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WO2003022512A1 - Procede de soudage hybride laser-arc avec ajustage des debits de gaz - Google Patents

Procede de soudage hybride laser-arc avec ajustage des debits de gaz Download PDF

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Publication number
WO2003022512A1
WO2003022512A1 PCT/FR2002/002719 FR0202719W WO03022512A1 WO 2003022512 A1 WO2003022512 A1 WO 2003022512A1 FR 0202719 W FR0202719 W FR 0202719W WO 03022512 A1 WO03022512 A1 WO 03022512A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
welded
arc
welding
volume
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2002/002719
Other languages
English (en)
Inventor
Karim Chouf
Philippe Lefebvre
Olivier Matile
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Priority to EP02774857A priority Critical patent/EP1427564A1/fr
Priority to JP2003526628A priority patent/JP2005501737A/ja
Priority to US10/489,444 priority patent/US20050011868A1/en
Priority to CA002460094A priority patent/CA2460094A1/fr
Publication of WO2003022512A1 publication Critical patent/WO2003022512A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K28/00—Welding or cutting not covered by any of the preceding groups, e.g. electrolytic welding
    • B23K28/02—Combined welding or cutting procedures or apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/346—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding
    • B23K26/348—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding in combination with arc heating, e.g. TIG [tungsten inert gas], MIG [metal inert gas] or plasma welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/18—Sheet panels
    • B23K2101/185—Tailored blanks

Definitions

  • the present invention relates to a hybrid welding method and installation combining a laser beam and an electric arc, in particular a plasma arc, using particular gases or gas mixtures as starting gas for the electric arc and assistance of the laser beam, and its application to the welding of tubes or flanks butted (tailored blan s), in particular usable in the automobile industry.
  • the arc is preferably struck in a gas with low ionization potential which must, moreover, be neutral so as not to cause contamination or deterioration of the electrode or react well negatively with the molten metal.
  • argon meets these conditions because it is neutral and has a relatively low ionization potential, unlike nitrogen or C0 2 which, although having ionization potentials even weaker, can react with the molten metal with, for example, the formation of nitrides for nitrogen and deterioration of the tungsten electrode for C0 2 .
  • the production of the weld is based on localized melting phenomena of the matter at the point of impact of the laser beam where a capillary is formed filled with metallic vapors ionized at high temperature, called keyhole (keyhole).
  • keyhole metallic vapors ionized at high temperature
  • This capillary has an important role as it allows to transfer the ener gy directly to the heart of the material.
  • the molten bath thus formed and maintained is gradually moved between the parts to be assembled, as a function of the relative displacement of the laser beam relative to the parts to be welded, and the metal of the weld joint solidifies, after the passage of the laser beam, in ensuring the joint assembly of the parts.
  • the appearance of the capillary is accompanied by the formation of a plasma of metallic vapors, that is to say of an ionized gaseous medium, electrically neutral and at a temperature of several thousand degrees.
  • the metal vapor plasma results from a good coupling between the laser beam and the part, and it is therefore inevitable. This type of plasma absorbs a small amount of incident energy and does not cause a significant change in the width and depth of the weld bead.
  • the metal vapor plasma transfers part of its energy to the shielding gas used to protect the welding area from contamination of it. ci by atmospheric impurities, and there is then a risk of the formation of another plasma from the shielding gas.
  • the creation of such a plasma of the shielding gas can absorb the energy of the incident Jaser beam and, in this case, the weld bead becomes wider on the surface and penetrates much less in the thickness of the parts to be welded.
  • a gas with high ionization potential it is necessary to use a gas with high ionization potential and it turns out that helium is the most suitable gas to limit the appearance of this type of plasma.
  • hybrid arc-laser welding In recent years, in parallel with the above-mentioned welding processes, a welding process called hybrid arc-laser welding has been developed based on a combination of a laser beam and an electric arc.
  • Hybrid arc and laser welding methods have been described in particular in documents EP-A-793558 EP-A-782489; EP-A-800434; US-A-5,006,688; US-A-5,700,989; EP-A-844042; Laser GTA'Weiding of aluminum alloy 5052, TP Diebold and CE Albright, 1984, p. 18-24; SU-A-1815085, US-A-4,689,466; Plasma arc augmented laser welding, RP Walduck and J. Biffin, p.172-176, 1994; or ⁇ G or MIG arc augmented laser welding of thick mild steel plate, Joining and Materials, by J Matsuda et al., p. 31-34, 1988.
  • a hybrid plasma-laser welding process is a combined or mixed welding process which associates electric arc welding with a laser beam.
  • the arc-laser method consists in generating an electric arc between an electrode, fuse or non-fuse, and the part to be welded, and in focusing a power laser beam, in particular a laser of type YAG or of type C0 2 , in the area arc, that is to say at the level or in the joint plane obtained by joining edge-to-edge of the parts to be welded together.
  • Such a hybrid process makes it possible to considerably improve the welding speeds compared to laser welding alone or to arc or plasma welding alone, and also makes it possible to significantly increase the tolerances for positioning the edges before welding as well. that the play tolerated between the edges to be welded, in particular with respect to welding by laser beam alone which requires a high precision of positioning of the parts to be welded because of the small size of the focal point of the laser beam.
