Technique de soudage

Références

Bases du soudage

Le soudage est un processus d'assemblage de matériaux dans lequel deux ou plusieurs pièces sont fusionnées au niveau de leurs surfaces en contact grâce à l'application de chaleur et/ou de pression. Après avoir été assemblées, les surfaces à assembler, appelées surfaces de contact, se combinent et créent un lien fort. Les métaux sont les matériaux les plus fréquemment utilisés dans cette procédure ; cependant, les plastiques peuvent également être utilisés. Parfois, pour faciliter la coalescence, une substance de remplissage est introduite. La soudure est le terme utilisé pour décrire l’assemblage final d’éléments liés. Le soudage peut être effectué en utilisant uniquement de la chaleur, une combinaison de chaleur et de pression, ou encore en utilisant uniquement de la pression sans chaleur externe. Des techniques de soudage spécifiques peuvent être utilisées pour fusionner des métaux différents ; cependant, ils sont principalement utilisés pour assembler des parties formées du même métal.

Types de procédés de soudage

Les procédés de soudage peuvent être divisés en deux groupes principaux : le soudage à l'état solide et le soudage par fusion.

Soudage par fusion

Les procédés de soudage par fusion utilisent la chaleur pour faire fondre les métaux de base, souvent avec du métal d'apport ajouté pour améliorer le bain de fusion et renforcer la soudure. Lorsqu’aucun métal d’apport n’est utilisé, la soudure est dite autogène. Les techniques de soudage les plus populaires appartiennent à la catégorie de la fusion et sont souvent regroupées dans les catégories suivantes :

Soudage à l'arc (AW)

Le soudage à l'arc est un groupe de techniques de soudage dans lesquelles les métaux sont chauffés à l'aide d'un arc électrique, comme illustré ci-dessous. La plupart des procédures de soudage à l'arc utilisent un métal d'apport et certaines appliquent également une pression pendant le processus.

Références

Un arc électrique se produit lorsqu'un courant électrique circule dans un espace du circuit, provoquant l'ionisation thermique d'une colonne de gaz et l'entretien de l'arc. Lors du soudage à l'arc (AW), l'électrode entre brièvement en contact avec la pièce avant de se séparer rapidement pour générer l'arc. N'importe quel métal peut fondre sous l'effet de la chaleur extrême produite par cet arc, qui peut atteindre des températures allant jusqu'à 10,000 5500 °F (XNUMX XNUMX °C). La fusion du métal de base et, le cas échéant, du métal d'apport se combinent pour générer un bassin de métal en fusion à proximité de la pointe de l'électrode. Habituellement, ce métal d’apport est ajouté pour améliorer le volume et la résistance de la connexion soudée. Le bain de soudure fondu derrière l’électrode durcit à mesure qu’il se déplace le long du joint.

Le soudeur peut contrôler manuellement la position de l'électrode par rapport à la pièce à souder, ou utiliser des techniques mécaniques comme le soudage mécanique, robotisé ou automatique. Le temps d'arc, également appelé temps d'arc allumé, est le rapport entre le temps de soudage réel et le nombre total d'heures passées. Dans le soudage à l'arc manuel, la qualité de la soudure dépend grandement de la capacité et du dévouement du soudeur.

La durée de l'arc est calculée comme suit : (heures travaillées) / (heure d'activation de l'arc).

Les soudeurs individuels et les postes de travail automatisés peuvent bénéficier de cette idée. La durée de l'arc pour le soudage manuel est généralement d'environ 20 % car l'opération nécessite une coordination œil-main importante dans des conditions exigeantes, et les intervalles de repos sont importants pour éviter la fatigue. Cependant, en fonction de l'opération particulière, la durée de l'arc en soudage robotisé, automatique et mécanique peut atteindre environ 50 %.

