Brevet FR2429640A1 — publié le 19800125

Le soudage à froid de deux surfaces métalliques de même nature pressées l'une contre l'autre au point d'amener une interpénétration des grains métalliques est couramment pratiqué, au moins pour des métaux malléables conne l'aluminium et le cuivre. Les brevets belge 469.011 et britannique-- 959.556 donnent des exemples d'application pratique de ce procédé. Ce procédé n1 est pratiquement utilisable que si l'une au moins des pièces est assez mince pour transmettre à l'interface la pression d'un outil appuyant de l'extérieur les deux pièces l'une contre l'autre, sans être cependant trop mince pour être cisaillée par cet outil. Ainsi, pour l'aluminium, ce procédé est généralement utilisé pour souder des pièces dont l'une au moins a une épaisseur de l'ordre de 0,1 à I mm. La pression de l'outil correspond alors à un écrasement de l'ordre de 50 % de l'épaisseur initiale de la pièce mince. Nous désignerons ci-après simplement par'~tôles"des feuilles ou tôles minces d'épaisseur de l'ordre de 0,1 à I mm. Pour l'aluminium, il est bien connu que les surfaces à souder par pression doivent avoir été préalablement soigneusement nettoyées et décapées pour éliminer la couche superficielle d'alumine qui-ferait écran entre les surfaces métalliques, en regard. Un écrasement du métal tel que l'épaisseur de la pièce ou de la tôle soit réduite de 50 % ou plus, implique que le métal flue et que la matière se déplace vers l'extérieur de la surface d'application de l'outil. Si la surface de contact de l'outil est une surface plane parallèle à celle de la pièce, le métal est refoulé symétriquement autour de la surface de contact en créant une nervure régulière sans qu'il y ait de déformation dissymétrique de la pièce à souder. C'est ce que l'on voit, par exemple, dans le brevet britannique 959.556. Lorsque l'on veut réaliser un sillon par une molette roulant tout en s'enfonçant dans une tôle mince, le mental est déplacé de part et d'autre du sillon, mais aussi à l'avant de la molette en créant une boursouflure ou cloque qui se déplace devant la molette. Pour souder transversalement deux tubes concentriques, s'emb tant l'un dans l'autre avec un jeu minimum, la solution qui paraît la plus simple est de soutenir le tube par un mandrin interne rigide et de comprimer de l'exté- rieur sur ce mandrin, les parois des deux tubes par une molette externe parcourant une courbe fermée périphérique. Les parois des deux tubes sont ainsi progressivement comprimées et écrasées entre mandrin et molette selon cette ligne périphérique, le plus souvent un cercle. On devrait obtenir aisément une ligne de soudure transversale. L'expérience montre que l'on n'arrive pas au résultat cherché. A l'avant de la molette, le tube externe se boursoufle, la paroi métallique stal- longe comme cela est bien connu en laminage. La paroi du tube externe s'écarte du tube interne, la boursouflure forme en quelque sorte une vague se déplaçant à l'avant de la molette. L'amplitude du phénomène s'accroît avec l'avance de la molette et crée un allongement différentiel important entre les surfaces des deux tubes. Bientôt le décollement entre les deux tubes atteint 1/4 de circonférence. Si la molette poursuit sa trajectoire, on assiste bientôt à un cisaillement de la paroi sollicitée par deux déformations contradictoires : soulèvement à l'avant de la molette et compression sous la molette, ceci, tandis que, plus en avant, les deux tubes sont déjà soudés par le sillon fait au départ de la molette. Devant ces difficultés pratiques, la soudure à froid par pression de deux tubes concentriques nta pu trouver d'application industrielle. L'objet de 1 invention est un procédé et un dispositif permettant le développement de cette technique de soudure par molette. L'invention trouvera une application particulièrement interessante dans la soudure des coupelles de valves dans les cols de bouteilles métalliques, en particulier les boîtiers d'aérosols. Le bord des coupelles est relevé sous forme d'un rebord à paroi cylindrique sensiblement parallèle à l'axe. Il constitue une petite portion de tube. Actuellement, ce rebord cylindrique est généralement prolongé par une collerette périphérique venant coiffer le bord du boîtier et qui permet la fixation de la coupelle sur le col du boîtier par dudgeonnage ou sertissage. Le joint entre coupelle et boîtier est généralement disposé sous cette collerette. #algré toutes les précautions que l'on