Brevet FR2475442A1 — publié le 19810814

La présente invention se rapporte à un bossage pour le soudage par résistance de tôles, à un procédé pour produire de tels bossages, ainsi qu'à l'utilisation desdits bossages. Dans le domaine de la fabrication de masse d'objets soudés par résistance, le soudage par bossage des pièces en métaux ferreux est l'un des procédés de soudage les plus uti- lisés pour obtenir des liaisons de qualité. On sait que, à la différence du soudage par points, dans le soudage par bossage, l'étendue de la soudure n'est pas déterminée par la surface de la section des électrodes, mais par celle de la section des bossages. Il devient ainsi possible, d' une part, de définir avec précision la surface de la soudure et, partat, le tra- jet du-courant, la densité de celui-ci et la pression superfi- cielle, et de maintenir ces facteurs constants et, d'autre part, il devient possible de souder simultanément un certain nombre de bossages, exactementdans les mêmes conditions, en évitant les circuits parasites en dérivation. Toutefois, dans le cas des métaux non-ferreux, et en particulier dans le cas de l'aluminium et de ses alliages, ce procédé connu de soudage par bossage ne peut pas être exécuté dans des conditions sûres lorsqu'il s'agit de tôles minces. Ceci est dé au fait que, à la différence du fer, l'alminium oppose au courant de soudage une résistance électrique beau- coup plus faible et, en même temps, offre une bien meilleure conductibilité à la chaleur engendrée par le courant électri- que et, de ce fait, cette chaleur se propage davantage du point de soudure vers les régions environnantes. A cela s'ajoute une autre difficulté qui est le fait qu'en appliquant la force nécessaire pour le soudage sur les pièces, c'est-à-dire sur les bossages, au moyen des électro- -des, il est nécessaire d'utiliser une force beaucoup plus grande que dans le cas du fer, de sorte que ces bossages s'écrasent avant qu'on ait le temps d'enclencher le courant électrique. Si, par contre, on veut opérer avec une plus fai- ble pression d'électrodes, les bossages risquent de brûler avant que le soudage soit réalisé, du fait de la trop grande résistance de contact entre les bossages et les tôles. Pour remédier à ces inconvénrents, il a été proposé de prendre des mesures pour appliquer avec une extrême douceur 2475442 - les électrodes sur les pièces et de ne permettre à la pleine force des électrodes de s'exercer qu'immédiatement avant l'arrivée du courant de soudage, grâce à une minuterie régla- ble. Or même avec les machines à commande-numérique destinées à assurer la synchronisation mutuelle de la variation du courant et de la pression, il n'a pas été possible, par ce procédé connu, d'obtenir des soudures par bossage satisfaisantes et reproductibles à volonté comme l'exige la production de masse. De même, dans la littérature récente concernant ce sujet ( par exemple dans "Resistance Welding Manual", Vol. 1, page 44; le manuel de l'aluminium 13, édition 1974, page 58!) il est souligné, de manière répétée, que.le soudage par bossage de l'aluminium ne peut pas être exécuté de manière sûre. Il existe bien un autre ouvrage, notamment celui de'Pfeifer in- titulé "Fachkunde des Widerstandsschweissens".o il est indi- qué page 44 que le soudage de métaux légers-"est.possible avec des ma/chines appropriées". Toutefois,'il n'est nullement expliqué comment un tel soudage peut être réalisé. Ainsi, le soudage de l'aluminium avec des bossages estampés est connu aussi bien par la littérature que par la pratique et a donné des résultats concluants. Toutefois, des bossages estampés ne peuvent être produits que sur des pièces massives, par exemple, sur les embases de manches pour poêles à frire; par contre, sur des tôles ou sur d'autres pièces- minces des bossages massifs ne peuvent absolument pas être produits dans des conditions économiques avantageuses. En conséquence, la présente invention s'est fixé pour but d'apporter un bossage au moyen duquel des tôles-d'aluminium. et d'alliages d'aluminium et autres peuvent être soudées de manière sûre, et qui permet en particulier, de produire simul- tanément un certain nombre des udures par le procédé à bossage. Un autre but de l'invention est d'apporter un procédé pour produire de tels bossages, procédé qui est adapté pour la production de masse. L'invention