Soudage par résistance (RW)

Le soudage par résistance, également connu sous le nom de soudage par résistance électrique (ERW), réalise la coalescence en appliquant la chaleur générée par la résistance électrique au flux de courant entre les surfaces en contact de deux composants maintenus ensemble sous pression. Les principaux composants impliqués dans le soudage par résistance sont illustrés dans la figure ci-dessous, illustrant une opération de soudage par points par résistance, qui est la méthode la plus couramment utilisée dans cette catégorie.

Ces composants se composent des pièces à souder (généralement des pièces en tôle), de deux électrodes opposées, d'un mécanisme pour appliquer une pression et serrer les pièces ensemble, et d'une alimentation CA qui fournit un courant contrôlé. Le processus crée une zone fusionnée entre les deux pièces, appelée pépite de soudure en soudage par points. Contrairement au soudage à l'arc, le soudage par résistance ne nécessite pas de gaz de protection, de flux ou de métal d'apport ; et les électrodes qui fournissent de l’énergie électrique ne sont pas consommables. Le soudage par résistance est considéré comme un type de soudage par fusion car la chaleur appliquée fait généralement fondre les surfaces en contact. Il existe cependant des exceptions. Certaines opérations de soudage par chauffage par résistance utilisent des températures inférieures aux points de fusion des métaux de base, empêchant ainsi la fusion de se produire.

Soudage au gaz oxycombustible (OFW)

Le soudage au gaz oxygaz (OFW) englobe une variété d'opérations de soudage qui utilisent différents carburants combinés avec de l'oxygène pour effectuer des tâches de soudage. La principale différence entre ces procédés réside dans le type de gaz utilisé. L'OFW est également couramment utilisé dans les chalumeaux coupants pour trancher et séparer les plaques métalliques et autres matériaux. Le procédé le plus important au sein de ce groupe est le soudage oxyacétylène.

Le soudage oxyacétylénique (OAW) est une technique de soudage par fusion qui utilise une flamme à haute température produite par la combustion d'acétylène et d'oxygène, dirigée par un chalumeau. Un métal d'apport peut être ajouté et parfois une pression est appliquée entre les surfaces en contact pendant le processus. Lorsque du métal d'apport est utilisé, il se présente généralement sous forme de tige, avec des diamètres allant de 1.6 à 9.5 mm (1/16 à 3/8 pouces). La composition du métal d'apport doit correspondre étroitement à celle des métaux de base. Souvent, la tige d'apport est enduite de flux pour nettoyer les surfaces et empêcher l'oxydation, ce qui permet d'obtenir un joint de soudure plus solide. L'acétylène (C2H2) est le combustible le plus apprécié du groupe OFW car il peut atteindre les températures les plus élevées, atteignant jusqu'à 3480 °C (6300 °F).

Soudage par faisceau d'électrons (EB)

Le soudage par faisceau d'électrons (EBW) est une méthode de soudage par fusion dans laquelle la chaleur est générée en dirigeant un flux intense et hautement concentré d'électrons sur la surface de travail. L'équipement utilisé dans l'EBW est similaire à celui utilisé dans l'usinage par faisceau d'électrons. Le canon à faisceau d'électrons fonctionne à des tensions élevées, généralement comprises entre 10 et 150 kV, pour accélérer les électrons, tandis que les courants du faisceau restent faibles, mesurés en milliampères. Bien que la puissance globale en EBW ne soit pas extraordinairement élevée, la densité de puissance est exceptionnellement significative. Cette densité de puissance élevée est obtenue en focalisant le faisceau électronique sur une très petite zone de la surface de travail.

Références

La densité de puissance (PD) en EBW peut être calculée à l'aide de la formule :

où PD représente la densité de puissance en W/mm² (convertible en Btu/sec-in² en divisant par 1055), f₁ est le facteur de transfert de chaleur (avec des valeurs typiques pour l'EBW allant de 0.8 à 0.95), E est la tension d'accélération en volts, I est le courant du faisceau en ampères et A est la surface de travail en mm². Les zones de soudure typiques pour l'EBW vont de 0.013 à 2.0 mm².