peut prendre et les divers types de joints que l'on peut utiliser, ce type d'assemblage par action mécanique présente des difficultés et n'assure pas toujours une étanchéité parfaite. Cela est exposé par exemple dans les brevets français 2.155.806 ou 2.187.447. Seule une soudure pourrait assurer une parfaite sécurité, mais elle n'est généralement pas utilisée pour des raisons de rapidité d'exécution et de prix de revient. L'invention apporte une solution à ces problèmes de soudure de tubes concentriques ou de rebord de coupelles dans des cols de boîtiers. Le procédé consiste à assurer la soudure par une molette roulant à l'intérieur des tubes et comprimant selon une courbe fermée le tube interne contre le tube externe. Pour cela, il faut enserrer au niveau de la ligne de soudure projetée le tube extérieur dans une bague rigide, puis réaliser la soudure par écrasement progressif de la paroi du tube intérieur contre le tube extérieur par une molette exerçant une forte pression centrifuge sur le tube interne tout en roulant le long de la ligne de soudure projetée. La force exer cée par la molette doit correspondre à un écrasement de la paroi du tube interne de l'ordre de 50 %. Pour deux tubes concentriques, en alliage d'aluminium,d'environ 25 mu de diamètre et, sensiblement 0,5 à -0,8 mm d'épaisseur, la force de pression de la molette est de l'ordre de 4000 newton correspondant localement à une pression 9 sur la molette de l'ordre de 109 Pascal. Pratiquement, la soudure se fait en deux tours de molette : lors du premier tour, la molette s'enfonce progressivement en creusant un sillon jusqu'à une profondeur déterminée par des essais préliminaires ; cette profondeur correspond à une épaisseur résiduelle du tube interne de l'ordre de 30 à 60 Z et de préférence de 40 à 50 X de l'épaisseur initiale. L'épaisseur résiduelle optimale est fonction des propriétés métallurgiques des tubes, de leur épaisseur initiale et du type de soudure souhaité. Lorsque l'enfoncement optimale de la molette est atteint, il est limité par une butée, et la molette poursuit son parcours pendant au moins un tour pour assurer une déformation régulière du métal sur toute la ligne de soudure. On s'aperçoit qu'il n'est pas nécessaire de recuire le métal avant l'écrasement, comme cela était généralement admis, la soudure est excellente avec un métal préalablement ecrori. L'invention sera mieux emprise par la description d'un exemple concret se référant aux dessins joints. La figure 1 représente e-n coupe le détail d'une molette se déplaçant en creusant un sillon dans une double épaisseur de tôles soutenues par un support rigide. La figure 2 représente tsn coupe, à plus petite échelle, une coupelle de valve en cours de soudure sur un col de bolier d'aérosol. En figure 1, on voit deux épaisseurs de tôles (1-2) d'alliage d'aluminium, soutenues par un support rigide (3). Les deux tôles (1-2) sont en alliage d'aluminium écroui de nuance 050. Elles ont toutes deux une épaisseur (e) de 0,5 mu. La molette (4) a in diamètre maximal (D) de 6,5 mu. La partie cylindrique de diamètre maximal constituant le chemin de roulement de la molette a une largeur (1) de 1 mm.L'angle (cr) des flans coniques de la molette avec un plan perpendiculaire il'axe de rotation xx' est de 150. Ces flans se raccordent par un arrondi avec le chemin de roulement afin d'éviter des amorces de cisaillement. En faisant rouler la molette (4) sur la tôle (2), en l'appuyant avec une force (F) telle qu'elle s'enfonc. dans la tôle en faisant un sillon (5) de profondeur 0,5 mm, on réalise une e-.scellente soudure à l'aplomb du sillon. On voit dans la figure 1 que le métal se trouvant initialement sous la molette (4) reflue de part et d'autre en faisant, de part et d'autre, du sillon (5), deux nervures symétriques (6). Le méc.l est également refoulé à l'avant de la molette en formant une boursouflure (non représentée) qui se déplace devant la molette (4). La figure 2 représente en coupe un boîtier (7) d'aérosol en alliage d'aluminium de nuance 1050 dont le col tubulaire (8) est ferté par une coupelle (9) en alliage d'aluminium de nuance 5754. Cette coupelle (9) comporte en son centre une valve (10) devant permettre au fluide sous pression enfermé dans le bottier de s'échapper. Le bord de la coupelle (9) est relevé sous forme d'un rebord à paroi cylindrique (11) rentrant à emmanchement "gras" dans l'alésage du col du boîtier, soit sensiblement selon ajustement H e selon