  • Hybrid arc-laser processes are known to be perfectly suited for welding tailored blanks for the automotive industry, as they allow a well-welded bead free from gutters, as mentioned EP-A-782489 or Laser plus arc equals power, Industrial Laser Solutions, February 1999, p.28-30.
  • an assist gas to assist the laser beam and protect the welding area from external aggressions and a gas for the electric arc, in particular a plasma gas used to create the arc plasma jet in the case of an arc-plasma process.
  • the plasma gas must contain essentially argon to allow effective arc striking.
  • a plasma gas rich in argon can be easily ionized and lead to the formation of an absorbent plasma for the laser beam and therefore harmful for the quality of the weld because it reduces the depth of penetration of the beam, conversely, the shielding gas of the weld pool must mainly contain helium to avoid the formation of an absorbent plasma.
  • the object of the present invention is therefore to propose a hybrid arc-laser welding process which does not pose these problems, that is to say a hybrid arc-laser welding process, in particular plasma-laser arc, with effective ignition. and absence or near absence of formation of absorbent plasma.
  • the solution of the invention is then a hybrid arc-laser welding process of one or more metal parts to be welded by making at least one weld joint between edges to be welded carried by the said metal part or parts, said joint of welding being obtained by implementing at least one laser beam and at least one electric arc combining with one another so as to obtain a fusion then a subsequent solidification of the metal along said edges to be welded , in which the procedure is as follows: (a) ignition of at least one pilot arc between an electrode and a nozzle of a hybrid welding head, said electrode supplied with electric current and being brought into contact with a first gas introduced in said hybrid welding head, said first gas having a gaseous composition capable of promoting the ignition of the pilot arc, (b) subsequent transfer in step (a) of the pilot arc thus initiated towards the edges of the said piece or pieces to be welded,
  • the method of the invention may include one or more of the following technical characteristics:
  • the first gas forming the priming gas composition contains more than 50% by volume of argon, preferably from 70 to 100% by volume of argon.
  • the first gas forming the gaseous initiation composition contains, moreover, at least one additional non-oxidizing compound chosen from helium, H 2 , and N 2 in a content of 0.05 to 30 % in volume.
  • the second gas contains at least 40% by volume of helium, preferably from 50 to 100% by volume of helium.
  • the second gas also contains at least one additive compound chosen from argon, H 2 , 0 2 , C0 2 and N 2 in a content of 0.05 to 30% by volume.
  • the volume flow of the first gas (Ql) and the volume flow of the second gas (Q2) are adjusted such that: 2 ⁇ Q2 / Ql ⁇ 55. - the volume flow of the first gas (Ql) and the volume flow of the second gas
  • (Q2) are adjusted such that: 3 ⁇ Q2 / Ql ⁇ 50, preferably 10 ⁇ Q2 / Ql ⁇ 40.
  • step (c) the laser beam and the plasma arc are delivered, by being combined together, through the same orifice of a welding nozzle.
  • the gaseous protective atmosphere formed by a mixture of the first gas and the second gas obtained in step (c) contains helium and argon, the proportion by volume of helium being greater than the proportion by volume argon.
  • the parts to be welded have a thickness between 0.1 and 70 mm, preferably between 0.3 and 50 mm.
  • the part or parts to be welded are made of a metal or a metal alloy chosen from coated or uncoated steels, in particular joining steels, steels with high yield strength, carbon steels, steels with a zinc alloy layer on the surface, stainless steels, aluminum or aluminum alloys.
  • the protective gaseous atmosphere contains argon and more than 60% of helium and optionally one or more compounds chosen from Hz, 0 2 , C0 2 and N 2 .
  • step (b) the adjustment of the respective volume flow rates of said first and second gases is carried out during the transfer of step (b) or immediately after transfer of the pilot arc, preferably after the transfer of the pilot arc
  • the part to be welded is welded so as to obtain a tube.
  • the approximation of the welding head of the piece or pieces to be welded so as to create a plasma arc is effected after detection of a pilot arc, preferably said approximation is effected almost simultaneously with the sending of the atmosphere protective gas containing at least 50% by volume of helium in step (c).
  • the laser beam is emitted simultaneously or subsequently to the formation of the plasma arc so that said beam combines with the arc plasma.
  • the invention also relates to a method for manufacturing automobile body elements, in which parts forming elements of an automobile body are welded together by implementing a hybrid welding method according to the invention, as well as a method of manufacturing a welded tube, longitudinally or in a spiral, in which the edges of the tube are welded together by implementing a hybrid welding method according to the invention.
  • the gas mixture containing said first and second gas contains a proportion of the first gas such that a gaseous plasma from this gas is not formed in contact with the plasma of metallic vapors.
  • the invention is illustrated in the appended figure in which a part of a hybrid welding installation according to the invention is seen, usually comprising a gas laser oscillator (type C0 2 laser) producing a coherent high energy monochromatic beam 3. , an optical path equipped with reflecting mirrors making it possible to bring the laser beam 3 to a welding head situated opposite the tube to be welded.
  • a gas laser oscillator type C0 2 laser
  • the welding head conventionally comprises a lens or one or more focusing mirrors so as to focus the laser beam 3 at one or more focusing points in the thickness of the parts 10, 11 to be welded and at the joint plane 9 obtained by joining, edge-to-edge, lap or in another configuration, the edges of the parts to be assembled.