Soudage par faisceau laser

Dans le soudage au laser, également connu sous le nom de soudage par faisceau laser (LBW), les matériaux sont fondus à l'aide d'une source de chaleur laser concentrée, leur permettant de fusionner en refroidissant. En raison de la chaleur concentrée produite par le laser, le soudage peut être effectué à des vitesses élevées (mesurées en mètres par minute) pour des matériaux minces et peut produire des soudures étroites et profondes avec des pièces à bords carrés dans des matériaux plus épais.

Références

L'abréviation « laser » fait référence à l'amplification de la lumière par émission de rayonnement stimulé. L'usinage par faisceau laser est une autre application de cette technologie. Pour éviter l'oxydation, le soudage par faisceau laser est généralement réalisé à l'aide de gaz de protection tels que le dioxyde de carbone, l'argon, l'azote et l'hélium ; le métal d'apport n'est généralement pas inclus. Semblable au soudage par faisceau d'électrons, cette méthode permet d'obtenir des soudures de haute qualité avec une pénétration profonde et une zone affectée par la chaleur étroite. Par conséquent, les comparaisons entre le soudage par faisceau laser et le soudage par faisceau laser sont courantes.

Par rapport à l'EBW, le LBW présente quelques avantages : il n'a pas besoin d'une chambre à vide, ne libère pas de rayons X et ses faisceaux laser peuvent être concentrés et dirigés à l'aide de miroirs et de lentilles optiques. Mais contrairement à l'EBW, le LBW ne peut pas atteindre la même profondeur et des rapports profondeur/largeur élevés. Alors que l'EBW peut produire des profondeurs de soudure allant jusqu'à 50 mm (2 pouces), le soudage laser ne peut atteindre que des profondeurs de soudure maximales d'environ 19 mm (0.75 pouce). Dans le LBW, les rapports profondeur/largeur sont normalement limités à environ 5:1. Le LBW est largement utilisé pour l'assemblage de petits composants en raison de l'énergie hautement concentrée dans la zone étroite du faisceau laser.

Soudage à l'état solide

Le soudage à l'état solide englobe une gamme de techniques d'assemblage dans lesquelles la coalescence des surfaces d'assemblage est obtenue sans fusion, en utilisant une pression avec ou sans chaleur supplémentaire. Les procédures de soudage typiques de cette catégorie sont les suivantes :

Soudage par diffusion (DFW)

Le soudage par diffusion (DFW) consiste à maintenir deux surfaces ensemble sous pression à haute température, permettant aux pièces de fusionner par diffusion à l'état solide.

Références

Les températures utilisées sont nettement inférieures aux points de fusion des métaux, pouvant atteindre environ 0.5 T._m (température de fusion), avec une déformation plastique minimale au niveau des surfaces. Le principal mécanisme de liaison est la diffusion à l’état solide, où les atomes migrent à travers l’interface des surfaces en contact. DFW est souvent employé dans les industries aérospatiale et nucléaire pour assembler des métaux à haute résistance et réfractaires. Il convient à l'assemblage de métaux similaires et différents, avec une couche de métal d'apport souvent placée entre différents métaux de base pour améliorer la diffusion. Le processus de diffusion peut être long, prenant parfois plus d’une heure.

Soudage par friction-malaxage (FSW)

Le soudage par friction malaxage (FSW) est une technique de soudage à l'état solide dans laquelle un outil rotatif se déplace le long de la ligne de joint entre deux pièces, générant de la chaleur par friction et remuant mécaniquement le métal pour créer un cordon de soudure. Le processus tire son nom de l’action d’agitation ou de mélange impliquée. Contrairement au soudage par friction conventionnel (FRW), dans lequel les pièces elles-mêmes génèrent de la chaleur de friction, FSW utilise à cet effet un outil séparé résistant à l'usure.

