FR2731373A1 - Method for welding plates by laser beam for motor vehicle mfr. - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention a essentiellement pour objet un procédé de soudage de tôles par un faisceau laser. The main subject of the present invention is a method of welding sheets with a laser beam.
Elle vise également un assemblage de tôles soudées obtenu à l'aide de ce procédé. It also relates to an assembly of welded sheets obtained using this process.
On a déjà proposé depuis longtemps de souder les tôles métalliques à l'aide d'un appareil laser fonctionnant en mode continu ou pulsé et émettant un faisceau monochromatique de longueur d'onde pouvant aller de l'ultraviolet à l'infrarouge. It has already been proposed for a long time to weld metal sheets using a laser device operating in continuous or pulsed mode and emitting a monochromatic beam of wavelength which can range from ultraviolet to infrared.
Toutefois, la ligne de soudage des tôles est généralement de mauvaise qualité. En effet, les faces en regard des tôles et/ou leurs faces externes sont généralement recouvertes d'un revêtement de zinc dont la température de fusion est plus basse que celle de l'acier, de sorte que, lors du soudage, il se produit une vaporisation du zinc qui est préjudiciable à la qualité de la soudure. However, the welding line of the sheets is generally of poor quality. Indeed, the facing faces of the sheets and / or their external faces are generally covered with a zinc coating whose melting temperature is lower than that of steel, so that, during welding, it occurs vaporization of zinc which is detrimental to the quality of the weld.
Plus précisément, il se produit des bulles de vapeur de zinc occasionnant des cratères dans la ligne de soudure, ce qui évidemment nuit à l'esthétique et à la solidité de la ligne de soudure. De plus, le soudage engendre des projections de matière vers l'extérieur des tôles. Ces projections ont pour effet, d'une part, de diminuer la qualité du soudage par manque de matière (résistance mécanique faible de la soudure et non étanchéité du cordon), et de conférer à la soudure un aspect irrégulier. D'autre part, les projections de métal en fusion endommagent les optiques associées à l'appareil laser pour obtenir la focalisation du faisceau sur les tôles à souder. More specifically, there are bubbles of zinc vapor causing craters in the weld line, which obviously affects the aesthetics and the solidity of the weld line. In addition, welding generates material projections to the outside of the sheets. These projections have the effect, on the one hand, of reducing the quality of the welding by lack of material (low mechanical resistance of the welding and non-sealing of the bead), and of giving the welding an irregular appearance. On the other hand, splashes of molten metal damage the optics associated with the laser apparatus to obtain the focusing of the beam on the sheets to be welded.
Pour rémédier à ces inconvénients, il a été proposé de ménager un jeu entre les tôles pour favoriser l'évacuation des vapeurs de zinc lors du soudage. Toutefois, les moyens proposés pour réaliser un tel jeu et par exemple constitués par des cales ou bien par un cintrage sur toute la longueur des tôles, n'étaient pas satisfaisants. En effet, ces moyens étaient d'une mise en oeuvre compliquée, augmentaient le temps de travail sur les tôles, et nécessitaient des étapes intermédiaires. Ceci engendrait des coûts supplémentaires, ne permettait pas d'assurer la continuité des formes géométriques de l'assemblage des pièces à souder, et procurait un jeu entre les tôles qui était parfois trop important et donc susceptible de nuire à la qualité de la soudure et à la rigidité de l'assemblage des tôles soudées. To remedy these drawbacks, it has been proposed to provide a clearance between the sheets to promote the evacuation of zinc vapors during welding. However, the means proposed to produce such a clearance and for example constituted by shims or else by bending over the entire length of the sheets, were not satisfactory. Indeed, these means were of a complicated implementation, increased the working time on the sheets, and required intermediate steps. This generated additional costs, did not ensure continuity in the geometric shapes of the assembly of the parts to be welded, and provided a clearance between the sheets which was sometimes too great and therefore liable to adversely affect the quality of the weld and the rigidity of the assembly of the welded sheets.