  • an arc plasma jet is obtained by means of an electrode 1 and a plasma gas 4.
  • the laser beam 3 and the plasma jet combine in the welding head so as to be expelled together through the single orifice of the nozzle 2 so as to locally concentrate enough power density to melt the edges of the parts to be welded.
  • This gaseous ignition composition originating from the source 4, is introduced into the welding head in the immediate vicinity and / or around the electrode 1 so as to effectively strike the pilot arc between said non-fusible electrode 1 and the nozzle 2. Then, when this pilot arc is struck, it is transferred to the parts to be welded together by being expelled through the single nozzle orifice 2 of the welding head.
  • the second gas is formed from pure helium or a gaseous mixture based on helium, which preferably contains from 50 to 100% by volume of helium, the remainder being argon, hydrogen, nitrogen, carbon dioxide, oxygen or any other suitable gas or gas mixture.
  • the invention in order to obtain efficient welding, that is to say that no harmful plasma is formed from the shielding gas in contact with the metal vapor plasma and therefore that no no adsorption of a large part of the laser beam 3, it is essential to control, adjust, regulate or choose the volume flow rate of the first gas (Ql with Ql not zero) and the volume flow rate of the second gas (Q2) so that we obtain a flow rate of the second gas significantly higher than that of the first gas (Q2> Q1).
  • the gas flow is managed by means of a conventional control box 6 so that, until a correct ignition is obtained, there is a supply of the welding head with plasma gas (4 ), while once the pilot electric arc has been detected by the control box 6, the latter controls a solenoid valve (not shown) which opens so as to deliver the shielding gas (5) to increase, for example , the helium content in the head so as to pass from a gaseous atmosphere containing mainly argon used to strike the pilot arc to a gaseous atmosphere containing mainly helium usable for welding.
  • the priming cycle is for example the following: - Opening of the valve (not shown) controlling the arrival of the plasma gas 4 around the electrode, for example a flow rate of approximately 5 l / min of argon.
  • a low amperage current is delivered between the electrode and the nozzle so as to generate a pilot arc and, when the pilot arc is detected, the welding head is brought closer to the parts to be welded so as to create the plasma of arc which is sent to the edges to be welded
  • a protective gas for example helium
  • the invention is applicable in particular to the welding of tubes, in axial or helical welding, or in butted flanks intended to constitute at least part of a vehicle body element.
  • the invention can be used to assemble by hybrid welding metal parts having equal or different thicknesses, and / or metallurgical compositions or identical or different metallurgical grades, and / or equal or different thicknesses.
  • the weld joint is often characterized by a difference in level between the upper planes of each of the parts to be welded, thus leading to the generation of a "step", but it is possible to also experience the opposite, namely the flanks type seals the tailored whose upper planes are aligned but the lower planes are not of the same level and where v market is located at the back of the weld joint.
  • the part or parts to be welded and the welding head are driven in a movement of movement relative to one another, that is to say either the part or parts are fixed and the welding head moves, the reverse.
  • the welding phase can be done in one or more passes, in particular according to the diameter and the thickness to be welded.

Landscapes

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Abstract

Procédé de soudage hybride arc-laser de pièces métalliques a souder, tel un tube ou des flancs raboutés (tailored blanks) par réalisation d'au moins un joint de soudure entre des bords à souder et par mise en oeuvre d'un faisceau laser et d'un arc électrique se combinant l'un à l'autre de manière à obtenir une fusion puis une solidification subséquente du métal le long desdits bords à souder, dans lequel on opère (a) un amorçage d'au moins un arc pilote entre une électrode et une tuyère d'une tête de soudage hybride, ladite électrode alimentée en courant électrique et étant mise au contact d'un premier gaz introduit dans ladite tête de soudage hybride, le dit premier gaz ayant une composition gazeuse apte a favoriser l'amorçage de l'arc pilote ; (b) un transfert subséquent à létape (a) de l'arc pilote ainsi amorce vers les bords de la ou desdites pièces à souder, et (c) une alimentation de ladite tête de soudage hybride avec un deuxième gaz de manière à obtenir une atmosphère gazeuse de protection formée d'un mélange du premier gaz et du deuxième gaz, ladite atmosphère gazeuse de protection étant expulsée vers la zone de soudage par ladite tête de soudage hybride et permettant de protéger au moins une partie de la zone de soudage durant le soudage du joint de soudure par combinaison du faisceau laser et de l'arc électrique, le débit volumique du premier gaz (Ql) et le débit volumique du deuxième gaz (Q2) étant ajustes tels que: 0< Ql < Q2, de préférence 2 < Q2 / Ql < 55.

Description

Procédé de soudage hybride laser-arc avec ajustage des débits de gaz
La présente invention concerne un procédé et une installation de soudage hybride combinant un faisceau laser et un arc électrique, en particulier un arc plasma, utilisant des gaz ou mélanges gazeux particuliers en tant que gaz d'amorçage de l'arc électrique et gaz d'assistance du faisceau laser, et son application au soudage de tubes ou de flancs raboutés (tailored blan s), notamment utilisables dans l'industrie automobile.