L'outil utilisé dans FSW comporte un épaulement cylindrique et une sonde plus petite s'étendant en dessous. Pendant le soudage, l'épaulement frotte contre les surfaces supérieures des deux pièces, créant l'essentiel de la chaleur de friction, tandis que la sonde ajoute de la chaleur supplémentaire en mélangeant le métal le long de la ligne de joint. La conception de la sonde est optimisée pour améliorer cette action de mélange. La chaleur générée par la friction et le mélange ramollit le métal jusqu'à un état hautement plastique sans le faire fondre. Au fur et à mesure que l'outil avance le long du joint, le bord d'attaque de la sonde rotative pousse le métal ramolli autour de lui, forgeant le métal pour former un cordon de soudure. L'épaulement permet de contenir le métal plastifié autour de la sonde.

Références

Le FSW est largement utilisé dans des secteurs tels que l’aérospatiale, l’automobile, les chemins de fer et la construction navale. Les applications courantes incluent les joints bout à bout sur de grandes pièces en aluminium. Ce procédé peut également être utilisé avec des composites et des polymères, ainsi qu'avec d'autres métaux comme le titane, l'acier et le cuivre. Les avantages du FSW comprennent une faible distorsion ou un retrait, un aspect de soudure attrayant, d'excellentes qualités mécaniques du joint de soudure et l'élimination des fumées nocives, des déformations et des problèmes de blindage communs au soudage à l'arc. Le procédé présente néanmoins certains inconvénients, à savoir la nécessité d'un serrage fort des pièces et la création d'un trou d'échappement lors du retrait de l'outil.

Soudage par ultrasons (USW)

Le soudage par ultrasons (USW) consiste à appliquer une pression modérée entre les deux composants tout en utilisant un mouvement oscillant à des fréquences ultrasonores dans une direction parallèle aux surfaces en contact. Cette méthode de mouvement oscillatoire, fréquemment utilisée dans le soudage par recouvrement, décompose les revêtements de surface pour permettre un contact étroit et un lien métallurgique robuste entre les surfaces. Bien qu'un certain échauffement se produise en raison du frottement interfacial et de la déformation plastique, les températures restent bien en dessous du point de fusion, éliminant ainsi le besoin de gaz de protection, de métaux d'apport ou de flux.

Un transducteur ultrasonique est couplé à une sonotrode, qui transfère le mouvement oscillatoire à la pièce supérieure. Avec une amplitude comprise entre 0.018 et 0.13 mm (0.0007 à 0.005 pouces), ce transducteur transforme l'énergie électrique en mouvement vibratoire à haute fréquence, généralement compris entre 15 et 75 kHz. Il y a moins de déformation plastique puisque les pressions de serrage USW sont nettement inférieures à celles utilisées pour le soudage à froid. Il faut généralement moins d’une seconde pour terminer le processus de soudage.

Références

L'USW est principalement utilisé pour les joints à recouvrement sur des matériaux souples tels que l'aluminium et le cuivre. Le soudage de matériaux plus durs peut rapidement user la sonotrode. Les pièces à usiner doivent être relativement petites, avec des épaisseurs de soudage typiques inférieures à 3 mm (1/8 pouce). Les applications incluent les terminaisons de fils et l'épissage dans les industries électriques et électroniques, éliminant ainsi le besoin de soudure, d'assemblage de panneaux en tôle d'aluminium, de soudage de tubes aux feuilles de panneaux solaires et de diverses tâches d'assemblage de petites pièces.

Automatisation du soudage

En raison des risques associés au soudage manuel et du désir d’améliorer la productivité et la qualité des produits, différentes formes de mécanisation et d’automatisation ont vu le jour. Ces catégories comprennent le soudage mécanique, le soudage automatique et le soudage robotisé.

Le soudage à la machine est le terme désignant le soudage mécanisé utilisant un équipement qui fonctionne sous la surveillance constante d'un travailleur. Habituellement, un ouvrage fixe est déplacé par rapport à une tête de soudage qui est déplacée mécaniquement, ou l'ouvrage est déplacé par rapport à une tête de soudage fixe. Pour superviser l’opération, un travailleur humain doit constamment surveiller et communiquer avec les machines.