vise également à souder de l'aluminium et les alliages d'aluminium avec un minimum de consommation d'éner- gie électrique, c'est-à-dire, en chargeant le réseau au minimum. Un autre but de l'invention-est d'assurer la production de liaisons soudées par bossage sur l'aluminium et ses allia- ges,qui présentent une structure métallurgique parfaite et une parfaite reproductibilité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, qui n'a, bien entendu, aucun caractère limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue en coupe à travers un bossage estampé; La figure 2 est une vue en coupe analogue à travers un bossage rond classique; La figure 3 est une vue en coupe à travers un bossage linéaire; La figure 4 est une vue en coupe d'un bossage d annu- laire rainé; Les figures 5 et 6 sont des diagrammes montrant les courbes de variation du courant et de la force ou de la pres- sion de soudage; La figure 7 est une vue en coupe à travers un outil classique pour produire des bossages; La figure 8 est une vue en coupe analogue à travers un outil pour produire des bossages comme ceux représentés sur les figures 3 et 4; et, La figure 9 est une vue en coupe à travers la lentille de métal d'une soudure par bossage d'une pièce d'aluminium. La figure 1 représente un bossage embouti massif, qui peut être formé sur des pièces 2 en métal léger, par exemple, par emboutissage ou par un apport de métal. De tels bossages sont capables de résister à la pression exercée par les électro- des pour maintenir une résistance électrique d'interface uni- forme, d'une part, entre les surfaces 3 des électrodes et les pièces 2 et 4 devant être soudées et, d'autre part, entie les- dites pièces 2 et 4. La figure 2 représente un bossage creux embouti clas- sique qui est généralement utilisé pour le soudage des tôles de fer. Lorsqu'il s'agit de métaux légers, le bossage 5 s'ef- fondre ou s'écrase généralement avant qu'on ait eu le temps d'enclencher le courant de soudage, et on n'obtient pas une soudure satisfaisante.- La figure 3 est une vue en coupe d'un bossage allongé 16 pour l'aluminium et alliages d'aluminium, bossage qui est utilisé pour souder d'étroites bordures dansle cas o la place est insuffisante pour un bossage annulaire. Du fait de l'im- portante déformation plastique à laquelle la matière de base 17 a été soumise dans les outils de formage, les flancs 18 et 19 du bossage ont une résistance qui est supérieure d'environ % à celle de cette matière de base 17. Les flancs 18 et 19 du bossage 16 en forme de coin estampés dans la matière (tôle de base 17) forment intérieurement un angle C extérieurement un angle 0 d'environ 900. La figure 4 illustre la structure d'un bossage annu- laire 7, qui s'est révélé particulièrement avantageux pour le soudage de l'aluminium et de ses alliages. Le bossage 7 diffère principalement des bossages annulaires usuels utilisés pour l'acier par le rapport relativement petit - 1,5 à 3 qui, b dans le cas présent, au besoin, permet d'obtenir une lentille soudée de part en part. Ici également, on obtient une augmentation de la résis- tance de la matière de base d'environ 50% dans les régions 11 et 12 des flancs au cours de la mise en forme. A cette aug- mentation de la résistance des flancs 11 et 12 du bossage s'ajoute le fait que la région circulaire centrale 13, restée localement inchangée comparativement à la matière environnante 10, permet de transférer une partie importante de la pression des électrodes sur le flanc intérieur 12 du bossage, de sorte que la force totale des électrodes se répartit dans le bossa- ge 7 uniformément entre ses deux flancs 11 et 12. Ainsi, les lignes de force s'étendent dans le bossage 7,. 16 approximati- vementen parallèle et ne sont que légèrement inclinées par rapport à la perpendiculaire passant par le plan de soudage. Quand le bossage 7, 16 commence à être écrasé par l'action de la force Fdes électrodes et par suite de l'échauffement résul- tant du passage du courant de soudage I, l'inclinaison de ces lignes de force augmente à vue d'oeil. La pression superficielle spécifique entre les pièces reste essentiellement maintenue. Il est bien évident que le diamètre ddibossage 7 ne peut pas être choisi à volonté car l'intensité-du courant de soudage nécessaire augmente approximativement comme le carré du diamètre d. Toutefois, des résultats satisfaisants ont été obtenus dans le cas d'une tôle de 1,05 mm d'épaisseur avec un diamètre d de 3 mm et un bossage ayant une hauteur h de 0,7 mm, en utilisant comme matière, par exemple, un alliage AlMg 0,4 Si 1,2. Comparativement à un bossage rond ayant une hau- teur h de 1,1 mm et le même diamètre d, on a constaté que sous l'action d'une force F de 200 daN le bossage de la fi- gure 4 ne présente qu'une déformation permanente d'environ 8% de la dimension h tandis que dans le cas d'un bossage rond -10 cette déformation h est de 54%.