Brevet FR2607044A1 — publié le 19880527

La présente invention concerne le domaine de soudage par pression et a, notamment, pour objet le procédé de soudage par friction. L'invention peut être utilisée dans les constructions mécaniques, dans la fabrication d'ou- tils, dans les industries électrotechnique et chimique. Il est plus avantageux d'appliquer la présen- te invention au soudage de matériaux différents, dont les propriétés thermophysiques diffèrent sensiblement, et au soudage des pièces, dont les bouts sont couVerts d'une couche de calamine. Dans ces application, les procédés de soudage par friction avec un effort axial de valeur constante pendant le chauffage ne permet pas d'obtenir des joints de soudage de haute qualité à cau- se d'une répartition irrégulière du champ thermique suivant la section des pièces à souder. L'application de procédés connus de soudage par friction présentant un effort axial de valeur pulsée lors du chauffage per- met de répartir le champ thermique dans la zone d'un joint à souder d'une manière plus régulière. Cependant, en cas de soudage de matériaux différents, qui diffè- rent sensiblement par leurs propriétés thermophysiques, l'application de ces procédés n'assure pas la réparti- tion nécessaire du champ thermique dans la zone d'un joint à souder, ce qui peut conduire au manque de péné- tration au centre ou à la périphérie dans un joint sou- dé. On connalt un procédé de soudage par friction (voir le livre "Soudage des métaux par friction", Lé- ningrad par V.I. vil, Mashinostroenie, 1970, p. 61) ré- alisé pratiquement dans toutes les machines à souder par friction et qui consiste à fixer les pièces à sou- der d'une manière coaxiale, à les mettre en rotation relative, à appliquer un effort axial constant en va- leur en chauffant durant le soudage par friction et, après avoir obtenu un échauffement voulu de la zone d'un joint à souder, effectuer le forgeage. En cas de soudage des pièces, fabriquées à partir de matériaux différents dont les propriétés ther- mophysiques, diffèrent sensiblement, réalisé suivant le procédé mentionné, on n'arrive pas à obtenir une redis- tribution voulue du champ thermique dans la zone d'un joint à souder, ce qui réduit la qualité et la fiabili- té d'un joint soudé. Si l'on applique des efforts axiaux plus grands en valeur lors du chauffage pendant le sou- dage par friction, la zone de réchauffage des pièces à souder a une forme en X, ce qui peut conduire à un man- que de pénétration au centre, tandis que si on applique des efforts axiaux faibles en valeur la zone indiquée a une forme en lentille, ce qui peut conduire à un manque de pénétration à la périphérie. On connaît aussi un procédé de soudage par friction (voir, par exemple, certificat d'auteur de l'U. R. S. S. N 1 209 398, Cl. Int. B23K 20/12 publié en 1986) qui consiste à fixer d'une manière coaxiale les pièces à souder, dont les matériaux sont caractéri- sés par leur module d'élasticité normale, à les mettre en rotation relative, à appliquer un effort axial qui varie périodiquement auxdites pièces à souder lors du chauffage pendant le soudage par friction et à effectu- er le forgeage. Dans ce procédé de soudage par friction, l'ef- fort axial lors du chauffage dans chaque période, carac- térisée par une fréquence différente, varie d'une valeur minimale jusqu'à une valeur maximale de façon que la va- leur d'un effort axial maximal augmente en continu. Une telle variation de l'effort axial qui est effectuée pen- dant le chauffage élargit quelque peu les possibilités techniques du procédé en question: il s'est révélé qu'il est possible de souder des pièces de grands diamè- tres en utilisant une machine servant au soudage par friction des pièces d'un diamètre limité. Néanmoins, la fréquence alternative avec laquelle on fait varier pé- riodiquement l'effort axial n'assure pas une redistribu- t 6070it tion voulue du champ thermique dans la zone d'un joint à souder, ce qui conduit à un échauffement irrégulier avec une intensité insuffisante de ladite zone. L'accroissement de l'effort axial pendant le chauffage jusqu'à sa valeur maximale pendant quelques périodes durant le soudage par friction de matériaux différents, dont les propriétés thermophysiques diffè- rent sensiblement, fait naltre une hétérogénéité de la zone d'influence thermique se répandant depuis le cen- tre vers la périphérie d'un joint à souder ce qui ré- duit la qualité d'un joint soudé, peut être la cause de la formation des manques de pénétration et peut con- duire à une augmentation injustifiée de la durée de chauffage. On s'est donc proposé de mettre au point un procédé de soudage par friction qui permettrait d'obte- nir une redistribution voulue du champ thermique dans la zone d'un joint à souder en appliquant aux pièces à souder un effort axial, qui varie périodiquement avec une fréquence déterminée, au cours du chauffage pendant le soudage par friction, de rendre le processus plus efficace et d'améliorer la qualité de joints soudés des pièces réalisées de préférence à partir de matériaux dont les propriétés thermophysiques diffèrent sensible- ment. Le problème, ainsi posé, est résolu à l'aide d'un procédé de soudage par friction consistant à fi- xer d'une manière coaxiale des pièces à souder, dont les matériaux sont caractérisés par le module d'élasti- cité normale, à les mettre en rotation relative, à ap- pliquer un effort axial, qui varie périodiquement, aux- dites pièces à souder lors du chauffage durant le sou- dage par friction et à effectuer le forgeage, et qui est caractérisé, en ce qu'on applique un effort axial, qui varie périodiquement au cours du chauffage réalisé pendant le soudage par friction, à une fréquence inver- sement proportionnelle à la valeur du plus petit module t607044 d'élasticité normale du matériau des pièces à souder et au diamètre ou au plus petit des diamètres des pièces à souder en variant simultanément la valeur de la fréquen- ce dans les limites de 15 %. Dans le cas oi les faces en bout d'au moins une pièce à souder sont couvertes d'une couche de cala- mine, il est avantageux de mesurer le moment de frotte- ment qui y apparaît et, une foiS que sa valeur est ré- glée, de terminer l'application de l'effort axial, qui varie périodiquement à une fréquence déterminée et, avant de procéder au forgeage, de n'appliquer aux pièces à souder qu'un effort axial de valeur constante. Le procédé de soudage par friction revendiqué permet d'effectuer lors du chauffage pendant le soudage par friction une redistribution du champ thermique de- puis la périphérie vers le centre et vice-versa, ce qui rend le processus plus efficace et contribue à un ré- chauffement régulier de toute la section des pièces à souder. En conséquence, une zone d'influence thermique homogène se forme suivant toute la section des pièces à souder depuis le centre vers la périphérie d'o une amé- lioration de la qualité de joints soudés, et particu- lièrement, dans le cas de matériaux différents, dont les propriétés thermophysiques diffèrent sensiblement tels que le vanadium + l'acier, le molybdène + le tung- stène ou bien à partir de matériaux couverts d'une cou- che de calamine. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détail et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uni- quement à titre d'exemple non limitatif, avec référen- ces aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels: - la Figure 1 représente le diagranlme de variation, en fonction de la durée, de l'effort axial, de l'effort de forgeage et de la vitesse de rotation pendant le pro- cessus de soudage par friction selon l'invention - la Figure 2 représente les diagrammes de varia- tion, en fonction de la durée, de l'effort axial et du moment de frottement pendant le soudage par fric- tion dont les bouts d'au moins une des pièces sont couverts d'une couche de calamine, selon l'invention. Le procédé de soudage par friction revendi- qué peut être réalisé dans n'importe quelle machine de conception connue servant au soudage par friction et inertie ou au soudage par friction classique et consiste en ce qui suit. On fixe d'une manière coaxiale les pièces à souder, dont les matériaux sont caractérisés par leur module d'élasticité normale et on les met en rotation relative. Les diamètres des pièces à souder peuvent être identiques ou différents. Lesdites pièces à sou- der peuvent être réalisées à partir de matériaux dif- férents, dont les propriétés thermophysiques diffé- rent notablement, par exemple, ils diffèrent par le point de fusion, la résistance limite, la dureté, le module d'élasticité normale, etc. Ensuite, on appli- que aux pièces à souder un effort axial qui varie pé- riodiquement au chauffage pendant le soudage par fric- tion. Il est à noter que la fréquence à laquelle on applique l'effort axial est fonction des propriétés thermophysiques des matériaux des pièces à souder et de leurs diamètres et que, plus précisément, elle est inversement proportionnelle à la valeur du plus petit module d'élasticité normale du matériau des pièces à souder et au diamètre ou bien au plus petit diamètre des pièces à souder choisi, compte tenu de la résis- tance présentée d'un joint à souder à une variation simultanée de la valeur de fréquence dans les limites de 15 %. On a expérimentalement établi l'équation de la fréquence f d'application de l'effort axial P1 aux pièces à souder. f = 8 x 106 + 15 % (Hz), f Exd o:E est le module