Lorsque les machines peuvent accomplir la tâche sans intervention humaine, on parle de soudage automatique. Habituellement, un travailleur humain est présent pour superviser la procédure et identifier les écarts par rapport aux procédures opérationnelles standard. L'utilisation d'un contrôleur de cycle de soudage pour contrôler le mouvement de l'arc et l'emplacement de la pièce sans surveillance humaine constante distingue le soudage automatisé du soudage mécanique. Pour le soudage automatique, la pièce doit être positionnée par rapport à la tête de soudage à l'aide d'un appareil de soudage et/ou d'un positionneur. De plus, cela nécessite plus de précision et d’uniformité dans les éléments composants entrant dans le soudage. En raison de ces facteurs, le soudage automatique n’est viable que dans le cadre d’une production en grand volume.

Un robot industriel ou un manipulateur programmé est utilisé dans le soudage robotisé pour contrôler de manière autonome le mouvement de la tête de soudage par rapport au travail à effectuer. En raison de la portée adaptable du robot et de sa capacité à être reprogrammé pour différentes configurations de pièces, cette méthode d'automatisation peut être justifiée pour des quantités de production relativement petites, même avec des montages relativement simples. Deux montages de soudage et un installateur humain qui charge et décharge les articles pendant que le robot soude constituent une cellule de soudage à l'arc robotisée standard. Les entreprises d'assemblage final d'automobiles utilisent des robots industriels non seulement pour le soudage à l'arc mais aussi pour le soudage par résistance des carrosseries de voitures.

Le joint de soudure

Il existe cinq types fondamentaux d’assemblages utilisés pour assembler deux pièces en vue de leur assemblage. Ces types de joints sont applicables non seulement au soudage mais également à d’autres méthodes d’assemblage et de fixation. Les cinq types de joints sont définis comme suit :

Joint bout à bout : Dans ce type de joint, les pièces sont alignées dans un même plan et jointes au niveau de leurs bords.

Joint d'angle : Les pièces forment un angle droit et sont jointes au coin.

Joint à recouvrement : Ce joint implique deux parties qui se chevauchent.

Joint en T : une partie est positionnée perpendiculairement à l'autre, ressemblant à la forme de la lettre « T ».

Joint de bord : Les pièces sont parallèles à au moins un bord commun, et le joint est réalisé le long de ce bord.

Types de soudures

Chacun des joints mentionnés ci-dessus peut être formé par soudage. Il est important de faire la différence entre le type de joint et la méthode utilisée pour le souder, appelée type de soudure. Les variations entre les types de soudure résident dans leur géométrie (type de joint) et le procédé de soudage utilisé.

Soudure d'angle

Comme on peut le voir ci-dessous, une soudure d'angle est utilisée pour remplir les bords des plaques formées par des joints en T, à recouvrement et en coin. Pour créer une section transversale qui ressemble approximativement à un triangle rectangle, on utilise du métal d'apport. Comme il suffit d'utiliser les bords carrés fondamentaux des pièces pour la préparation des bords, il s'agit du type de soudure le plus populaire dans le soudage à l'arc et au gaz oxygéné. Il est possible que les soudures d'angle soient simples, doubles, continues ou intermittentes, c'est-à-dire qu'elles soient soudées en continu sur toute la longueur du joint ou avec des espaces non soudés entre les deux.

Soudures sur rainures

Les soudures sur rainure nécessitent généralement de façonner les bords des pièces en rainure pour améliorer la pénétration de la soudure. Ces rainures peuvent être de forme carrée, biseautée, en V, en U ou en J, et elles peuvent être appliquées sur un ou sur les deux côtés, comme illustré ci-dessous. Le métal d'apport, généralement appliqué par soudage à l'arc ou par oxycoupage, remplit le joint. Bien que cette préparation des bords nécessite davantage de traitement au-delà du bord carré de base, elle est souvent effectuée pour renforcer le joint soudé ou lors du soudage de pièces plus épaisses. Bien que les soudures sur rainure soient le plus souvent associées aux joints bout à bout, elles sont utilisées dans tous les types de joints, à l'exception des joints à recouvrement.