normes AFNOR. L'épaisseur de la paroi (11) est sensiblement de 0,5 mu. L'épaisseur de la paroi du col (8) du boîtier (7) est sensiblement de 0,7 mu. Le col (8) du boîtier (7) est lui-même emmanché dans une bague (12) en acier traité. L'ajustement entre col (8) et bague (12) est glissant, soit sensiblement une tolérance d'as justement H7f7, ceci pour permettre à la fois une introduction facile du col du boîtier avant soudure de la coupelle et un maintien de ce col lorsqu'il est sollicité en un point quelconque par une force centrifuge. La bague (12) est elle-même frettée dans l'alésage d'un roulement (13) d'axe XX' correspondant à celui du bottier (7). Le fond du boîtier est calé par un cimblot tournant (14), centré également sur l'axe XX'.Par le moyen da roulement (12) et du cimblot (14) le bottier (7) est fixé à rotation libre sur le chariot transversal d'un tour. Une molette (4) semblable à celle représentée en figure 1 est fixée dans le mandrin (15) du tour. Le chariot du tour permet de déplacer le boîtier (7), dans le sens S écartant son axe XX' de l'axe xx, de la molette, tout en maintenant ces deux axes constamment paralleles. Le déplacement latéral du chariot est cependant limité par une butée (16) limitant la pénétration de la molette (4) dans la paroi (11) de la coupelle (9). Ce montage, très classique, est facile à réaliser.L'opération de soudure à froid à la molette peut être aisément automatisée. Ainsi, par déplacement axial du chariot dans le sens S,la paroi (11) vient au contact de la molette (4) qui est simultanément mise en rotation par le mandrin t15). La molette, appuyant fortement sur la paroi (11) entraîne en rotation dans le sens T l'ensemble coupelle (9) et bottier (7). La butée (16) limite la pénétration de la molette (4) dans la paroi (11) à une profondeur de sensiblement 0,7 mu. La molette (4) creuse un sillon régulier (5) de largeur Imm et de profondeur régulière en moins de deux tours du bottier (7) autour de son axe Par un règlage de la butée (16), défi#par quelques essais préliminaires, on obtient une soudure par#faite. Au lieu de monter le boîtier (7), en rotation libre sur son axe XX' et de l'entratner en rotation par la molette (4), on peut aussi bien monter la molette (4) folle sur son axe xx' et entraîner le bottier (7) en rotation, tandis que les deux axes parallèles xx' et XX' sont progressivement écartés jusqu'à une position définie par une butée (16). On pourrait aussi immobiliser le boîtier (7), monter la molette (4) à l'intérieur de la coupelle (9) et la faire rouler sur la face interne de la paroi (11) en maintenant constante la distance entre les deux axes xx' et X ', le mandrin (15) exécutant un mouvement planétaire. Ainsi, avec l'un ou l'autre de ces montages, la paroi (11) est écrasée selon une courbe circulaire contre le col du bottier (7), ce col (8) étant lui-même soutenu par la bague (12) et ne pouvant se dilater et se déformer. Sous l'effet de la molette, le métal de la paroi (11) flue aussi bien latéralement que longitudinalement en avant de la molette. Mais, étant donné la concavité de la surface sur laquelle roule la molette (4), celle-ci tend simul tanément à repousser du métal vers l'avant et à dilater le diamètre de la paroi (Il). Pour avoir un décollement des deux parois (8) et (11), il faudrait que se forme à l'avant de la molette un véritable pli dans la paroi (11) dont la courbure serait opposée à la courbure initiale, de la paroi cylindrique (11). Cela représenterait une déformation considérable. Ainsi, le métal flue sur lui-même en avant de la molette (4) sans décoller l'une de l'autre les deux parois (8) et (I 1). Evidemment, avant la mise en place de la coupelle (9) dans le col du boîtier (7), les surfaces en regard au niveau du sillon (5) doivent être soigneusement décapées par brossage pour éliminer au maximum les couches super- ficielles d'alumine. Si le brossage est correctement effectue et la soudure à la molette faite rapidement après, un examen métallurgique montre que l'on a une bonne interpénétration des grains, et, donc une bonne soudure, avec seulement quelques minimes inclusions éparses d'alumine. Le décapage des surfaces en regard, en même temps qutil élimine la couche d'alumine, enlève évidemment toute couche de vernis ou autre revêtement de l'aluminium qui aurait pu être déposé pour éviter la corrosion par le produit contenu. Une portion du métal décapé dépassant la soudure peut senior au contact du contenu du