En soudage à l'arc plasma, opérer un amorçage correct et efficace de l'arc, en début d'une opération de soudage, est primordial et indispensable puisque, si l'amorçage ne se fait pas du tout, le soudage ne peut avoir lieu faute d'arc électrique, alors que s'il se fait de manière incorrecte, il peut en résulter des détériorations de certains éléments de la tête de soudage, par exemple de la tuyère.
Actuellement, il existe différentes façons de procéder pour obtenir l'amorçage d'un arc dans une torche à arc électrique, à savoir :
- amorçage par étincelle pilote résultant de la mise en œuvre soit d'une tension élevée , typiquement de 2000 à 5000 volts, soit d'une haute fréquence, par exempie de 10 à 50 kHz . Toutefois, cette façon de faire présente l'inconvénient d'être à l'origine de perturbations électromagnétiques par voie hertzienne ou par conduction, ce qui entraîne un risque de détérioration de matériel électrique ou électronique .
- amorçage par arc pilote avec création d'un arc électrique de faible puissance entre l'électrode et la tuyère de la torche. Cette technique présente l'avantage de n'entraîner aucune perturbation radioélectrique.
Dans les deux cas, lorsque l'arc est amorcé, celui-ci est ensuite transféré sur la ou les pièces à souder.
Cependant, quelle que soit la technologie retenue, l'amorçage de l'arc se fait préférentiellement dans un gaz à faible potentiel d'ionisation qui doit, par ailleurs, être neutre pour ne pas entraîner une contamination ou une détérioration de l'électrode ou bien réagir négativement avec le métal fondu.
Comme visible sur le tableau suivant, l'argon répond à ces conditions car il est neutre et présente un potentiel d'ionisation relativement faible et ce contrairement, à l'azote ou au C02 qui, bien qu'ayant des potentiels d'ionisation encore plus faibles, peuvent réagir avec le métal fondu avec par exemple formation de nitrures pour l'azote et détérioration de l'électrode en tungstène pour le C02.
Figure imgf000004_0001
En outre, en soudage à l'arc plasma, il est habituel d'utiliser des gaz plasmagènes contenant principalement de l'argon.
En d'autres termes, en soudage à l'arc plasma, on n'utilise de l'argon ou un gaz à base d'argon pour amorcer l'arc, puis ensuite pour réaliser l'opération de soudage proprement dite.
Par ailleurs, en soudage par faisceau laser, en particulier avec des sources laser de type gazeux CO, du fait des puissances spécifiques élevées mises en œuvre, en général de plusieurs kilowatts, la réalisation de la soudure repose sur des phénomènes de fusion localisée de la matière au point d'impact du faisceau laser où il se forme un capillaire rempli de vapeurs métalliques ionisées à haute température, appelé keyhole (trou de serrure). Les parois de ce capillaire sont formées de métal en fusion.
Ce capillaire a un rôle important car il permet de transférer l'énergie directement au cœur du matériau. Le bain de fusion ainsi formé et entretenu est déplacé progressivement entre les pièces à assembler, en fonction du déplacement relatif du faisceau laser par rapport aux pièces à souder, et le métal du joint de soudure se solidifie, après le passage du faisceau laser, en assurant l'assemblage jointif des pièces.
L'apparition du capillaire s'accompagne de la formation d'un plasma de vapeurs métalliques, c'est-à-dire d'un milieu gazeux ionisé, électriquement neutre et à une température de plusieurs milliers de degrés.
Le plasma de vapeurs métalliques résulte d'un bon couplage entre le faisceau laser et la pièce, et il est donc inévitable. Ce type de plasma absorbe une faible quantité de l'énergie incidente et n'engendre pas de modification notable de la largeur et de la profondeur du cordon de soudure.
Dans certaines conditions de puissance, vitesse, épaisseur, nature et composition du gaz, configuration..., le plasma de vapeurs métalliques transfert une partie de son énergie au gaz de protection utilisé pour protéger la zone de soudage d'une contamination de celle-ci par des impuretés atmosphériques, et il y a alors un risque de formation d'un autre plasma issu du gaz de protection.
Or, la création d'un tel plasma du gaz de protection peut absorber l'énergie du faisceau Jaser incident et, dans ce cas, le cordon de soudure devient plus large en surface et pénètre beaucoup moins dans l'épaisseur des pièces à souder. Pour remédier à la formation du plasma du gaz de protection, il faut utiliser un gaz à fort potentiel d'ionisation et il s'avère que l'hélium est le gaz le plus approprié pour limiter l'apparition de ce type de plasma.
Depuis quelques années, se développe en parallèle des procédés de soudage susmentionnés, un procédé de soudage appelé soudage hybride arc-laser basé sur une combinaison d'un faisceau laser et d'un arc électrique.
Des procédés de soudage hybrides arc et laser ont été décrits notamment dans les documents EP-A-793558 EP-A-782489 ; EP-A-800434 ; US-A-5,006,688 ; US-A- 5,700,989 ; EP-A-844042 ; Laser GTA'Weiding of aluminium alloy 5052, TP Diebold et CE Albright, 1984, p. 18-24 ; SU-A-1815085, US-A-4,689,466 ; Plasma arc augmented laser welding, RP Walduck et J. Biffin, p.172-176, 1994; ou ΗG or MIG arc augmented laser welding of thick mild steel plate, Joining and Materials, de J Matsuda et al., p. 31-34, 1988.
