Le soudage par résistance (RW) englobe une gamme de techniques de soudage par fusion qui permettent d'obtenir une coalescence grâce à un mélange de chaleur et de pression. La chaleur est produite au niveau de la jonction qui doit être soudée par une résistance électrique au passage du courant. Les principaux éléments du soudage par résistance sont présentés dans la figure ci-dessous pour la méthode la plus populaire du groupe, une opération de soudage par points par résistance. Les pièces à souder (souvent des pièces en tôle), deux électrodes opposées, un moyen de presser les pièces entre les électrodes et une source d'alimentation CA pouvant appliquer un courant contrôlé sont les composants. Lors du soudage par points, le processus crée une zone fusionnée entre les deux composants appelée pépite de soudure.
Le soudage par résistance ne nécessite pas de gaz de protection, de flux ou de métal d'apport comme le soudage à l'arc, et les électrodes qui transportent l'énergie électrique ne sont pas consommables. Le soudage par résistance est classé comme soudage par fusion car les surfaces de contact fondent pratiquement invariablement lorsque de la chaleur est appliquée. Il existe cependant certaines exceptions. Afin d'éviter la fusion, certaines techniques de soudage par résistance utilisent des températures inférieures aux points de fusion des métaux de base.
Le processus de soudage par résistance implique plusieurs variables clés, telles que les propriétés de l'électrode, le courant de soudage, la force de l'électrode et la durée du courant. Le soudage par résistance est un procédé de soudage efficace et rapide car il nécessite un courant qui peut être dix à cent fois supérieur à celui du soudage à l'arc, bien que le temps de soudage réel soit généralement inférieur à une seconde.
Source d’énergie et production de chaleur en RW
Dans le soudage par résistance (RW), la résistance du circuit, le flux de courant et la durée de l'application du courant affectent tous l'énergie thermique requise pour le soudage. L'expression mathématique suivante représente cette relation :
H = je2 Rt
où �� est la chaleur générée en joules (pour convertir en Btu, divisez par 1055) ; �� est le courant en ampères ; �� est la résistance électrique en ohms ; et �� est le temps en secondes.
Les procédés de soudage par résistance impliquent souvent des courants très élevés (5000 à 20,000 10 A) avec des tensions relativement faibles (généralement inférieures à 0.1 V). Dans la plupart des procédures, la durée du courant (t) est faible ; par exemple, dans une opération de soudage par points standard, elle peut durer de 0.4 à 0.0001 seconde. Étant donné que la résistance dans RW est très faible (environ XNUMX V) et que la partie au carré de l'équation ci-dessus amplifie l'effet du courant, un courant important est utilisé. La combinaison des résistances des pièces, des électrodes, des résistances de contact entre les électrodes et les pièces, et de la résistance de contact des surfaces d'alimentation entraîne une résistance dans le circuit de soudage. Par conséquent, de la chaleur est produite dans chacune de ces zones de résistance électrique. Étant donné que le site préféré de la soudure se trouve au niveau des surfaces de contact, il est optimal qu'elles aient la plus grande résistance de la somme. L'utilisation de métaux comme le cuivre, qui ont des résistivités extrêmement faibles, réduit la résistance des électrodes. Pour dissiper la chaleur produite, les électrodes sont souvent refroidies à l'eau. Les résistances des pièces à usiner sont déterminées par l'épaisseur de la pièce et les résistivités des métaux de base. La taille, la forme et les surfaces de contact de l'électrode, ainsi que les conditions de surface (comme l'encrassement de l'électrode et la propreté des surfaces de travail), déterminent les résistances de contact entre les électrodes et les pièces.
En fin de compte, la finition de surface, les conditions d'hygiène, la surface de contact et la pression affectent tous la résistance des surfaces en contact. Il ne doit pas y avoir d'impuretés pour séparer les surfaces en contact, telles que de la peinture, de l'huile ou de la saleté.
La pression est tout aussi importante que la chaleur pour le succès du soudage par résistance. En soudage par résistance (RW), les principaux objectifs de la pression sont de presser les surfaces de contact l'une contre l'autre pour obtenir une coalescence une fois que la température de soudage correcte a été atteinte et de forcer le contact entre les deux surfaces de travail et les électrodes avant que le courant ne soit appliqué.
