FR2755048A1 - Dispositif de soudage par faisceau laser - Google Patents

Abstract

Dispositif pour assembler par soudage bord à bord deux pièces métalliques (1, 2) en feuille, comprenant un support (4) pour maintenir ces deux pièces accostées l'une à l'autre, un faisceau à haute densité d'énergie, des moyens pour focaliser le faisceau sur la ligne de jonction (3) de deux pièces (1, 2) et des moyens pour créer un déplacement relatif entre le faisceau à haute densité d'inertie et les pièces à assembler. Le dispositif comporte deux faisceaux (7, 8, 9, 10) à haute densité d'énergie obtenus à partir d'une même source et d'un diviseur du faisceau initial.

Description

La présente invention concerne un dispositif de soudage par un faisceau laser. En particulier elle concerne le raboutage de deux tôles minces soudées bord à bord.

Le principe du soudage par un faisceau à haute densité d'énergie est bien connu et mis en oeuvre depuis plusieurs années par exemple dans la construction automobile pour la fabrication de pièces de carrosserie. La technologie utilisée aujourd'hui comporte des contraintes importantes car elle n'est efficace que si les pièces à rabouter sont maintenues pressées l'une contre l'autre et que si le faisceau est guidé de manière très précise le long du joint à réaliser.

Les machines utilisées sont donc relativement complexes car elles mettent en oeuvre des moyens de positionnement lourds et coûteux pour que la tache focale du rayonnement suive parfaitement le plan de joint des pièces à réunir.

Par la présente invention on entend rendre plus simple ce type de machine, en ce qui concerne les moyens de bridage et d'accostage des pièces, en autorisant moins de pression entre elles pour la réalisation d'une soudure aussi efficace et d'aussi bonne qualité. Il existe des tentatives dans ce sens. On connaît en effet des machines qui soudent au moyen d'un faisceau laser balayant transversalement le plan de joint. Ces machines sont malheureusement très lentes ; il en résulte des temps de fabrication prohibitifs. Par ailleurs, d'autres machines ont tenté d'augmenter la largeur de la tache focale, en défocalisant partiellement le faisceau à haute densité d'énergie. Les résultats obtenus pour être acceptables demandent une augmentation importante de l'énergie à fournir. En outre, une bonne précision du suivi du plan de joint par le faisceau reste encore nécessaire.

Le dispositif selon l'invention, permet de supprimer la nécessité d'accostage sous pression voire la nécessité de préparer très soigneusement les bords des tôles qui sont le gage d'une absence de jour entre elles lorsqu'elles sont accostées, ce au moyen d'un outil de découpe spécifique coûteux et d'entretien incessant. En effet il comprend un support pour maintenir ces deux pièces accostées l'une à l'autre, un faisceau à haute densité d'énergie, des moyens- pour focaliser le faisceau sur la ligne de jonction de deux pièces et des moyens pour créer un déplacement relatif entre le faisceau à haute densité d'énergie et les pièces à assembler dans lequel un diviseur d'un faisceau initial créera deux faisceaux à haute densité d'énergie à partir d'une même source.

On produit ainsi deux faisceaux qui sont focalisés en deux points distincts mais proches l'un de l'autre.

Contrairement à ce que l'on aurait dû constater, à puissance d'émission égale, on réalise une soudure satisfaisante bien que l'énergie focalisée à chaque point soit inférieure à l'énergie contenue dans la tache focale du faisceau non divisé. En effet, la soudure étant effectuée au moyen d'un faisceau divisé, les taches focales sont nécessairement proches l'une de l'autre si bien que l'énergie de l'une dissipée dans le métal au point focal participe, au moins partiellement, à l'échauffement du métal intéressé par l'autre tache focale. Il convient bien entendu que les taches focales ne soient pas trop éloignées l'une de l'autre. On a ainsi constaté que la distance de leur centre ne devait pas dépasser deux fois la largeur qu'aurait un bain de métal fondu obtenu par un faisceau unique d'énergie équivalente et une valeur optimale est égale à cette largeur.

Il existe plusieurs manières de diviser le faisceau : soit de diviser le miroir de focalisation en deux parties que l'on décale lune par rapport à l'autre, soit de faire intervenir, en amont de ce miroir, un miroir en forme de dièdre qui divise le faisceau en deux parties légèrement divergentes l'une de l'autre. Ces deux parties parviennent alors au miroir de focalisation (paraboloïde) selon une direction qui n'est plus strictement parallèle à l'axe du paraboloïde, ce qui entraîne une légère modification de la forme et de la surface de la tâche focale, de la répartition de l'énergie au sein de cette tâche ainsi qu'un écartement de la focalisation de ce faisceau par rapport au foyer de ce paraboloïde que l'on peut garder dans des limites acceptables du point de vue de la concentration nécessaire de l'énergie.