Aussi, la présente invention a pour but de remédier à tous les inconvénients ci-dessus en proposant un procédé de soudage de tôles qui conduit à des assemblages de grande qualité et sans modification de la rigidité des pièces de tôle composant l'assemblage, c'est-à-dire sans modification de la continuité initiale des formes géométriques de ces pièces de tôles qui peuvent être planes mais également galbées. Also, the object of the present invention is to remedy all the above drawbacks by proposing a method for welding sheets which leads to high quality assemblies and without modifying the rigidity of the sheet metal parts making up the assembly, it that is to say without modification of the initial continuity of the geometric shapes of these sheet metal parts which can be planar but also curved.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de soudage de tôles par un faisceau laser et du type consistant à ménager un jeu entre les tôles à souder avant d'y appliquer ledit faisceau laser, caractérisé en ce qu'on réalise le jeu entre les tôles, avant soudage, par une opération d'emboutissage ou analogue sur au moins l'une des tôles pour créer une pluralité de bossages ou analogues ponctuels qui s'interposent entre les tôles superposées pour faciliter le départ des vapeurs dans l'intervalle entre les tôles lors du soudage par le faisceau laser. To this end, the subject of the invention is a method of welding sheets with a laser beam and of the type consisting in providing a clearance between the sheets to be welded before applying said laser beam to it, characterized in that the play between the sheets, before welding, by a stamping operation or the like on at least one of the sheets to create a plurality of bosses or punctual analogs which are interposed between the superposed sheets to facilitate the departure of the vapors in the gap between the sheets when welding with the laser beam.
On comprend donc déjà que l'espace ou le jeu nécessaire pour assembler les tôles peut être réduit au minimum, d'où un gain de matière et de masse pour par exemple la caisse d'un véhicule automobile utilisant des assemblage soudés selon le procédé de l'invention. It is therefore already understood that the space or the clearance required to assemble the sheets can be reduced to a minimum, hence a saving in material and mass for, for example, the body of a motor vehicle using welded assemblies according to the method of the invention.
Suivant une autre caractéristique de ce procédé, la création des bossages précités est réalisée simultanément au façonnage des tôles. According to another characteristic of this process, the creation of the abovementioned bosses is carried out simultaneously with the shaping of the sheets.
I1 n'y aura donc pas d'étapes intermédiaires ni coûts supplémentaires. There will therefore be no intermediate steps or additional costs.
On précisera encore ici que les bossages sont obtenus à l'aide d'inserts ou analogues disposés et répartis sur l'outil de façonnage ou de formage des tôles. It will also be specified here that the bosses are obtained using inserts or the like arranged and distributed over the tool for shaping or forming sheets.
Le procédé selon cette invention est encore caractérisé par le fait qu'on effectue le soudage suivant une ligne au droit des bossages lorsque ceux-ci présentent une dimension transversale moyenne inférieure à une valeur prédéterminée, ou bien suivant une ligne située en dehors des bossages lorsque ladite dimension est supérieure à cette valeur. The method according to this invention is further characterized by the fact that the welding is carried out along a line in line with the bosses when they have an average transverse dimension less than a predetermined value, or else along a line situated outside the bosses when said dimension is greater than this value.
La valeur prédéterminée en question est comprise entre environ 2 et 3 mm. The predetermined value in question is between approximately 2 and 3 mm.
Selon une autre caractéristique de ce procédé, les bossages précités sont répartis sur au moins une tôle suivant au moins une ligne. According to another characteristic of this process, the above-mentioned bosses are distributed over at least one sheet along at least one line.
Les bossages peuvent également être disposés en vis-àvis ou en quinconce. The bosses can also be arranged opposite or staggered.
La forme des bossages peut être une forme allongée, circulaire ou conique. The shape of the bosses can be an elongated, circular or conical shape.
Suivant un exemple de réalisation, les bossages peuvent présenter en section transversale une forme circulaire et posséder un diamètre compris entre environ 0,1 et 10 mm. According to an exemplary embodiment, the bosses can have a circular cross-section and have a diameter of between approximately 0.1 and 10 mm.
On ajoutera encore ici que si les tôles sont solidaires l'une de l'autre par un sertissage, on peut avantageusement compléter ce sertissage par un soudage à l'aide du faisceau laser précité. It will also be added here that if the sheets are secured to one another by a crimp, it is advantageous to complete this crimping by welding using the aforementioned laser beam.