bottier. On fera, alors par repoussage vers l'intérieur du col du bottier, un léger moulurage circulaire juste en-dessous du niveau de la coupelle (9) ; on pourra déposer sur ce moulage un joint plastique adhérent du type "Plastisol" venant ensuite se coincer et se solidifier entre le moulurage et le fond de la coupelle. On peut aussi, pour des produits particulièrement agressifs, déposer une résine époxy, qui, par capillarité, remontera jusqu'à la soudure elle-même. En dehors de la fixation des coupelles de valve sur les cols de bot- tier d'aérosol, on peut envisager beaucoup d'autres applications du procédé, par exemple la fabrication de boîtes de conserves 3 pièces. REVENDICATIONS 10) Procédé de soudage à froid de deux tubes métalliques concentriques s'emboîtant l'un dans l'autre a emboîtement gras par pression d'une molette, caractérisé en ce que le tube extérieur (8) est enserre au niveau de la soudure à réaliser dans une bague rigide (12) a emmanchement glissant, tandis qu'une molette (4) parcourt le périmètre interne du plus petit tube (11) en exerçant une force centrifuge écrasant les parois des deux tubes contre la bague rigide, inscrivant ainsi un sillon (5) sur la face interne des tubes (8) (11). 20) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ltenfonce- ment de la molette ecrsssant les parois des deux tubes (8) (11) contre la bague rigide (12) est limité à une valeur préalablement déterminée expérimentalement. 30) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'enfoncement de la molette créant un sillon sur la face interne des tubes réduit l'épaisseur du tube interne (11) à une valeur comprise entre 30 et 60 Z de son épaisseur initiale. 40) Procédé selon la rcvendication 3, caractérisé en ce que, au niveau du sillon (5) créé par enfoncement de la molette, l'épaisseur résiduelle du tube interne est comprise encre 40 et 50 % de son épaisseur initiale. 5 ) Procédé selon l'un, quelconque des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que la pression exercée par la molette sur la paroi à souder est de l'ordre de 109 Pascal. 6 ) Procédé selon l'un quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, ou 5, caractérisé en ce que le tube interne à une paroi d'épaisseur comprise entre 0,1 et 1 mu. 70) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que les tubes sont en métal écroui, non recuit. 80) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1,2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que la soudure est effectuée en deux passages de la molette le long de la ligne de soudure. 90) Dispositif pour solidage à froid de deux tubes métalliques concentriques selon la revendication 1 caractérisé en ce que une machine maintient le tube externe (8) en rotation libre autour de son axe XX', qu'une bague rigide (12) enserre ce tube au niveau où l'on désire faire la soudure, tandis qu'une molette (4) placée à l'intérieur du tube interne (11) et pressant les deux tubes contre la bague, est entraînez en rotation autour de son axe xx', entra nant ainsi l'ensemble des deux tibes en rotation autour de leur axe commun XX', tout en creusant un sillon (5)fe profondeur prédéterminé expérimentalement. 100) Dispositif pour5ouJage à froid de deux tubes métalliques concentriques caractérisé en ce qu'une molette est montée en rotation libre à l'in térieur du plus petit tube (11) > son axe xx' restant constamment parallèle à l'axe commun XX' des deux tubes, mais étant progressivement écarté jusqu a une valeur prédéterminée correspondant sensiblement à un écrasement de 50 Z de l'épaisseur du tube interne (11) ceci tandis que les deux tubes sont mis en rotation autour de leur axe XX' pendant au moins deux tours depuis le moment ou la molette (7) rentre en contact avec la paroi (11) du tube interne, une bague (12) d'axe XX' enserrant le tube externe (8) à ajustement glissant. 11 ) Dispositif pour soudage à froid de deux tubes métalliques concentriques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube externe (8) est immobilisé, qu'une bague (12) l'enserre au niveau de la soudure à réaliser et qu'une molette (4) montée en planétaire à l'intérieur du tube interne, parcourt une courbe circonférentielle fermée en exerçant une force centrifuge F sur le tube interne réduisant son épaisseur de l'ordre de 50 Z. 120) Dispositif selon l'une des revendications 9, 10 ou 11 caractérisé en ce-que l'enfoncement de la molette (4) dans le tube interne (11) est limité par une butée.