Dans le mouvement relatif du joint de tôle et des faisceaux, les taches focales peuvent être côte à côte ou l'une derrière l'autre. Si elles sont côte à côte, on pourra se permettre de tolérer un jour relativement important entre les tôles, la tension superficielle du bain assez large ainsi créé s'opposant à son effondrement. Dans le cas de taches focales successives, on peut augmenter la vitesse de soudage, l'une des taches formant préchauffage du métal avant l'action de l'autre.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après de quelques exemples de réalisation.

Il sera fait référence aux dessins annexés dans lesquels
- les figures 1 et 2 illustrent schématiquement l'action de deux faisceaux à haute densité d'énergie agissant simultanément pour le soudage de deux tôles bord à bord,
- les figures 3 à 6 sont des schémas illustrant trois manières de diviser un faisceau à haute densité d'énergie dans le dispositif de l'invention.

Aux figures 1 et 2 les tôles à rabouter portent les références 1 et 2. Elles définissent entre elles un joint 3 constitué par leur bord en contact mutuel. Ces tôles sont supportées par une table 4 et fixées à celle-ci par des moyens de bridage que représentent symboliquement les flèches 5. Le cas échéant, des moyens complémentaires sont prévus pour rapprocher les tôles l'une de l'autre et si nécessaire les maintenir pressées l'une contre l'autre.

En principe, le bridage selon l'invention peut se résumer à un simple maintien des tôles dont la seule fonction est de contenir la tendance à l'écartement (ouverture du joint) des bords de tôle en regard sous l'effet de la chaleur.

Une tête de soudage porte la référence 6. Elle est mobile par rapport aux tôles 1 et 2 le long du joint 3.

Ce mouvement relatif peut être obtenu par déplacement des tables 4 sous la tête fixe 6. Dans le cas de la figure 1, deux faisceaux 7 et 8 à haute densité d'énergie (laser) sortent côte à côte de la tête 6, vus dans le sens du mouvement relatif, de manière à être focalisés au voisinage du joint 3 de part et d'autre de celui-ci. Chacun d'eux provoque la fusion du métal qu'il rencontre, ce métal en fusion formant un bain qui rejoint le bain formé par le faisceau adjacent. La largeur de chaque bain est fonction de plusieurs paramètres, en particulier, de la quantité d'énergie apportée par chaque faisceau et de la vitesse relative de déplacement. Les bains réunis se solidifient et forment la soudure entre les deux tôles. Cette disposition présente plusieurs avantages. Sur le plan de l'énergie, on notera que la chaleur dissipée par la tôle au droit de chaque faisceau bénéficie pour partie à l'autre faisceau en échauffant la tôle concernée par ce dernier. Ainsi, à apport d'énergie égal, la dissipation en chaleur inefficace d'un faisceau unique est plus importante que celle de deux faisceaux. Par ailleurs en balançant la répartition de l'énergie entre les deux faisceaux on peut procéder à des réglages plus fins qu'avec un seul faisceau. On peut par exemple mieux prendre en compte des tôles à souder d'épaisseurs différentes.

Les faisceaux 9 et 10 issus de la tête 6 de la figure 2 sont placés l'un derrière l'autre dans le mouvement relatif des faisceaux et des pièces, à l'aplomb du joint 3 à réaliser. L'intérêt de cette disposition est par exemple de pouvoir à puissance utilisée sensiblement égale, gagner en vitesse d'exécution de la soudure et en pénétration, autorisant ainsi un soudage de tôles plus épaisses.

La création de deux faisceaux peut être réalisée de plusieurs façons différentes. Quatre d'entre elles sont illustrées par les figures 3 à 6.

A la figure 3, 11 représente la trace d'un paraboloïde dans le plan de la figure, d'axe 12 et de foyer 13. Un miroir de focalisation 14 possède deux parties 15 et 16. La partie 15 est confondue avec une portion de surface du paraboloïde qui dévie à environ 900 les rayons incidents parallèles à l'axe 12. La partie 16 est en fait un miroir obtenu par la translation parallèle à l'axe 12 d'une portion du miroir 15. La partition et le décalage des parties 15 et 16 du miroir peuvent être réalisés selon un plan P parallèle à l'axe 12 ou selon une surface cylindrique d'axe 12 dont la trace dans le plan de la figure est P.

Le foyer de la partie 16 du miroir est alors décalé d'autant et se situe en 17 sur l'axe 12.

Un faisceau 18, par exemple à haute densité d'énergie, parallèle à l'axe 12, parvenant à cheval sur les deux miroirs, est divisé en deux faisceaux 19 et 20 qui focalisent respectivement aux points 13 et 17. Le décalage axial des deux parties de miroir 15 et 16 permet d'agir sur la distance séparant les deux points de focalisation. I1 es.t aisé de répartir la quantité d'énergie envoyée sur chaque miroir 15 et 16 en décalant le faisceau par rapport à la surface de division du miroir.