- A la différence des procédés connus de production des bossages des matièresferreuses, lesquels sont généralement produits par une déformation plastique libre (figure 7), les bossages selon l'invention sont pressés dansune matrice (fi- gure 8). La forme géométrique des bossages, et en particulier de leurs flancs 11, 12; 18, 19, est la même pour tous les bossages d'une pièce. La déformation plastique de la matière de base est produite au moyen d'un poinçon de forme 20 coopé- rant avec une matrice-de forme 21. Il est à noter que les outils de matriçage 20, 21 de la figure 8 permettent non seulement de maintenir les angles î et P, mais snt nécessaires pour les obtenir et, d'autre part, permettent la mise en forme et la consolidation résultante de la matière des flancs 11, 12; 18, 19. Il est important que, dans le cas d'un bossage annulaire, la surface circulaire cen- trale 13 conserve, au moins, le niveau de la surface initiale de la tôle avoisinante. Il est évident pour l'Homme de l'Art que la bonne qua- lité de la soudure ne dépend pas uniquement de la forme du bossage, mais que la nature de la matière soudée, ainsi que l'allure de la variation dans le temps de la pression des électrodes et, en particulier, l'allure de la variation du courant de soudage jouent aussi un rôle très important. La grande conductibilité thermique de l'aluminium et de ses alliages exige que l'énergie deasudage, c'est-à-dire que le courant de soudage, ne soit appliquée que pendant un temps très court. A cela s'ajoute que toutes les matières à base d'aluminium exigent, comme l'on sait, pour les raisons indiquées (conductibilité êlectriq-uz élevée, faible résistance électrique interne) des couran:ts de soudage plus élevés que les matières ferreuses. En utilisant des bossages ayant la structure repré- sentée sur les figures 3 et 4, conjointement avec un courant de soudage et une force d'électrodes ayant l'allure des figu- res 5 et 6, il devient possible de produire, d'une manière surprenante, des liaisons de soudage de très haute qualité, parfaitement reproductibles, conformes à la coupe polie de la figure 9. Les figures 5 et 6 représentent la courbe de variation 14 du courant en fonction du temps t1 t2 et t1 t3; la figure 15 représente la variation de la forée des électrodes entre les. instants to et t4. La courbe d'intensité 14 de la figure 6 présente, comparativement à la figure 5, une phase dite de "post-chauffage" entre les instants t2 t3. Cette phase:de post-chauffage peut être utile et est mêm- nécessaire pour - certaines matières, afin d.e prolonger le t-:mps de reúroidis- sement (en vue d'une meilleure reoristallisation).:Une-aug- menta-ton supplémentaire de la pressSon de!oudage;partie en - traits mixtes de la courbe 15 des figurs à et 6) -à la fir de la phase de soudage contribue à éviter la formation de retassures et de fissures dans la lentille-de soudage o La figure 9 est une vue en coupe à travers la lentille - de soudage 22 entre deux tôles 23, 24 constituées par des al- liages d'aluminium différents, et solidarisées par soudage à bossages annulaires. Sur aucune des surfaces des deux toles 23, 24 on n'a enlevé la couche d'oxyde. Néanm2oins, on obtient une lentille symétrique, parfaitement homogène et sans inclu- sions. Un autre facteur à considérer est la structure de: l'électrode, en particulier sa masse mobile, dont dépend ce qu'il est convenu d'appeler "le comportement de suite". En effet, l'électrode doit, pendant la très ccurte période de soudage t1 t2 pouvoir suivre sans retard le bossage en train de fondre, afin d'éviter les projections de la matière liqué- fiée. De préférence, les électrodes. ont mune surface relati- vement grande afin de réduire la densité du courant entre elles et les pièces, en réduisant ainsi à un minimumn l'usure de cel- les-ci. Il