De façon générale, un procédé de soudage hybride plasma-laser, ou plus généralement laser-arc, est un procédé de soudage combiné ou mixte qui associe le soudage à l'arc électrique à un faisceau laser. Le procédé arc-laser consiste à générer un arc électrique entre une électrode, fusible ou non fusible, et la pièce à souder, et à focaliser un faisceau laser de puissance, notamment un laser de type YAG ou de type C02, dans la zone d'arc, c'est-à-dire au niveau ou dans le plan de joint obtenu par réunion bord-à-bord des parties à souder entre elles.
Un tel procédé hybride permet d'améliorer considérablement les vitesses de soudage par rapport au soudage laser seul ou au soudage à l'arc ou au plasma seul, et permet, en outre, d'accroître notablement les tolérances de positionnement des bords avant soudage ainsi que le jeu toléré entre les bords à souder, en particulier par rapport au soudage par faisceau laser seul qui exige une précision importante de positionnement des parties à souder à cause de la petite taille du point focal du faisceau laser.
La mise en œuvre d'un procédé de soudage hybride arc-laser requiert l'utilisation d'une tête de soudage qui permet de combiner le faisceau laser et son dispositif de focalisation, ainsi qu'une électrode de soudage adaptée. Plusieurs configurations de têtes sont décrites dans les documents ci-dessus mentionnés et l'on peut dire, en résumé, que le faisceau laser et l'arc électrique ou le jet de plasma peuvent être délivrés par une seule et même tête de soudage, c'est-à-dire qu'ils sortent par le même orifice, ou alors par deux têtes de soudage distinctes, l'une délivrant le faisceau laser et l'autre l'arc électrique ou le jet de plasma, ceux-ci se réunissant dans la zone de soudage, comme par exemple enseigné par les documents WO-A-01/05550 ou EP-A-1084789.
Les procédés hybrides arc-laser sont réputés parfaitement adaptés au soudage des flancs raboutés (ou tailored blanks) pour l'industrie automobile, car ils permettent d'obtenir un cordon de soudure bien mouillé et exempt de caniveaux, comme le rappelle les documents EP-A-782489 ou Laser plus arc equals power, Industrial Laser Solutions, February 1999, p.28-30.
Lors de la réalisation du joint de soudure, il est indispensable d'utiliser un gaz d'assistance pour assister le faisceau laser et protéger la zone de soudage des agressions extérieures et un gaz pour l'arc électrique, en particulier un gaz plasmagène servant à créer le jet de plasma d'arc dans le cas d'un procédé arc-plasma.
De là, on comprend aisément que, lorsque l'on couple une source laser avec un dispositif de soudage à l'arc plasma pour mettre en œuvre un procédé de soudage hybride arc plasma-laser, le problème ci-avant devient alors très complexe car il faut alors non seulement éviter la formation du plasma du gaz de protection au niveau du bain de fusion mais aussi pouvoir obtenir un amorçage correct de l'arc généré par l'électrode.
Comme expliqué précédemment, le gaz plasmagène doit contenir essentiellement de l'argon pour permettre un amorçage efficace de l'arc. Or, au contact du plasma de vapeur métallique généré par ('impact du faisceau laser sur le matériau à souder, un gaz plasmagène riche en argon peut être facilement ioniser et entraîner la formation d'un plasma absorbant pour le faisceau laser et donc néfaste pour la qualité de soudure car diminuant la profondeur de pénétration du faisceau. A l'inverse, le gaz de protection du bain de fusion doit contenir majoritairement de l'hélium pour éviter la formation d'un plasma absorbant.
Or, si l'extrémité de l'électrode se trouve entouré et au contact d'hélium en forte proportion, l'arc plasma ne pourra s'amorcer correctement.
Le but de la présente invention est alors de proposer un procédé de soudage hybride arc- laser ne posant pas ces problèmes, c'est-à-dire un procédé de soudage hybride arc- laser, en particulier arc plasma-laser, à amorçage efficace et absence ou quasi-absence de formation de plasma absorbant.
La solution de l'invention est alors un procédé de soudage hybride arc-laser d'une ou plusieurs pièces métalliques à souder par réalisation d'au moins un joint de soudure entre des bords à souder portés par la ou lesdites pièces métalliques, ledit joint de soudure étant obtenu par mise en œuvre d'au moins un faisceau laser et d'au moins un arc électrique se combinant l'un à l'autre de manière à obtenir une fusion puis une solidification subséquente du métal le long desdits bords à souder, dans lequel on opère comme suit : (a) amorçage d'au moins un arc pilote entre une électrode et une tuyère d'une tête de soudage hybride, ladite électrode alimentée en courant électrique et étant mise au contact d'un premier gaz introduit dans ladite tête de soudage hybride, ledit premier gaz ayant une composition gazeuse apte à favoriser l'amorçage de l'arc pilote, (b) transfert subséquent à l'étape (a) de l'arc pilote ainsi amorcé vers les bords de la ou desdites pièces à souder,
(c) alimentation de ladite tête de soudage hybride avec un deuxième gaz de manière à obtenir une atmosphère gazeuse de protection formée d'un mélange du premier gaz et du deuxième gaz, ladite atmosphère gazeuse de protection étant expulsée vers la zone de soudage par ladite tête de soudage hybride et permettant de protéger au moins une partie de la zone de soudage durant le soudage du joint de soudure par combinaison du faisceau laser et de l'arc électrique, le débit volumique du premier gaz (Ql) et le débit volumique du deuxième gaz (Q2) étant ajustés tels que : 0< Ql < Q2.
Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes :
- à l'étape (a), le premier gaz formant la composition gazeuse d'amorçage contient plus de 50% en volume d'argon, de préférence de 70 à 100 % en volume d'argon.
- à l'étape (a), le premier gaz formant la composition gazeuse d'amorçage contient, par ailleurs, au moins un composé additionnel non oxydant choisi parmi l'hélium, H2, et N2 en une teneur de 0.05 à 30% en volume.
- à l'étape (c), le deuxième gaz contient au moins 40% en volume d'hélium, de préférence de 50 à 100 % en volume d'hélium.
- à l'étape (c), le deuxième gaz contient, en outre, au moins un composé additif choisi parmi l'argon, H2, 02, C02 et N2 en une teneur de 0.05 à 30% en volume.
- le débit volumique du premier gaz (Ql) et le débit volumique du deuxième gaz (Q2) sont ajustés tels que : 2 < Q2 / Ql < 55. - le débit volumique du premier gaz (Ql) et le débit volumique du deuxième gaz
(Q2) sont ajustés tels que : 3 < Q2 / Ql < 50, de préférence 10 < Q2 / Ql < 40.
- à l'étape (c), le faisceau laser et l'arc plasma sont délivrés, en étant combinés ensemble, par le même orifice d'une buse de soudage.
- l'atmosphère gazeuse de protection formée d'un mélange du premier gaz et du deuxième gaz obtenue à l'étape (c) contient de l'hélium et de l'argon, la proportion volumique d'hélium étant supérieure à la proportion volumique d'argon.
- la ou les pièces à souder ont une épaisseur comprise entre 0,1 et 70 mm, de préférence entre 0,3 et 50 mm.
- là ou les pièces à souder sont des flancs raboutés (tailored blanks) formant des éléments d'une carrosserie automobile.
- la ou les pièces à souder sont en un métal ou un alliage métallique choisi parmi les aciers revêtus ou non-revêtus, en particulier les aciers d'assemblage, les aciers à haute limite élastique, les aciers au carbone, les aciers comportant en surface une couche d'alliage de zinc, les aciers inoxydables, les aluminium ou alliages d'aluminium.
- à l'étape (c), l'atmosphère gazeuse de protection contient de l'argon et plus de 60% d'hélium et éventuellement un ou plusieurs composés choisis parmi Hz, 02, C02 et N2.
- l'ajustage des débits volumiques respectifs desdits premier et deuxième gaz est opérée pendant le transfert de l'étape (b) ou immédiatement après transfert de l'arc pilote, de préférence après le transfert de l'arc pilote
- la pièce à souder est soudée de manière à obtenir un tube. - le rapprochement de la tête de soudage de la ou des pièces à souder de façon à créer un arc-plasma est opéré après détection d'un arc pilote, de préférence ledit rapprochement est opéré quasi-simultanément à l'envoi de l'atmosphère gazeuse de protection contenant au moins 50% en volume d'hélium à l'étape (c).
- le faisceau laser est émis simultanément ou subséquemment à la formation de l'arc plasma de manière à ce que ledit faisceau se combine avec le plasma d'arc.
L'invention concerne, par ailleurs, un procédé de fabrication d'éléments de carrosserie automobile, dans lequel des pièces formant des éléments d'une carrosserie automobile sont soudées ensemble par mise en œuvre d'un procédé de soudage hybride selon l'invention, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tube soudé, longitudinalement ou en spirale, dans lequel les bords du tube sont soudés ensemble par mise en œuvre d'un procédé de soudage hybride selon l'invention.
- le mélange de gaz contenant lesdits premier et deuxième gaz contient une proportion du premier gaz telle qu'il ne se forme pas un plasma gazeux issu de ce gaz au contact du plasma de vapeurs métalliques. L'invention est illustrée sur la figure annexée où l'on voit une partie d'une installation de soudage hybride selon l'invention comportant habituellement un oscillateur laser à gaz (laser de type C02) produisant un faisceau 3 monochromatique cohérent de haute énergie, un chemin optique équipé de miroirs de renvois permettant d'amener le faisceau laser 3 vers une tête de soudage située en regard du tube à souder.
La tête de soudage comprend classiquement une lentille ou un ou plusieurs miroirs de focalisation de façon à focaliser le faisceau 3 laser en un ou plusieurs points de focalisation dans l'épaisseur des pièces 10, 11 à souder et au niveau du plan de joint 9 obtenu par réunion, bord-à-bord, à clin ou dans une autre configuration, des bords des pièces à assembler.
En outre, un jet de plasma d'arc est obtenu au moyen d'une électrode 1 et d'un gaz plasmagène 4.
Le faisceau laser 3 et le jet de plasma se combinent dans la tête de soudage de manière à être expulsés ensemble par l'orifice unique de la tuyère 2 de façon à concentrer localement suffisamment de densité de puissance pour fondre les bords des pièces à souder.