Mais d'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels
- les figures 1, 2 et 3 illustrent respectivement, et en coupe verticale, trois modes de réalisation de répartition des bossages sur deux portions de tôle superposées et à souder par un faisceau laser
- la figure 4 illustre, en coupe verticale, la ligne de soudure sur deux tôles, formée après passage du faisceau laser sur une ligne de bossages ; et
- les figures 5, 6 et 7 illustrent schématiquement et en coupe transversale trois profils possibles pour deux tôles superposées et à souder en utilisant le procédé de l'invention, les tôles étant éventuellement galbées. However, other advantages and characteristics of the invention will appear better in the detailed description which follows and refers to the appended drawings, given solely by way of example, and in which
- Figures 1, 2 and 3 respectively illustrate, and in vertical section, three embodiments of distribution of the bosses on two superposed sheet metal portions and to be welded by a laser beam
- Figure 4 illustrates, in vertical section, the weld line on two sheets, formed after passage of the laser beam over a line of bosses; and
- Figures 5, 6 and 7 illustrate schematically and in cross section three possible profiles for two superimposed sheets and to be welded using the method of the invention, the sheets being optionally curved.
En se reportant aux figures 1 à 3 et 5 à 7, on voit deux tôles superposées, à savoir une tôle supérieure 1 et une tôle inférieure 2 comportant l'une et/ou l'autre des bossages ponctuels s'interposant entre les deux tôles lorsqu'elles sont plaquées l'une contre l'autre, pour créer un jeu 3 entre ces tôles qui est réduit au minimum mais qui permet, lors du soudage par un faisceau laser matérialisé schématiquement par la flèche F sur les figures, l'évacuation des vapeurs de zinc lors de la réalisation du soudage. En effet, comme expliqué au début de cette description, l'une ou les deux surfaces des tôles à assembler sont la plupart du temps recouvertes d'un revêtement de zinc. Referring to Figures 1 to 3 and 5 to 7, we see two superimposed sheets, namely an upper sheet 1 and a lower sheet 2 having one and / or the other point bosses interposed between the two sheets when they are pressed against each other, to create a clearance 3 between these sheets which is reduced to a minimum but which allows, during welding by a laser beam shown schematically by the arrow F in the figures, the evacuation zinc vapors during welding. Indeed, as explained at the beginning of this description, one or both surfaces of the sheets to be joined are most of the time covered with a zinc coating.
Suivant l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, c'est la tôle supérieure 1 qui est pourvue de bossages 4, alors que les faces extérieures 2a de la tôle inférieure 2 sont planes. According to the embodiment shown in Figure 1, it is the upper sheet 1 which is provided with bosses 4, while the outer faces 2a of the lower sheet 2 are flat.
Dans le mode de réalisation visible sur la figure 2, les faces externes la de la tôle supérieure 1 sont planes et lisses, tandis que la tôle inférieure 2 est pourvue de bossages ponctuels 5 en regard de la tôle supérieure 1. In the embodiment visible in FIG. 2, the external faces 1a of the upper sheet 1 are flat and smooth, while the lower sheet 2 is provided with point bosses 5 facing the upper sheet 1.
Mais, suivant un autre mode de réalisation illustré par la figure 3, les deux tôles superposées 1 et 2 peuvent comporter chacune et respectivement des bossages 4 et 5 pour créer le jeu 3 entre les deux tôles qui sera d'environ 0,1 à environ 0,5 mm, en fonction de l'épaisseur des tôles à assembler par le faisceau laser F. However, according to another embodiment illustrated in FIG. 3, the two superposed sheets 1 and 2 may each include bosses 4 and 5 respectively to create the clearance 3 between the two sheets which will be from approximately 0.1 to approximately 0.5 mm, depending on the thickness of the sheets to be joined by the laser beam F.
Les bossages 4, 5 peuvent avoir une forme allongée ou autre, telle que par exemple une forme circulaire ou conique. The bosses 4, 5 can have an elongated or other shape, such as for example a circular or conical shape.
Ainsi, dans le cas où les bossages 4, 5 présentent en section transversale une forme circulaire, leur diamètre peut être compris entre environ 0,1 et 10 mm.Thus, in the case where the bosses 4, 5 have a circular shape in cross section, their diameter can be between approximately 0.1 and 10 mm.
On précisera ici que les bossages 4, 5, constituant des déformations très localisées, peuvent être répartis sur l'une 1 et/ou l'autre tôle 2 suivant un nombre et une configuration quelconques. Ainsi, les bossages peuvent former une ou plusieurs lignes, et être disposés en vis-à-vis ou en quinconce. It will be specified here that the bosses 4, 5, constituting very localized deformations, can be distributed over one 1 and / or the other sheet 2 according to any number and configuration. Thus, the bosses can form one or more lines, and be arranged opposite or staggered.