est particulièrement avantageux d'utiliser une machine de soudage à convertisseur de fréquence pour la mise en oeuvre de la procédure décrite. En utilisant une procédure de soudage à mono-impulsion et à courant continu l'énergie de soudage peut être transférée dans les pièces en un minimum de temps. Lorsqu'on soude simultanément plusieurs bossages, il est avantageux que les électrodes soient montées mobiles et à ressort afin que la pression des électmdes et le courant de soudage soient appliqués exactement dans les mêmes conditions à tous les bossages. Comparativement aux procédures de soudage antérieures, relativement sûres de l'aluminium et de ses alliages, notamment, par rapport au soudage par points, le mode de soudage selon l'invention présente de nombreux avantages, notamment: Il permet d'augmenter très considérablement la pro- duction du fait de la possibilité de souder simultanément plusieurs bossages sans qu'il en résulte des circuits parasites en dérivation et sans que des courants de soudage excessif ne soient nécessaires, ce qui a pour conséquence: Une résistance mécanique uniforme des soudures; Une résistance uniforme malgré les variations d'in- tensité du courant; Une augmentation supplémentaire de la production du fait du salissement relativement faible et pratiquement négli- geable des électrodes et de l'usure de celles-ci du fait de la faible densité de courant aux points de contact; Une qualité constante des soudures du fait de la sup- pression des apports d'alliage aux électrodes; Une position correcte des soudures sur les pièces du fait de la présence des bossages mis en place à l'avance; et, Suppression de la nécessité de nettoyer les surfaces oxydées des tôles par un décapage cinique, un brossage, etc... avant le soudage. REVENDICATIONS 1. Bossage pour le soudage par résistance de tûes caractérisé en ce que les flancs (11, 12; 18, 19) du bossage (7, 16) forment intérieurement un angle a de 45 à 750 et exté- rieurement un angle P de 60 à 1000 et en ce que la résistance de la matière dans la région des flancs est supérieure d'envi- ron 50% à la résistance de la matière de base (17) voisine. 2. Bossage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bossage (7) a une forme annulaire et en ce que sa région circulaire centrale (13) est située dans le même plan que la matière de base adjacente. 3. Bossage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bossage (16) a une forme linéaire. 4. Bossage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface circulaire centrale (13) s'élève légèrement au- dessus du plan de la matière de base voisine. 5. Bossage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle i est de 600 et l'angle f de 90 . 6. Bossage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport entre le diamètre moyen d du bossage annulaire (7) et la largeur b de la bordure est inférieur à 3. 7. Bossage selon la revendication 1, caractérisé en ce. que la résistance moyenne des flancs (11, 12; 18, 19) est supérieure d'environ 50% à celle de la matière de base. 8. Procédé pour réaliser un bossage annulaire ou allon- gé et en particulier un bossage sur des tales et des pièces minces selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bossage (7, 16) est produit en imposant à la matière de base (10, 17) une déformation plastique et en ce que la mise en forme &dit bossage aux dimensions prescrites est obtenues en faisantJlê métal sous pression entre un poinçon (20) et une matrice (21) d'un outil de presse. 9. Utilisation du bossage selon l'une des revendica- tions 1 à 7, pour le soudage de tôles d'aluminium et d'allia- ges d'aluminium. 10. Utilisation du bossage selon la revendication 9, ca- ractérisée en ce qu'il n'est pas n'est pas nécessaire de faire subir aux surfaces des tôles d'aluminium et d'alliages d'alu- minium, avant le soudage, un traitement de nettoyage par bros- sage CU autres. 11. Utilisation du bossage selon la revendication 9 ou la revendication 10 pour le soudage électrique à résistance de tôles d'aluminium consistant à former d'un côté un renfon- cement et de l'autre un relief, caractérisée en ce que lors de la mise en oeuvre d'une force d'application des électrodes réduisant les résistances de contact, le relief du bossage ne se déforme pratiquement pas et ne se rétracte pas avant l'en- clenchement du courant de soudage.