A la figure 4, on a représenté, vu de face un autre mode de réalisation du diviseur du faisceau initial 18 qui est fondé également sur une séparation par un plan en deux parties 21 et 22 d'un miroir parabolique de focalisation, et d'un décalage de ces deux parties dans ce plan ici dans une direction orthogonale à l'axe 12 du paraboloïde. La partie 22 non décalée focalise un rayonnement parallèle à l'axe 12 au foyer 23 du paraboloïde. La partie 21 décalée focalise le rayonnement en un point 24 décalé du point 23. Un faisceau 25 incident sur les deux parties 21 et 22 donne naissance à deux points de focalisation dont ici aussi l'écartement dépend du décalage des deux portions de miroir 21 et 22.

La figure 5 enfin illustre une troisième manière possible de diviser un faisceau. Dans cet exemple, le faisceau est divisé en amont du miroir de focalisation 25 au moyen d'un miroir en forme de dièdre (ici saillant mais qui peut être rentrant) 26 qui donc divise le faisceau 27 en deux faisceaux 28 et 29. L'un 28 des faisceaux est parallèle à l'axe 30 du paraboloïde contenant le miroir 25.

Ce faisceau est donc focalisé au foyer 31 de ce paraboloïde. Le faisceau 29 est quant à lui non parallèle à l'axe 30. Le miroir 26 ne permet donc pas de le focaliser correctement. Il en résulte une tache 32 qui sera plus ou moins grande selon l'écart entre le faisceau 29 et le parallèle à l'axe 30. En équilibrant la divergence des faisceaux 28 et 29 autour d'une parallèle à l'axe 30 on peut obtenir deux pseudo-focalisations satisfaisantes pour le soudage.

Dans le cas des figures 3 et 4 le réglage de la répartition de l'énergie entre les deux portions de miroir est réalisée en agissant sur un miroir 33 situé en amont du miroir parabolique, miroir connu en lui-même dans tout générateur d'un faisceau laser focalisé. Il suffit en effet de pouvoir déplacer ce miroir par une translation selon la direction D pour faire varier l'endroit de l'impact du faisceau sur le miroir parabolique, donc la répartition de l'énergie entre les deux parties.

Dans le cas de la figure 5 ces réglages sont obtenus par action sur le miroir 26 en translation par rapport au faisceau incident 27. La direction de cette translation doit être telle que l'arête 26a du dièdre peut être déplacée par rapport à l'axe central du faisceau incident 27 pour engendrer une différence de quantité d'énergie reçue par l'une et l'autre des faces du miroir 26 dièdre.

Ce qui a été décrit ci-dessus en référence à des miroirs de focalisation est transposable sans sortir de l'invention à des lentilles de focalisation telles qu'elles existent aujourd'hui dans ce type de dispositifs à laser.

Un diviseur de faisceau est alors formé par une lentille de focalisation qui est coupée en deux parties décalées l'une par rapport à l'autre de sorte qu'un faisceau incident parvenant sur la lentille à cheval sur la surface de séparation donne naissance à deux faisceau focalisés. La surface de séparation sera parallèle à la direction du faisceau incident. La lentille est représentée à la figure 6 : ses deux parties 34 et 35 sont décalées le long d'une surface plane S et le faisceau incident 18 donne naissance à deux faisceaux 36 et 37.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Dispositif pour assembler par soudage bord à bord au moins deux pièces métalliques (1, 2) en feuille, comprenant un support (4) pour maintenir ces deux pièces accostées l'une à l'autre, un faisceau à haute densité d'énergie, des moyens pour focaliser le faisceau sur la ligne de jonction (3) de deux pièces (1, 2) et des moyens pour créer un déplacement relatif entre le faisceau à haute densité d'énergie et les pièces à assembler, caractérisé en ce qu'il comporte deux faisceaux (7, 8, 9, 10) à haute densité d'énergie obtenus à partir d'une même source et d'un diviseur du faisceau initial (18).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la division du faisceau initial (18) est obtenue au niveau du miroir parabolique (15, 16, 21, 22) de focalisation formé par deux parties d'un tronçon de paraboloïde (11) décalées l'un par rapport à l'autre par glissement sur une surface (P) parallèle à l'axe (12) du paraboloïde (11).

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la division du faisceau initial (18) est obtenue au niveau d'un miroir parabolique de focalisation formé par deux parties (21, 22) d'un tronçon de paraboloïde (11) décalées l'une par rapport à l'autre par glissement dans une direction perpendiculaire à l'axe (12) du parabo solde (11).

4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diviseur du faisceau initial est formé par deux parties 34, 35 d'une lentille de focalisation décalées l'une par rapport à l'autre le long d'une surface (S) sensiblement parallèle au faisceau incident (18).

5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diviseur est formé par un miroir (26) en forme de dièdre de renvoi du faisceau initial (27) en amont de l'organe de focalisation.

6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en amont du diviseur de faisceau un miroir (33), de répartition de l'énergie entre les deux parties du diviseur, réglable en position par rapport au faisceau initial.

7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dièdre (26) est de position réglable dans le faisceau initial (27).