Brevet FR2680476A1 — publié le 19930226

PROCEDE ET DISPOSITIF DE SOUDAGE DE DEUX PIECES METALLIQUES HETEROGENES. DESCRIPTION L'invention concerne un procédé et un disposi- tif permettant le soudage, sans métal d'apport, de deux pièces métalliques, telles que des barreaux ou des tubes, ayant des points de fusion différents. Pour effectuer le soudage bout à bout ou plan sur plan de deux pièces métalliques, sans métal d'ap- port, il est c-onnu de chauffer simultanément les deux pièces par effet Joule, en leur appliquant un courant électrique pulsé de forte intensité après les avoir amenées en contact selon le plan de joint dans lequel on désire réaliser La soudure Lorsque le chauffage15 conduit à une fusion locale des pièces aux environs de L'interface, un choc mécanique est appliqué sur les pièces afin de chasser le métal en fusion et de réaliser la liaison désirée, après refroidissement. Lorsque les points de fusion des deux pièces sont les mêmes ou très proches l'un de l'autre, le chauffage par effet Joule permet d'assurer la fusion des deux métaux au voisinage de l'interface, o la résistance électrique est plus élevée en raison de la présence d'impuretés (oxydes) Par conséquent, les25 impuretés et les composés définis ou intermétalliques fragiles qui se trouvent dans cette zone d'interface sont pratiquement éjectés en totalité lorsqu'un choc mécanique est appliqué sur les pièces Après refroidis- sement, les atomes constitutifs des deux métaux sont30 donc en contact intime les uns avec les autres pour créer une liaison interatomique métallique qui garantit la bonne qualité du soudage. En revanche, lorsque les points de fusion des deux pièces métalliques sont sensiblement différents, le chauffage par effet Joule conduit à une mauvaise fusion du métal ou de l'alliage méta L Lique qui présente le point de fusion le plus élevé Par conséquent, lors- qu'un choc mécanique est appliqué sur les pièces, les impuretés et les composés définis ou intermétalliques5 fragiles qui se trouvent à la surface de cette pièce ne sont pas éjectés ou ne sont éjectés que très partiel- lement Ces impuretés et ces composés restent présents à l'interface entre les deux pièces lorsque celles-ci sont refroidies Il n'y a donc pas de liaison interato- nique métallique entre les pièces et les retraits de dilatation qui se produisent lors du refroidissement engendrent des contraintes résiduelles qui rendent la liaison mécanique ainsi obtenue particulièrement fra- gile Par conséquent, une soudure ainsi réalisée est15 particulièrement fragile et peut se rompre à tout moment lorsqu'elle est soumise à des efforts mécaniques impor- tants. Pour que deux pièces métalliques présentant des points de fusion sensiblement différents puissent être soudées entre elles sans métal d'apport selon les techniques classiques, d'une manière telle que la résis- tance de liaison obtenue soit satisfaisante, il faut à la fois que l'un des métaux des pièces en présence permette la dissolution des oxydes initialement présents dans l'interface et que le diagramme d'équilibre des métaux en présence ne permette pas l'apparition de solu- tions solides entre ces métaux, afin que des composés intermétalliques fragiles n'apparaissent pas lorsque la limite de solubilité de ces solutions solides est30 atteinte Dans la pratique, ces deux conditions sont très rarement rencontrées, de telle sorte que le procédé connu de soudage sans métal d'apport décrit précédemment est pratiquement inutilisable pour des métaux présentant des points de fusion sensiblement différents, dès qu'une certaine exigence de tenue mécanique est requise. L'invention a précisément pour objet un procé- dé et un dispositif permettant Le soudage, sans métal d'apport, de deux pièces méta L Liques ayant des points de fusion différents, grâce auxquels une liaison mécani- 5 que aussi résistante que si Les points de fusion des deux pièces étaient Les mêmes peut être obtenue. Conformément à L'invention, ce résu Ltat est obtenu au moyen d'un procédé de soudage de deux pièces métalliques, selon Lequel les deux pièces sont mises10 en contact se Lon une interface donnée et chauffées jusqu'à Leur fusion dans une zone à souder englobant Ladite interface, puis un choc mécanique est appliqué sur les deux pièces, de façon à chasser de la zone à souder Le métal en fusion, caractérisé par le fait que,15 les deux pièces ayant des points de fusion sensiblement différents, leur mise en contact est précédée d'un pré- chauffage des deux pièces dans ladite zone à souder, à des températures proches de leurs points de fusion respectifs et inférieures à ces derniers, sous atmos- phère inerte. Avantageusement, Le préchauffage est réalisé en chauffant la pièce qui a le point de fusion le plus élevé, dans la zone à souder, et en plaçant l'autre pièce à proximité de la première, à une distance telle que la zone à souder