pour laisser passer le faisceau laser. Cette bague aide à diffuse la chaleur qu'elle reçoit de la plume du plasma. Préférentiellement la bague est réalisée en un bronze au béryllium, réalisé à partir de cuivre ou d'un alliage de cuivre, qui présente des caractéristiques importantes de dureté tout en conservant de bonnes propriétés de diffusion de la chaleur. 4 L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue de face d'un dispositif de soudage selon un mode de réalisation de l'invention, et - la figure 2 est une vue en coupe de la buse de soufflage du 10 dispositif de la figure 1. En se référant à la figure 1, on voit une tête de soudage laser de type YAG selon l'invention pour le soudage de pièces aéronautiques et notamment pour la fixation de redresseurs de compresseur BP sur un 15 anneau de maintien. La tête est reliée à l'outillage de soudage par une interface 1 qui permet classiquement de l'orienter par une rotation perpendiculaire au plan de la figure. Le faisceau laser 2 entre dans la tête proprement dite en étant convergent, avec une focalisation qui se produit à l'emplacement 20 prévu pour le soudage. Il passe tout d'abord à travers un verre de protection 3 qui a pour fonction d'empêcher les gaz ou particules produites lors du soudage de venir polluer la partie de l'outillage génératrice du faisceau. Un des problèmes à résoudre dans la définition d'une tête de soudage laser consiste d'ailleurs à éviter que ce verre de 25 protection ne soit soumis à une chaleur trop intense, auquel cas il pourrait se casser. Le verre de protection 3 est posé sur un corps de tête 4 qui constitue une enceinte à travers lequel passe le faisceau convergent du laser avant d'atteindre sa cible 5. Cette enceinte est mise à une pression 30 légèrement supérieure à la pression ambiante de façon que les fumées qui sont produites par le soudage n'y remontent pas et ne viennent pas obscurcir le cheminement du faisceau. Ce corps de tête 4 est ouvert à sa partie inférieure pour laisser le passage du faisceau au travers d'une bague 6, classiquement réalisée en cuivre ou en un matériau similaire. La 35 bague 6 a pour fonctions de calibrer le flux de gaz de protection et de diffuser la chaleur émise par le plasma, évitant ainsi qu'elle ne vienne chauffer de façon excessive le corps de tête 4. Elle piège également les éventuelles remontées métalliques. La tête de soudage comporte en outre un dispositif de soufflage du plasma créé par le faisceau laser 2. Dans le cas représenté sur la 5 figure 1, le gaz de protection est amené sur la cible par l'intermédiaire de deux canalisations d'amenée 7 qui débouchent dans deux buses 8 qui orientent le flux du gaz en direction de la cible 5, selon une direction particulière. Les deux buses 8 sont positionnées de façon symétrique l'une de l'autre par rapport au faisceau du faisceau laser 2. La figure 2 donne en coupe le détail d'une buse 8, adaptée au soudage par laser YAG. Sa forme extérieure est adaptée pour s'insérer dans le corps de tête 4 auquel elle est fixée par des moyens de fixation classiques 9. A l'intérieur elle est traversée par une conduite 10 de forme cylindrique, sans que cette forme soit impérative, dont la première partie 10a est raccordée aux canalisations d'amenée 7 et dont la seconde 10b est rectiligne, au moins pour sa partie terminale qui fait en sortie un angle a avec la direction parallèle à celle du faisceau laser 2. Cet angle a est voisin de 50°, préférentiellement compris entre 45 et 55° et plus préférentiellement entre 48 et 50°. Du fait de cet angle le flux de gaz de protection arrive sur la cible selon une direction faisant avec le plan de celle-ci un angle compris entre 35 et 45° et préférentiellement compris entre 40 à 42°. Les buses 8 sont réalisées préférentiellement en bronze au béryllium, qui a l'avantage d'être très dur, et donc de résister aux fortes sollicitations thermiques générées par la proximité de la plume du laser, tout en ayant les mêmes qualités que le cuivre en ce qui concerne le rayonnement de la chaleur qu'il reçoit. Elles peuvent être réalisées en