Avantages et inconvénients du soudage par résistance
Le soudage par résistance est une option courante pour les applications industrielles en raison de ses nombreux avantages. Son efficacité et sa rapidité, qui permettent des cadences de production importantes, sont deux atouts majeurs. Les métaux d'apport ne sont pas nécessaires pour le processus et, comme la chaleur est localisée, il y a moins de risque de flexion des composants adjacents. Le soudage par résistance est également excellent pour l’automatisation, ce qui le rend parfait pour la fabrication à grande échelle. Parce que la chaleur peut être régulée avec précision, les soudures résultantes sont robustes, exactes et précises. Cette approche est également plus rentable car elle nécessite moins de travaux de finition et moins d’énergie que bien d’autres, et elle est plus sûre que bien d’autres car elle n’émet ni fumées ni étincelles.
Le soudage par résistance présente cependant plusieurs inconvénients. Certaines opérations peuvent avoir des difficultés à obtenir l’équipement nécessaire car il est souvent coûteux et spécialisé. Il limite les types de métaux pouvant être soudés en travaillant uniquement avec des matériaux présentant une résistance électrique élevée. En raison de la chaleur confinée, les grosses pièces sont difficiles à souder et un alignement précis des composants est essentiel pour éviter des joints faibles. Une dilatation ou une contraction inégale des matériaux induite par la chaleur peut entraîner une distorsion, ce qui peut potentiellement constituer un problème. Le soudage par résistance reste une technologie utile dans de nombreux contextes de fabrication, malgré ces difficultés.
Principaux procédés de soudage par résistance
Les trois principaux procédés de soudage par résistance d'importance commerciale sont le soudage par points par résistance (RSW), le soudage par cordons par résistance (RSEW) et le soudage par projection (RPW).
Soudage par points par résistance (RSW)
Le soudage par points par résistance (RSW) est la méthode la plus courante de sa catégorie et est largement utilisée dans la fabrication de masse d'appareils électroménagers, de voitures, de meubles métalliques et d'autres produits en tôle. L'importance économique du soudage par points par résistance apparaît clairement si l'on considère qu'une carrosserie automobile moyenne comporte environ 10,000 XNUMX points de soudure et que la production annuelle d'automobiles atteint des dizaines de millions dans le monde.
Le soudage par points par résistance (RSW) est une méthode de RW dans laquelle des électrodes opposées fusionnent les surfaces de contact d'un joint à recouvrement en un seul endroit. Cette méthode est appliquée aux composants en tôle d'une épaisseur de 3 mm (0.125 po) ou moins lorsqu'un assemblage étanche à l'air n'est pas nécessaire. Une séquence de soudures par points est utilisée pour assembler les composants. Bien que les électrodes rondes soient la forme d'électrode la plus fréquente, des formes carrées, hexagonales et autres peuvent également être utilisées, la pointe de l'électrode détermine la taille et la forme du point de soudure.
Le diamètre de la pépite de soudure obtenue est généralement compris entre 5 et 10 mm (0.2 et 0.4 po) et les métaux de base se trouvent légèrement au-delà de la pépite, là où s'étend la zone affectée par la chaleur. La résistance de la soudure doit être comparable à celle du métal environnant si elle est réalisée correctement. La figure suivante illustre les étapes d'un cycle de soudage par points.
Deux catégories principales de matériaux sont utilisées pour fabriquer des électrodes RSW : les alliages à base de cuivre et les compositions de métaux réfractaires, comme le cuivre et le tungstène. La plus grande résistance à l'usure du deuxième groupe est bien connue. Dans le soudage par points, comme dans la plupart des processus de production, l'outillage vieillit progressivement avec l'utilisation. Les électrodes sont fabriquées avec des passages de refroidissement à eau internes si possible. Le soudage par points peut être effectué avec une variété d'outils et de techniques en raison de son utilisation industrielle intensive. L'appareil se compose de pistolets de soudage par points portables ainsi que de machines de soudage par points de type presse et culbuteur. Les soudeuses par points à culbuteur comprennent une électrode supérieure qui est mobile et peut être levée et abaissée pour faciliter le travail de chargement et de déchargement. L'électrode inférieure reste fixe. L'électrode supérieure est fixée à un culbuteur - d'où le nom - dont le mouvement est géré par la pédale du travailleur.