On observera ici que la ligne de soudage effectuée par le faisceau laser F ne devra pas passer par l'axe d'alignement des bossages, au droit de ceux-ci, lorsque lesdits bossages auront un diamètre supérieur à environ 2-3 mm. En effet, dans ce cas là, la soudure sur les bossages conduirait à un jeu 3 nul entre les tôles 1 et 2, de sorte qu'on se trouverait en face des défauts mentionnés au début de cette description. It will be observed here that the welding line carried out by the laser beam F must not pass through the alignment axis of the bosses, to the right of these, when said bosses have a diameter greater than about 2-3 mm. Indeed, in this case there, the welding on the bosses would lead to a zero clearance 3 between the sheets 1 and 2, so that one would be in front of the defects mentioned at the beginning of this description.
Par contre, pour des bossages 4, 5 ayant des petits diamètres inférieurs à environ 2 - 3 mm, il est possible de souder en trait continu sur la ligne de bossages, car la longueur de soudage avec un jeu 3 nul est très faible. On the other hand, for bosses 4, 5 having small diameters less than about 2 - 3 mm, it is possible to weld in a continuous line on the line of bosses, because the weld length with zero clearance 3 is very small.
C'est ce que l'on voit sur la figure 4 notamment où le soudage par faisceau laser F a été effectué en suivant une ligne de bossages de petit diamètre pour, en quelque sorte, transformer ces bossages participant au soudage en une ligne de soudage 6. This is what is seen in FIG. 4 in particular where the laser beam welding F has been carried out by following a line of small diameter bosses in order, in a way, to transform these bosses participating in the welding into a welding line 6.
Les bossages 4, 5 constituant des déformations ponctuelles ou très localisées, peuvent être réalisés sur des tôles planes, comme on le voit bien sur les figures 1 à 4, ou bien sur des tôles galbées, comme cela est visible sur les figures 5 et 6, ces dernières figures n'illustrant que des exemples d'assemblage non limitatifs de la présente invention. The bosses 4, 5 constituting point or very localized deformations, can be produced on flat sheets, as can be seen in FIGS. 1 to 4, or on curved sheets, as can be seen in FIGS. 5 and 6 , these latter figures illustrating only non-limiting assembly examples of the present invention.
Sur la figure 5, les tôles 1 et 2 sont galbées suivant une direction perpendiculaire au cordon de soudure 7, les bossages 4 et 5 étant disposés comme sur la figure 3. In FIG. 5, the sheets 1 and 2 are curved in a direction perpendicular to the weld bead 7, the bosses 4 and 5 being arranged as in FIG. 3.
Sur la figure 6, les tôles 1 et 2 sont galbées comme précédemment, mais chacune peut comporter un bord d'extrémité replié 9 venant en contact avec l'autre tôle. Les bossages peuvent se trouver en 4 et 5 comme sur la figure 3 ou être disposés "en rive", c'est-à-dire au niveau des bords repliés 9, soit sous forme de bossages complets comme les bossages 4 et 5, soit sous forme de demi-bossages, comme montré en 9a. In Figure 6, the sheets 1 and 2 are curved as before, but each may have a folded end edge 9 coming into contact with the other sheet. The bosses can be located in 4 and 5 as in FIG. 3 or can be arranged "at the edge", that is to say at the level of the folded edges 9, either in the form of complete bosses such as bosses 4 and 5, or in the form of half-bosses, as shown in 9a.
Sur la figure 7, on voit que la tôle supérieure 1 comporte un bord d'extrémité replié 10 qui s'applique sur la tôle inférieure 2 qui, elle, est plane. In FIG. 7, it can be seen that the upper sheet 1 has a folded end edge 10 which is applied to the lower sheet 2 which, for its part, is planar.
On précisera ici que le cordon de soudure 7 visible sur les figures 5, 6 et 7 et reliant les tôles 1 et 2 passe en dehors des bossages 4 et 5. It will be specified here that the weld bead 7 visible in FIGS. 5, 6 and 7 and connecting the sheets 1 and 2 passes outside the bosses 4 and 5.