Soudures en bouchon et soudures en fente

Des soudures en bouchon et des soudures en fente sont utilisées pour assembler des plaques plates. Ce processus consiste à créer un ou plusieurs trous ou fentes dans la plaque supérieure, qui sont ensuite remplis de métal d'apport pour fusionner les deux pièces.

Les soudures par points et les soudures continue sont couramment utilisées pour les joints à recouvrement. Une soudure par points implique une petite zone fusionnée entre les surfaces de deux feuilles ou plaques, avec plusieurs soudures par points souvent nécessaires pour assembler efficacement les pièces. Cette technique est le plus souvent associée au soudage par résistance. Une soudure continue est similaire à une soudure par points mais consiste en une section fusionnée continue ou presque continue entre les deux feuilles ou plaques.

Soudures de brides

Les soudures de brides et les soudures de surface sont illustrées ci-dessous. Une soudure de bride est créée sur les bords de deux pièces ou plus, généralement une tôle ou une plaque mince. En revanche, une soudure de surfaçage n'est pas destinée à assembler des pièces mais à déposer du métal d'apport sur la surface d'une pièce de base à l'aide d'un ou plusieurs cordons de soudure. Ces cordons de soudure peuvent être appliqués dans une série de passes parallèles superposées, couvrant de grandes zones de la pièce de base pour augmenter son épaisseur ou fournir un revêtement de surface protecteur.

Physique du soudage

Une énergie thermique à haute densité est transmise aux surfaces qui doivent fusionner, entraînant une fusion localisée des métaux de base pour réaliser la fusion. La chaleur doit également être suffisamment élevée pour faire fondre tout métal d’apport utilisé. La densité de puissance (W/mm² ou Btu/sec-in²) est l'unité de mesure utilisée pour décrire la densité thermique. Elle est inversement proportionnelle à la densité de puissance pour déterminer le temps de fusion. Les faibles densités de puissance entraînent une fusion plus lente car la chaleur disparaît dès qu'elle est ajoutée, évitant ainsi la fusion. La plupart des métaux peuvent fondre pendant le soudage avec une densité de puissance minimale d'environ 10 W/mm² (6 Btu/sec-in²). Le temps de fusion diminue à mesure que la densité thermique augmente. Cependant, le métal se vaporise en raison de températures élevées si la densité de puissance dépasse environ 10⁵ W/mm³ (60,000 XNUMX Btu/sec-in³). Pour que le soudage soit efficace, la densité de puissance doit être maintenue dans une certaine plage. La vitesse de soudage et la taille de la région soudable sont affectées par les variations des méthodes de soudage.

Bien que le soudage au gaz combustible à l’oxygène produise beaucoup de chaleur, il a une faible densité car il couvre une grande région. L'oxyacétylène, le combustible OFW le plus chaud, brûle à environ 3500 6300 °C (10,000 12,000 °F). En revanche, le soudage à l'arc atteint des températures locales comprises entre 5500 6600°F et XNUMX XNUMX°F (ou XNUMX XNUMX°C à XNUMX XNUMX°C) tout en fournissant une énergie considérable sur une zone plus petite. Des densités de puissance élevées sont souvent plus souhaitables car il est préférable, d'un point de vue métallurgique, de fondre le métal avec le moins d'énergie possible.

La densité de puissance est calculée comme la puissance entrant dans la surface divisée par la surface :

PD = P/A

où PD est la densité de puissance (W/mm² ou Btu/sec-in²), P est la puissance entrant dans la surface (W ou Btu/sec) et A est la surface sur laquelle l'énergie est appliquée (mm² ou in²). Ce calcul est compliqué par des facteurs tels que le mouvement de la source d'énergie (par exemple, l'arc de soudage), qui préchauffe la zone située devant et postchauffe la zone située derrière. De plus, la densité de puissance n’est pas uniforme sur la surface affectée et varie selon la zone.

Références

Groover, MP, 2010. Fondamentaux de la fabrication moderne : matériaux, processus et systèmes. 4e éd. Hoboken, New Jersey : John Wiley & Sons, Inc.