La force et le courant tout au long du cycle de soudage peuvent être contrôlés par programmation dans un équipement moderne. Les soudeurs par points avec presses sont destinés aux travaux plus lourds. Une presse verticale entraînée par une énergie hydraulique ou pneumatique produit un mouvement en ligne droite pour l'électrode supérieure. Des forces plus importantes peuvent être utilisées grâce à l'action de la presse, et des cycles de soudage compliqués peuvent généralement être programmés à l'aide des commandes. La tâche est portée aux deux types de machines précédents, qui sont tous deux des soudeuses par points fixes. Il est difficile de transférer et de positionner la pièce dans une machine stationnaire pour des tâches massives et lourdes. Les pistolets de soudage par points portables sont disponibles dans une gamme de tailles et de combinaisons pour s'adapter à ces situations. Deux électrodes opposées maintenues dans un mécanisme de pince composent ces dispositifs. Chaque objet étant léger, un robot industriel ou un travailleur humain peut le saisir et le faire fonctionner. Des câbles électriques flexibles et des tuyaux d'air sont utilisés pour relier le canon à sa propre source d'alimentation et de contrôle. Si nécessaire, un tuyau d’arrosage peut également être utilisé pour assurer le refroidissement par eau des électrodes. Le soudage par points des carrosseries automobiles est une tâche courante pour les pistolets de soudage par points mobiles dans les usines d'assemblage automobile. Même si les humains utilisent encore certaines de ces armes, les robots industriels constituent désormais la technologie de choix.
Soudage par résistance (RSEW)
Le soudage par résistance (RSEW) est une technique qui produit une séquence de soudures par points qui se chevauchent le long d'un joint à recouvrement en utilisant des roues rotatives plutôt que des électrodes en forme de bâton comme dans le soudage par points. Ce procédé, illustré dans la figure ci-dessous, est fréquemment utilisé dans la production de conteneurs en tôle, de silencieux de voiture et de réservoirs d'essence car il produit des joints étanches à l'air. Bien que le soudage par points et le RSEW soient essentiellement identiques, le RSEW implique une complexité supplémentaire en raison des électrodes de roue et de l'aspect continu de l'opération.
Le fonctionnement continu du RSEW signifie que les joints doivent être le long d’une ligne droite ou uniformément incurvée, car les angles vifs et les discontinuités peuvent poser des problèmes. De plus, la déformation des pièces est un problème plus important, nécessitant des dispositifs pour maintenir les pièces en place et minimiser la distorsion.
L'application du courant de soudage et le mouvement des roues d'électrodes dans RSEW déterminent la distance entre les pépites de soudure. Dans la technique la plus populaire, appelée soudage à mouvement continu, l'espacement approprié entre les points de soudure est obtenu en pulsant périodiquement le courant lorsque les roues tournent à une vitesse constante. Les zones de soudure qui se chevauchent sont généralement le résultat de cette configuration. D'autre part, un processus connu sous le nom de soudage par points au rouleau permet l'apparition d'espaces entre les points de soudure si la fréquence du courant diminue. Alternativement, un cordon de soudure continu peut être obtenu en maintenant un courant de soudage constant. La figure ci-dessous montre ces variations.
Une autre variante du soudage par points à électrodes est le soudage par mouvements intermittents, dans lequel chaque point de soudure est produit par l'arrêt régulier de la roue d'électrode. L'espacement entre les zones de soudure est déterminé par le mouvement de la roue entre les arrêts, ce qui donne des motifs ressemblant à ceux des figures (a) et (b) ci-dessus.
Alors que les roues à électrodes sont utilisées à la place des électrodes en forme de bâton, les machines à souder par couture sont similaires aux soudeuses par points de type presse. Lors du RSEW, un refroidissement est fréquemment nécessaire pour la pièce à usiner ainsi que pour les roues d'électrodes. L'eau est généralement dirigée sur la face supérieure et inférieure des surfaces de la pièce à proximité des roues d'électrodes pour réaliser ce refroidissement.
Soudage par projection par résistance (RPW)
Le soudage par projection par résistance (RPW) est un procédé de soudage par résistance dans lequel la coalescence se produit à de petits points de contact prédéterminés sur les pièces à assembler. Ces points de contact peuvent être des projections, des bosses ou des jonctions localisées intégrées aux pièces elles-mêmes. Par exemple, lors de l'assemblage de deux composants en tôle, le composant supérieur peut être construit avec des bords en retrait qui entrent en premier contact avec le composant inférieur, comme illustré dans la figure ci-dessous. Les réductions de coûts dues au soudage peuvent équilibrer la procédure de bosselage, même si elle semble augmenter le coût de la pièce.