de cette autre pièce soit préchauf- fée à une température proche de son point de fusion, lorsque la première pièce est elle-même chauffée à une température proche de son point de fusion. Dans un mode de réalisation préféré de l'in- vention se rapportant au soudage bout à bout de pièces métalliques allongées, dans lequel l'interface est for- mée entre deux extrémités de ces pièces, on chauffe l'extrémité de La première pièce au moyen d'un bobinage haute fréquence placé autour de cette extrémité.35 Comme dans le procédé de soudage classique, Le chauffage des deux pièces dans La zone à souder jusqu'à Leur fusion est avantageusement réa Lisé par effet Jou Le, en faisant circu Ler un courant éLectrique entre ces pièces. Par ailleurs, Le choc mécanique est appliqué de préférence sur L'une des pièces, a Lors que L'autre pièce est maintenue en appui contre un organe de butée mobi Le assurant par ai L Leurs La mise en contact préa La- b Le des extrémités des deux pièces. Le procédé se Lon L'invention est avantageuse- ment mis en oeuvre au moyen d'un dispositif de soudage de deux pièces méta L Liques ayant des points de fusion différents, caractérisé par Le fait qu'il comprend: deux supports aptes à recevoir chacune desdites piè- ces, de te L Le sorte que des zones à souder de ces deux pièces soient situées en vis-à-vis L'une de L'autre; des moyens de préchauffage de La zone à souder de La pièce ayant Le point de fusion Le plus élevé; des moyens pour déplacer Longitudina Lement au moins l'un des supports, de façon à mettre en contact Les zones à souder des deux pièces; des moyens de chauffage des zones à souder des deux pièces Lorsqu'elles sont en contact; et des moyens agissant sur au moins L'un des supports pour appliquer un choc mécanique sur les deux pièces. Dans un tel dispositif, Les moyens de préchauffage comprennent avantageusement un bobinage haute fréquence, et les moyens de chauffage sont des moyens de chauffage par effet Joule qui permettent de faire circuler un courant électrique entre Les deux supports, au travers des deux pièces. Par ailleurs, les moyens pour déplacer longi- tudinalement au moins l'un des supports comprennent de préférence un vérin apte à déplacer longitudinalement un premier des supports vers Le deuxième support. Par ailleurs, les moyens pour appliquer un choc mécanique sur les deux pièces comprennent avanta- geusement un canon à gaz apte à propulser un marteau contre le deuxième support. 5 Un mode de réalisation préféré de l'invention va à présent être décrit, à titre d'exemple non limita- tif, en se référant aux dessins annexés, dans lesquel: la figure 1 est une vue de côté illustrant schématiquement un dispositif de soudage conforme à l'invention; la figure 2 est une vue de côté, en coupe partielle, représentant à plus grande échelle une partie du dispositif de la figure 1; les figures 3 A à 3 C illustrent trois étapes successives du procédé de soudage selon l'invention; et la figure 4 montre la répartition dans le temps et la durée des différentes opérations qui sont effectuées lors de la mise en oeuvre du procédé de sou- dage selon l'invention.20 Comme l'illustre la figure 1, le dispositif de soudage selon l'invention comprend un bâti 40 au-dessus duquel font saillie deux colonnes verticales 42 A leur extrémité supérieure, les colonnes 42 portent une traverse horizontale 44 Une traverse intermédiaire 45 relie également les colonnes 42 entre la traverse 44 et le bâti 40. La traverse 44 supporte un ensemble moto-ré- ducteur 46, à grande vitesse, dont l'arbre de sortie horizontal porte une vis sans fin 48, engrénée sur une30 denture extérieure formée sur un écrou 50, d'axe verti- cal L'écrou 50 est immobilisé en translation par rap- port à la traverse horizontale 44, et en prise sur une vis formée à l'extrémité haute d'un support supérieur 10 b, d'axe vertical L'écrou 50 et la vis formée sur le support 10 b forment un vérin mécanique irréversible 16 dont on verra par la suite qu'i assure notamment la mise en contact des pièces à souder. Le support supérieur 10 b est placé entre les colonnes 42 et il est guidé dans des alésages formés dans les traverses 44 et 45 Un capteur de déplacement 52, interposé entre le support 10 b et la traverse supérieure 44, permet de mesurer les déplacements verticaux des supports commandés par l'ensemble moto-réducteur 46 En outre, un capteur de force 54 est placé dans le support supérieur O lob, entre le vérin mécanique 16 et la traverse 45. Comme l'illustre plus précisément la figure 2, le support supérieur o 10 b porte à son extrémité basse une pince 11 b dans laquelle peut être fixée l'une Pb15 des pièces à souder, qui a le point de fusion le plus faible La pièce Pb est une pièce de forme allongée, telle qu'une barre ou un tube métallique La pince 11 b comporte une partie saillante 12 b en forme de disque, servant à limiter la dissipation