bronze au cuivre ou à tout autre alliage de cuivre. On va maintenant décrire le fonctionnement de la tête de soudage laser selon l'invention lors du soudage d'aubes de redresseurs BP sur leur anneau de maintien. Les pièces à souder sont positionnées côte à côte, dans un plan perpendiculaire au faisceau laser 2, pour former la cible 5 et le corps de tête est mis en légère surpression par rapport à la pression ambiante, antérieurement au démarrage de l'opération de soudage. Le gaz de protection est envoyé sur la cible 5 au travers des deux buses 8 positionnées en vis-à-vis et le laser de puissance est mis en route. La puissance émise provoque la fusion du métal sur les deux pièces à souder et une vaporisation du métal créant un plasma ionisé. Le flux de gaz émis par les buses confine le plasma au niveau de la cible et l'empêche de s'étendre et de remonter en direction du corps de tête 4 et du verre de protection 3. Grâce à la configuration des buses selon l'invention, la forme de ce plasma prend une allure circulaire en vue de dessus et une forme en diabolo en vue de côté. Cette forme particulière provient du double soufflage et de l'angle de 40 à 42° donné au flux de gaz par rapport à la cible. Du fait de cette forme les résultats obtenus sont particulièrement bons, avec pour points principaux : - une absence de fumées dans le chemin optique, qui résulte du 15 soufflage et de la surpression appliquée dans le corps de tête 4 ; l'énergie du faisceau est ainsi préservée jusqu'au point d'impact, - une absence de remontée de la plume du plasma et de risque d'endommagement du verre de protection, - une stabilité de la géométrie du cordon de soudure et sa conformité 20 métallurgique avec les standards recherchés en aéronautique. Enfin la configuration du double soufflage permet, par la forme circulaire donnée à la plume, une liberté dans le déplacement de la cible par rapport à cette tête, avec la possibilité d'effectuer des allers et retours ou des changements de direction sans que la qualité du cordon qui est 25 produit ne soit altérée. Une telle possibilité n'existait pas avec les têtes YAG présentant un mono soufflage dans le sens d'avancement et il n'était, notamment, pas possible d'effectuer des soudages de qualité pour des redresseurs BP qui nécessitent quatre changements de direction. 30 REVENDICATIONS1. Tête de soudage, pour le soudage à l'aide d'un laser YAG de pièces métalliques positionnées côté à côte au point de focalisation du faisceau laser (2) pour former une cible plane (5), ladite tête comprenant un corps de tête (4) au travers duquel passe ledit faisceau laser et au moins un moyen de soufflage, par un gaz de protection, de la plume du plasma généré par le soudage, ledit moyen comprenant une canalisation d'amenée du gaz (7) et une buse (8) orientant le flux de gaz en direction de la cible (5), caractérisée en ce que le moyen de soufflage comporte au moins deux buses (8) orientant chacune leur flux dans des directions différentes. 2. Tête de soudage selon la revendication 1 dans lequel les buses sont positionnées en vis-à-vis, symétriques l'une de l'autre par rapport au faisceau laser (2). 3. Tête de soudage selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel lesdites buses orientent leur flux de gaz dans une direction faisant un angle compris entre 35 et 45° avec le plan de la cible (5). 4. Tête de soudage selon la revendication 3 dans lequel la 20 direction du flux de gaz fait avec le plan de la cible un angle compris entre 40 et 42°. 5. Tête de soudage selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le corps de tête (4) comporte une enceinte traversée par le faisceau laser (2) qui est mise en surpression par rapport à la pression ambiante. 25 6. Tête de soudage selon la revendication 5 dans lequel ladite enceinte est refermée du côté de la cible (5) par une bague métallique (6) percée pour laisser passer le faisceau laser (2). 7. Tête de soudage selon la revendication 6 dans lequel la bague (6) est réalisée en un bronze au béryllium, réalisé à partir de 30 cuivre ou d'un alliage de cuivre.