d'élasticité normale d'un matériau ayant la plus petite valeur de cette grandeur (MPa) d est le diamètre ou bien le plus petit des diamè- tres des pièces à souder (mm). La Figure 1 illustre les courbes de variation de l'effort axial P1 au chauffage durant le soudage par friction (portion OA, courbe a), de l'effort de forgeage P2 (portion BC, courbe a) et de la vitesse n de rotation durant le soudage par friction et inertie (courbe bl) et durant le soudage classique par friction (droite b2), portées sur l'axe des ordonnées, en fonction de la durée t portée sur l'axe des abscisses. Comme il ressort du diagramme (portion OA, courbe a), l'effort axial P1 aug- mente sur la portion initiale depuis zéro jusqu'à une valeur maximale Pmaxi dont la grandeur est constante dans chaque période, déterminée par les propriétés ther- mophysiques des matériaux et leurs dimensions géométri- ques et est à peu près égale à la grandeur de l'effort axial lors du soudage par friction en cas d'application d'un effort axial constant en valeur, ensuite il décroît jusqu'à Pmini dont la valeur est choisie compte tenu des conditions d'évacuation des couches d'oxyde depuis la zone d'un joint à souder. Ensuite, le processus de va- riation de l'effort axial P1 se répète périodiquement à une fréquence f établie jusqu'au moment t1 o, en cas de soudage par friction et inertie, la rotation relative des pièces à souder s'arrête (la vitesse n diminue de la valeur maximale jusqu'au zéro, courbe b1) tandis qu'en cas du soudage classique par friction on arrête les piè- ces (jusqu'au moment tl, la vitesse n est constante et, ensuite, elle est égale à zéro, droite b2' Le nombre de périodes de variation de l'effort axial P1 est à déter- miner expérimentalement pour des matériaux concrets de pièces à souder. La variation de l'effort axial peut être réa- lisée sur n'importe quel mécanisme d'entraînement de 7 2607044 type hydraulique, pneumatique ou électromagnétique, uti- lisé dans les machines pour créer un effort axial au soudage par friction. Grâce à une variation périodique de l'effort axial au chauffage à une fréquence indiquée ci-dessus, la zone de dégagement maximal de la chaleur se déplace sur la surface de frottement des piècés à souder, la tension de fluidité diminue, les couches d'oxyde et de graisse se détériorent, une structure homogène à grains O10 fins d'un joint soudé apparaît. En conséquence, la du- rée des périodes de chauffage durant le soudage par friction diminue car l'égalisation du champ thermique est conditionnée tant par la conductibilité calorifique des matériaux des pièces à souder que par le déplacement de la zone de dégagement maximal de la chaleur dans la zone d'un joint qu'on soude depuis la périphérie vers le centre et vice-versa. Si la valeur de la fréquence présente avec la valeur calculée un écart supérieur à plus de 15 %, l'ef- ficacité obtenue par la variation périodique de l'effort axial diminue car la vitesse de déplacement de la zone de dégagement maximal de la chaleur correspond à la fré- quence de variation de l'effort axial. Une fois l'application de l'effort axial P1 aux pièces à souder terminée, on applique auxdites piè- ces un effort de forgeage P2 constant en valeur (portion BC, courbe a) qui peut être égal à la valeur maximale Pmaxi de l'effort axial au chauffage ou même être supé- rieur à cette valeur. Le forgeage se fait avant un moment t2 qu'on détermine expérimentalement. En cas d'utilisation de pièces à souder dont les bouts sont couverts d'une couche de calamine, on me- sure au moins sur une desdites pièces à souder le moment de frottement M apparaissant au chauffage durant le sou- dage par friction par n'importe quelle méthode connue, la courbe de sa variation, obtenue expérimentalement, est représentée sur la Figure 2 (courbe b). Ladite Figu- re nous présente aussi des diagrammes de variation de l'effort axial P1 (portion OA, courbe a) et de l'ef- fort P2 de forgeage (portion BC, courbe a) portés sur l'axe des ordonnées en fonction du temps t porté sur l'axe des abscisses. Comme il ressort du diagramme (courbe b) le moment de frottement M croit brusquement, puis il di- minue progressivement et atteint une valeur stable (temps t1). On applique l'effort axial P1 d'une maniè- re périodique aux pièces à souder, comme l'on a décrit plus haut juste jusqu'au moment t1 grâce à quoi une couche de calamine est détérioriée et évacuée à partir de la zone du joint qu'on soude. Le chauffage ultérieur réalisé pendant le soudage par friction jusqu'au moment t1, déterminé comme il est indiqué ci-dessus, se fait à une valeur constante de l'effort axial P1 égale à la valeur maximale Pmaxi ou proche de celle-ci. Ceci fait, on applique l'effort de forgeage