Le soudage par résistance par projection se décline en deux variantes, illustrées dans la figure ci-dessous. Une variante permet au soudage par résistance par projection de relier de manière permanente des éléments de fixation avec des projections façonnées ou usinées à une tôle ou une plaque, facilitant ainsi les futures procédures d'assemblage. Pour la fabrication d'articles en fil soudé tels que des chariots de supermarché, des grilles de cuisinière et des clôtures en fil de fer, une autre version connue sous le nom de soudage par fil transversal est utilisée. Les surfaces en contact des fils ronds agissent comme des projections dans ce processus, aidant à localiser la chaleur de résistance nécessaire au soudage.
Autres opérations de soudage par résistance
En plus des principales procédures de soudage par résistance précédemment couvertes, les méthodes alternatives suivantes entrent dans cette catégorie et doivent également être reconnues : le soudage par flash (FW), le soudage par refoulement (UW), le soudage par percussion (PEW) et la résistance haute fréquence. soudage (HFRW).
Soudage flash (FW)
Le soudage par flash (FW) est principalement utilisé pour les joints bout à bout. Le processus consiste à rapprocher les surfaces à souder et à les chauffer jusqu'à ce qu'elles fondent à l'aide d'un courant électrique. Selon le degré de contact avec la surface, ce processus implique la formation d'un arc, parfois appelé flash. FW fait donc parfois partie du groupe de soudage à l'arc. Les surfaces sont forcées ensemble pour produire la soudure après chauffage, ce qui nécessite souvent un usinage supplémentaire pour garantir des dimensions de joint constantes. FW est utilisé dans des processus économiques et à grande vitesse, notamment la connexion des extrémités des fils dans le tréfilage et le soudage bout à bout de bandes d'acier dans les laminoirs.
Soudage bouleversé (UW)
Semblable au FW, le soudage refoulé (UW) combine les phases de chauffage et de pressage en un seul cycle de processus. Contrairement au FW, l'UW chauffe uniquement par la résistance électrique au niveau des surfaces en contact (arc non inclus). Lorsqu'elles atteignent une température inférieure au point de fusion, les surfaces en contact fusionnent sous une pression accrue, ce qui perturbe les matériaux au niveau de la région de contact. Bien que l'UW partage plusieurs applications avec la FW, telles que l'assemblage de fils, de tuyaux et de tubes, il ne s'agit pas exactement d'une technique de soudage par fusion comme certaines des autres techniques mentionnées.
Soudage par percussion (PEW)
Semblable au soudage par percussion, le soudage par percussion (PEW) utilise des cycles de soudage incroyablement courts, entre une et dix millisecondes. Lorsque l'énergie électrique est libérée brusquement entre les surfaces à assembler, il en résulte un échauffement rapide. Les composants sont ensuite fusionnés en appliquant une force de percussion. Pour les applications électroniques où la taille compacte et les composants adjacents sensibles à la chaleur sont essentiels, le chauffage localisé du PEW est parfait.
Soudage par résistance haute fréquence (HFRW)
Le courant alternatif haute fréquence est utilisé dans le soudage par résistance haute fréquence (HFRW) pour chauffer les surfaces métalliques avant qu'une force de renversement ne soit appliquée pour terminer la soudure. Cette technique, qui fonctionne à des fréquences allant de 10 à 500 kHz, garantit que l'effet de peau du courant haute fréquence concentre la chaleur au niveau du joint de soudure. Dans une procédure comparable appelée soudage par induction haute fréquence (HFIW), une bobine d'induction est utilisée pour créer du courant au lieu d'établir un contact électrique direct. Pour les tâches de soudage en continu, comme l'assemblage des joints longitudinaux de tuyaux et tubes métalliques, les HFRW et HFIW conviennent. Ces techniques sont utiles pour une variété de processus industriels en raison de leur capacité à produire des soudures constantes et de haute qualité dans des situations de fabrication à grande vitesse.
Références
Groover, MP, 2010. Fondamentaux de la fabrication moderne : matériaux, processus et systèmes. 4e éd. Hoboken, New Jersey : John Wiley & Sons, Inc.