Revenant à la figure 7, on pourrait imaginer que le bord 10 de la tôle supérieure 1 soit serti avec un bord replié (non représenté) de la tôle inférieure 2. Dans ce cas là, il est non seulement possible de réaliser le soudage des tôles 1 et 2 suivant une ligne passant sur ou au voisinage de la ligne de bossages 4, mais aussi de compléter le sertissage en faisant passer, comme matérialisé par la flèche F' sur la figure 7, le faisceau laser F sur les sertis afin d'augmenter ainsi la rigidité des pièces en tôle, ce qui peut être utile lorsqu'il s'agit de réaliser les portes, la caisse, les parois de coffre ou le capot d'un véhicule. Returning to FIG. 7, one could imagine that the edge 10 of the upper sheet 1 is crimped with a folded edge (not shown) of the lower sheet 2. In this case, it is not only possible to weld the sheets 1 and 2 along a line passing over or in the vicinity of the line of bosses 4, but also to complete the crimping by passing, as materialized by the arrow F 'in FIG. 7, the laser beam F over the crimps in order to thus increasing the rigidity of sheet metal parts, which can be useful when it comes to making the doors, the body, the trunk walls or the hood of a vehicle.
I1 est important d'observer ici que les bossages 4, 5, sont, suivant l'invention, réalisés simultanément à l'opération de façonnage ou de formage des tôles 1, 2. It is important to observe here that the bosses 4, 5 are, according to the invention, produced simultaneously with the operation of shaping or forming the sheets 1, 2.
Ainsi, les bossages précités sont bruts d'emboutissage à moindre coût, sans étapes intermédiaires ou supplémentaires. Thus, the aforementioned bosses are rough stamping at lower cost, without intermediate or additional steps.
Pour ce faire, les outils ou les presses de formage des tôles 1, 2 à assembler sont équipés de petits inserts (non représentés) en acier très dur disposés en un nombre et suivant une configuration appropriée afin de réaliser les bossages 4, 5, pendant la frappe des outils. To do this, the tools or presses for forming sheets 1, 2 to be assembled are fitted with small inserts (not shown) made of very hard steel arranged in a number and in an appropriate configuration in order to produce the bosses 4, 5, during hitting tools.
I1 faut encore ajouter que, dans certains cas, il peut être nécessaire d'assurer un plaquage des tôles 1, 2, afin d'obtenir un jeu 3 constant et égal tout au long de la ligne de soudure. Dans ce but, on pourra utiliser des éléments conformateurs appropriés aux pièces à assembler et d'un type connu en soi. I1 must also add that, in certain cases, it may be necessary to ensure a plating of the sheets 1, 2, in order to obtain a constant and equal clearance 3 throughout the weld line. For this purpose, one can use shaping elements suitable for the parts to be assembled and of a type known per se.
On a donc réalisé suivant l'invention un procédé de soudage par faisceau laser et un assemblage de pièces obtenu par ce procédé, présentant les avantages essentiels suivants. A laser beam welding method and an assembly of parts obtained by this method have therefore been produced according to the invention, having the following essential advantages.
La prévision de bossages ponctuels sur l'une et/ou l'autre tôle permet d'assurer la continuité des formes géométriques de l'assemblage des pièces à souder sans en modifier la rigidité. I1 n'y a donc pas d'ondulations exagérées des bords de tôle à prévoir ni de rattrapage de jeux excessifs. The provision of specific bosses on one and / or the other sheet makes it possible to ensure the continuity of the geometric shapes of the assembly of the parts to be welded without modifying the rigidity thereof. I1 therefore there are no exaggerated undulations of the sheet metal edges to be expected, nor any excessive play.
L'espace ou jeu nécessaire pour assembler les pièces peut être réduit au minimum, d'où un gain de matière et de masse pour le véhicule devant être équipé d'assemblages des pièces soudées par le procédé. The space or clearance required to assemble the parts can be reduced to a minimum, thereby saving material and mass for the vehicle having to be equipped with assemblies of the parts welded by the process.
Les bossages sont réalisés simultanément au formage des pièces à souder, ce qui n'altère pas les coûts et ne nécessite pas d'étapes intermédiaires ou supplémentaires. The bosses are produced simultaneously with the forming of the parts to be welded, which does not alter the costs and does not require intermediate or additional steps.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. Of course, the invention is in no way limited to the embodiments described and illustrated which have been given only by way of example.
C'est ainsi que le nombre, la forme et la répartition des bossages sur l'une et/ou l'autre tôle à assembler peuvent être quelconques, de même que l'invention peut s'appliquer à des tôles non revêtues aussi bien qu'à des tôles revêtues de zinc. Thus, the number, the shape and the distribution of the bosses on one and / or the other sheet to be assembled can be any, just as the invention can be applied to uncoated sheets as well as '' zinc coated sheets.
C'est dire que l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. This means that the invention includes all the technical equivalents of the means described as well as their combinations if these are carried out according to the spirit.
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