P2 (portion BC, courbe a) aux pièces à souder jusqu'au mo- ment t d'une manière analogue à celle décrite plus haut. Pour une meilleure compréhension de l'inven- tion, on donne ci-dessous des exemples concrets. EXEMPLE 1 On a effectué le soudage classique par friction du vanadium avec l'acier à faible teneur en carbone, dont la composition en % en poids est la suivante: 0,25 à 0,28 de C, additions 1 %, le fer étant le complément à 100 %, diamètre des pièces à souder d = 30 mm, module d'élasticité normale du vanadium E1 = 1,33 x 105 MPa, module d'élasticité de l'acier E2 = 2,0 x 105 MPa. Pour déterminer la fréquence f de variation de l'effort axial, on a introduit le module d'élasticité normale E1 du vanadium dans la formule de calcul. Régime de soudage; fréquence de rotation 100 s-1, effort axial Pmaxi =100 kN, Pmini = 20 kN, effort de forgeage P2 = kN, fréquence f = 2 Hz, Lorsqu'on a effectué des essais de traction en appliquant l'effortaxial avec une fréquence se trouvant dans les limites de i 15 % par rapport à la valeur calculée, le joint de soudage se détériorait en vanadium. Les joints soudés obtenus à des fréquences de variation de l'effort axial se trouvant au-delà des limites de 15 %, par exemple àf > 2,3 Hz et f 1,7 Hz se détérioraient, lors des essais de traction, dans la zone de soudage. EXEMPLE 2 On a effectué le soudage classique par fric- tion des pièces à partir de l'acier de construction, dont la composition en % en poids est la suivante: 0,4 de C, 1 de Cr, le fer étant le complément à 100 %. Les diamètres des pièces à souder étaient différents dl = 16 mm, d2 = 50 mm, leurs bouts étant couverts d'une couche de calamine, le module d'élasticité nor- male de l'acier de construction E = 2,0 x 105 MPa. Dans la formule de calcul, on a introduit le diamètre de la plus petite pièce d1 = 16 mm. Régime de souda- ge: fréquence de rotation 100-1s, effort axial Pmaxi = kN, Pmini = 15 kN, effort de forgeage P = 40 kN, fréquence de variation de l'effort axial f = 2,5 Hz. On n'a pas pu obtenir un joint soudé de qualité satis- faisante à une fréquence de variation de l'effort axial f dage par friction le moment de frottement M et après que sa valeur se soit établie, on a fini d'appliquer l'effort axial variable en le réglant constant et égal à 25 kN. EXEMPLE 3 On a effectué le soudage par friction et iner- tie de l'acier résistant à la chaleur, dont la composi- tion en % en poids est la suivante: 0,45 de C, 14 de Cr, 14 de Ni, 2 de V, le fer étant le complément à 100 %, avec de l'acier de construction, dont la composition en % en poids est la suivante: 0,4 de C, 1 de Cr, le fer étant le complément à 100 %, Le diamètre des pièces à souder était de 16 nmm, le module d'élasticité normale de l'acier résistant à la chaleur E1 = 2,3 x 105 MPa et le module d'élasticité normale de l'acier de cons- truction E 2 = 2,0 x 105MPa. Pour déterminer la fré- quence f de variation de l'effort axial, on a introduit dans la formule de calcul le module d'élasticité norma- le E2 de l'acier de construction. Régime de soudage: fréquence de rotation initiale 270-1 s, effort axial Pmaxi = 20 kN, Pmini = 13,5 kN, effort de forgeage P = kN, fréquence de variation de l'effort axial f = 2, 5Éi? Le procédé en question est caractérisé par le temps de soudage t2 = 4 s, tandis que lors du soudage par inertie à une valeur constante de l'effort axial P1 = kN le temps de soudage t2 est de 5,1 s. REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage par friction qui consiste à fixer d'une manière coaxiale des pièces à souder dont les matériaux sont caractérisés par le module d'élastici- té normale, à les mettre en rotation relative, à appli- quer un effort axial, qui varie périodiquement, auxdites pièces à souder lors du chauffage durant le soudage par friction et à effectuer le forgeage, caractérisé en ce qu'on applique un effort axial, qui varie périodiquement, lors du chauffage durant le soudage par friction avec une fréquence inversement proportionnelle à la valeur du plus petit module d'élasticité normale du matériau de pièces à souder et au diamètre ou au plus petit des dia- mètres des pièces à souder en variant simultanément la valeur de la fréquence dans les limites de 15 %. 2. Procédé de soudage par friction selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas d'u- tilisation de pièces à souder dont les bouts sont cou- verts d'une couche de calamine, on mesure au moins sur l'une des pièces le moment de frottement qui y apparaît et, une fois que sa valeur est réglée, on achève d'ap- pliquer l'effort axial qui varie périodiquement à une fréquence déterminée et, avant de procéder au forgeage, on n'applique aux pièces à souder qu'un effort axial de valeur constante.