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 oeuvre 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. Gaz Potentiel d'ionisation (eV) He 24, 46 Ar 15, 68 N2 15, 51 COz 14, 4

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 CO2, du fait des puissances spécifiques élevées mises en oeuvre, 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 capi'isire a un rô'e important car i ! permet de transférer''énergie directement au coeur du matériau. au coeur 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. laser 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'Welding of aluminium alloy 5052, TP Diebold et CE Alright, 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 TIG or MIG arc augmented laser welding of thick mild steel plate, Joiníng 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 oeuvre 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 oeuvre 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 l'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, rare 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 oeuvre 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 (Q1) et le débit volumique du deuxième gaz (Q2) étant ajustés tels que : 0< Q1 < 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 (Q1) et le débit volumique du deuxième gaz (Q2) sont ajustés tels que : 2 < Q2/Qt < 55.

- le débit volumique du premier gaz (Q1) et le débit volumique du deuxième gaz (Q2) sont ajustés tels que : 3 < Q2/Q1 < 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.

- la 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 H2, O2, CO2 et Nz.

- 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 oeuvre d'un procédé de soudage hybride selon !'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 oeuvre 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 COz) 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, Il 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.

II 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 f'hétium, 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 te 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 QI 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 I/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 I/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 er se caractérise sourvent 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 marche'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.