Il a été mis en évidence par les inventeurs de la présente invention que, pour obtenir un amorçage efficace et assurer ensuite un soudage de qualité, il est nécessaire :
- durant la phase d'amorçage, d'utiliser en tant que premier gaz de l'argon pur ou un mélange gazeux contenant essentiellement de l'argon, typiquement de 70 à 100 % en volume d'argon et le reste pouvant être de l'hélium, de l'hydrogène ou tout autre gaz ou mélange de gaz non oxydant approprié. Cette composition gazeuse d'amorçage, provenant de la source 4, est introduite dans la tête de soudage à proximité immédiate et/ou autour de l'électrode 1 de façon à amorcer efficacement l'arc pilote entre ladite électrode 1 non-fusible et la tuyère 2. Ensuite, lorsque cet arc pilote est amorcé, il est transféré aux pièces à souder ensemble en étant expulsé par l'orifice unique de tuyère 2 de la tête de soudage. - au moment du soudage, de procéder à une alimentation additionnelle de la tête hybride avec un deuxième gaz, issu d'une source de gaz 5, de manière à obtenir un mélange des premier et deuxième gaz en un gaz de protection servant à. protéger le bain de métal en fusion résultant de la combinaison de l'arc plasma et du faisceau laser, c'est-à-dire le joint de soudure. Le deuxième gaz est formé d'hélium pur ou un mélange gazeux à base d'hélium, lequel contient préférentiellement de 50 à 100 % en volume d'hélium, le reste pouvant être de l'argon, de l'hydrogène, de l'azote, du dioxyde carbone, de l'oxygène ou tout autre gaz ou mélange gazeux approprié.
Cependant, selon l'invention, pour obtenir un soudage efficace, c'est-à-dire qu'il ne se forme pas de plasma néfaste issu du gaz de protection au contact du plasma de vapeur métallique et donc qu'il ne se produit pas d'adsorption d'une partie importante du faisceau laser 3, il est indispensable de contrôler, ajuster, réguler ou choisir le débit volumique du premier gaz (Ql avec Ql non nul) et le débit volumique du deuxième gaz (Q2) de sorte que l'on obtient un débit du deuxième gaz nettement supérieur à celui du premier gaz (Q2>Q1). La gestion des flux gazeux se fait au moyen d'un coffret de pilotage 6 classique de sorte que, jusqu'à l'obtention d'un amorçage correct, il s'opère une alimentation de la tête de soudage avec du gaz plasmagène (4), alors qu'une fois l'arc électrique pilote détecté par le coffret de pilotage 6, celui-ci commande une électrovanne (non montrée) qui s'ouvre de sorte de délivrer le gaz de protection (5) pour augmenter, par exemple, la teneur en hélium dans la tête de manière à passer d'une atmosphère gazeuse contenant majoritairement de l'argon utilisée pour amorcer l'arc pilote à une atmosphère gazeuse contenant majoritairement de l'hélium utilisable pour souder. Le cycle d'amorçage est par exemple le suivant : - ouverture de la vanne (non représentée) contrôlant l'arrivée du gaz plasmagène 4 autour de l'électrode, par exemple un débit d'environ 5 l/min d'argon.
- un courant de faible ampérage est délivré entre l'électrode et la tuyère de manière à générer un arc pilote et, lorsque l'arc pilote est détecté, la tête de soudage est rapprochée des pièces à souder de façon à créer le plasma d'arc qui est envoyé vers les bords à souder
- alimentation de la tête de soudage avec un gaz de protection, de l'hélium par exemple, à un débit de 20 l/min de façon à protéger le bain de fusion formé,
- émission du faisceau laser 3 et fixation de l'intensité de l'arc plasma à sa valeur de consigne de soudage.
L'Invention est applicable notamment au soudage de tubes, en soudage axial ou hélicoïdal, ou de flancs raboutés destinés à constituer au moins une partie d'un élément de carrosserie de véhicule.
L'invention peut être utilisée pour assembler par soudage hybride des pièces métalliques ayant des épaisseurs égales ou différentes, et/ou des compositions métallurgiques ou des nuances métallurgiques identiques ou différentes, et/ou des épaisseurs égales ou différentes.
De plus, suivant les méthodes et les préparations de soudage utilisées, le joint à souder se caractérise souvent par une différence de niveau entre les plans supérieurs de chacune des pièces à souder conduisant ainsi à la génération d'une "marche", mais on peut également rencontrer la situation inverse, à savoir des joints de type flancs raboutés dont les plans supérieurs sont alignés mais dont les plans inférieurs ne sont pas de même niveau et où la vmarche' est située à l'envers du joint à souder.
On trouve fréquemment ce genre de soudures dans l'industrie automobile où les pièces, une fois soudées, sont embouties pour leur donner leurs formes finales, par exemple les différentes pièces qui entrent dans la fabrication d'une carrosserie de voiture et notamment les portières, le toit, le capot, le coffre ou des éléments de structure de l'habitacle.
Bien entendu, dans tous les cas, la ou les pièces à souder et la tête de soudage sont animés d'un mouvement de déplacement relatif l'un par rapport à l'autre, c'est-à- dire soit la ou les pièces sont fixes et la tête de soudage se déplace, soit l'inverse.
Par ailleurs, il va de soi que la phase de soudage peut se faire en une ou plusieurs passes notamment suivant le diamètre et l'épaisseur à souder.

Claims

Revendications
1. Procédé de soudage hybride arc-laser d'une ou plusieurs pièces métalliques à souder par réalisation d'au moins un joint de soudure entre des bords à souder portés par la ou lesdites pièces métalliques, ledit joint de soudure étant obtenu par mise en œuvre d'au moins un faisceau laser et d'au moins un arc électrique se combinant l'un à l'autre de manière à obtenir une fusion puis une solidification subséquente du métal le long desdits bords à souder, dans lequel on opère :
(a) un amorçage d'au moins un arc pilote entre une électrode et une tuyère d'une tête de soudage hybride, ladite électrode alimentée en courant électrique et étant mise au contact d'un premier gaz introduit dans ladite tête de soudage hybride, ledit premier gaz ayant une composition gazeuse apte à favoriser l'amorçage de l'arc pilote,
(b) un transfert subséquent à l'étape (a) de l'arc pilote ainsi amorcé vers les bords de la ou desdites pièces à souder,
(c) une alimentation de ladite tête de soudage hybride avec un deuxième gaz de manière à obtenir une atmosphère gazeuse de protection formée d'un mélange du premier gaz et du deuxième gaz, ladite atmosphère gazeuse de protection étant expulsée vers la zone de soudage par ladite tête de soudage hybride et permettant de protéger au moins une partie de la zone de soudage durant le soudage du joint de soudure par combinaison du faisceau laser et de l'arc électrique, le débit volumique du premier gaz (Ql) et le débit volumique du deuxième gaz (Q2) étant ajustés tels que : 0< Ql < Q2.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'étape (a), le premier gaz formant la composition gazeuse d'amorçage contient plus de 50% en volume d'argon, de préférence de 70 à 100 % en volume d'argon.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'à l'étape (a), le premier gaz formant la composition gazeuse d'amorçage contient, par ailleurs, au moins un composé additionnel non oxydant choisi parmi l'hélium, H2, et l\l2 en une teneur de 0.05 à 30% en volume.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'à l'étape (c), le deuxième gaz contient au moins 40% en volume d'hélium, de préférence de 50 à 100 % en volume d'hélium.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'à l'étape (c), le deuxième gaz contient, en outre, au moins un composé additif choisi, parmi l'argon, H2, 02, C02 et N2 en une teneur de 0.05 à 30% en volume.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit volumique du premier gaz (Ql) et le débit volumique du deuxième gaz (Q2) sont ajustés tels que : 2 < Q2 / Ql < 55.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 6, caractérisé en ce que le débit volumique du premier gaz (Ql) et le débit volumique du deuxième gaz (Q2) sont ajustés tels que : 3 < Q2 / Ql < 50, de préférence 10 < Q2 / Ql < 40.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'à l'étape (c), le faisceau laser et l'arc plasma sont délivrés, en étant combinés ensemble, par le même orifice d'une buse de soudage.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse de protection formée d'un mélange du premier gaz et du deuxième gaz obtenue à l'étape (c) contient de l'hélium et de l'argon, la proportion volumique d'hélium étant supérieure à la proportion volumique d'argon.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la ou les pièces à souder ont une épaisseur comprise entre 0,1 et 70 mm, de préférence entre
0,3 et 50 mm.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la ou les pièces à souder sont des flancs raboutés formant des éléments d'une carrosserie automobile.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la ou les pièces à souder sont en un métal ou un alliage métallique choisi parmi les aciers revêtus ou non-revêtus, en particulier les aciers d'assemblage, les aciers à haute limite élastique, les aciers au carbone, les aciers comportant en surface une couche d'alliage de zinc, les aciers inoxydables, les aluminium ou alliages d'aluminium.
13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'à l'étape (c), l'atmosphère gazeuse de protection contient de l'argon et plus de 60% d'hélium et éventuellement un ou plusieurs composés choisis parmi H2, O2, CO2 et N2.
14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'ajustage des débits volumiques respectifs desdits premier et deuxième gaz est opérée pendant le transfert de l'étape (b) ou immédiatement après transfert de l'arc pilote, de , préférence après le transfert de l'arc pilote.
15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que la pièce à souder est soudée de manière à obtenir un tube.
16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le rapprochement de la tête de soudage de la ou des pièces à souder de façon à créer un arc-plasma est opéré après détection d'un arc pilote, de préférence ledit rapprochement est opéré quasi-simultanément à l'envoi de l'atmosphère gazeuse de protection contenant au moins 50% en volume d'hélium à l'étape (c).
17. Procédé selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que le faisceau laser est émis simultanément ou subséquemment à la formation de l'arc plasma de manière à ce que ledit faisceau se combine avec le plasma d'arc.
18. Procédé de fabrication d'éléments de carrosserie automobile, dans lequel des pièces formant des éléments d'une carrosserie automobile sont soudées ensemble par mise en œuvre d'un procédé de soudage hybride selon l'une des revendications 1 à 17.
19. Procédé de fabrication d'un tube soudé, longitudinalement ou en spirale, dans lequel les bords du tube sont soudés ensemble par mise en œuvre d'un procédé de soudage hybride selon l'une des revendications 1 à 17.
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