thermique vers le haut.20 On voit également sur la figure 2 que le bâti supporte sur sa face supérieure une embase 56 pour- vue, entre les colonnes 42, d'un alésage vertical 58 dans lequel est fixée une douille 60 recevant un support inférieur 10 a L'axe vertical de ce support inférieur25 10 a est confondu avec celui du support supérieur 1 ob. Le support inférieur 10 a est fixé à la douille 60 par un presse-étoupe 62 logé dans une gorge 63, de façon à laisser au support une possibilité limitée de déplace- ment axial. A son extrémité haute, le support inférieur a porte une pince 11 a dans laquelle peut être fixée l'autre pièce à souder Pa qui a le point de fusion le plus élevé Comme la pièce Pb, la pièce Pa est une pièce de forme allongée, telle qu'une barre ou un tube35 métallique La pince 11 a comporte une partie saillante 12 a, en forme de disque, servant à limiter la dissipa- tion thermique vers le bas. Dans leurs parties situées entre les pinces 11 a et 11 b, les pièces Pa et Pb sont entourées par un tube de silice 64 limitant autour des pièces un espace annulaire de faible épaisseur Un gaz inerte est injecté dans cet espace, pendant toute la durée du soudage, par un passage 66 formé dans Le support inférieur 10 a Ce gaz ressort à l'extrémité supérieure du tube 64 et isole10 ainsi de l'atmosphère extérieure la zone à souder. Un bobinage hélicoldal haute fréquence 22, formé d'au moins une spire enroulée autour de l'axe longitudinal commun aux pièces Pa et Pb, est placé autour du tube de silice 64 Ce bobinage 22 est supporté15 par un chariot 68 supporté par l'une des colonnes 42, de façon à pouvoir être positionné axialement avec une grande précision lors de l'actionnement d'un moteur pas à pas 70. L'extrémité basse du support inférieur 10 a, qui fait saillie au- dessous de la douille 60, est rac- cordée au bâti 40 par une membrane déformable 72 Un cylindre 74 est fixé au bâti 40, dans le prolongement de l'extrémité basse du support inférieur 10 a, pour recevoir un marteau 76 en forme de piston La position25 basse occupée au repos par le marteau 76 est déterminée par une vis de réglage 78, vissée dans l'extrémité infé- rieure fermée du cylindre 74 l'espace délimité dans le cylindre 74 au-dessus du marteau 76 communique avec l'extérieur par un passage 80 formé dans la paroi du30 cylindre. Le cylindre 74 et le marteau 76 forment des moyens 30 pour appliquer un choc mécanique sur l'extré- mité basse du support inférieur 10 a, en profitant du jeu formé entre le presse-étoupe 62 et la gorge 63.35 Comme l'illustre la figure 1, ces moyens 30 sont action- nés par l'ouverture d'une électrovanns trois voies 82, placée dans une canalisatioh -84 qui relie un réservoir d'azote 86 au cylindre 74, en dessous du marteau 76. Ces différents organes sont montés dans le bâti 40. 5 En outre, et comme l'illustre également la figure 1, le bâti 40 supporte une source 88 de courant électrique pulsé de forte intensité, reliée par deux tresses électriquement conductrices 24 a, 24 b, par exem- ple de cuivre, à deux bagues 92 a, 92 b assurant le rac-10 cordement électrique des tresses 24 a, 24 b respectivement sur le support inférieur 10 a et sur le support supérieur lob Les bagues 92 a et 92 b, ainsi que les parties des supports 10 a et l Ob dans lesquelles sont montées les pièces Pa et Pb sont réalisées en un matériau électri-15 quement conducteur tel que du cuivre. Du côté opposé aux pinces 11 a et 11 b, par rapport aux bagues 92 a et 92 b, chacun des supports 10 a et 10 b comporte une partie (non représentée) réalisée en un matériau électriquement et thermiquement isolant,20 tel que de l'alumine. Le dispositif de soudage qui vient d'être décrit en se référant aux figures 1 et 2 est piloté par un micro-ordinateur, de façon à assurer le soudage bout à bout, sans métal d'apport, des pièces Pa et Pb, qui sont réalisées en des matériaux ayant des points de fusion différents. La mise en ouvre de ce dispositif va à présent être décrite en se référant aux figures 3 A à 3 C. Comme l'illustre la figure 3 A, les pièces Pa et Pb sont d'abord montées dans les pinces 11 a et 11 b de leurs supports respectifs 10 a et O lob Le marteau 34 du canon à gaz 32 est alors en position basse (mise à l'atmosphère de la chambre inférieure du cylindre 74 par l'électrovanne 82) et aucun courant électrique n'est35 envoyé dans les tresses 24 a et 24 b. 9 e Après Le montage des pièces Pa et Pb dans Leurs supports respectifs 10 a et 10 b, La position occu- pée par le support supérieur 10 b est rég Lée de telle sorte que la distance séparant Les extrémités en vis-à- vis des pièces Pa et Pb soit ajustée à une valeur déter- minée, qui dépend de La différence entre les points de fusion des pièces Pa et Pb De façon plus précise, cette distance est ajustée par étalonnage préalable, de telle sorte que le chauffage de l'extrémité de la pièce Pa10 à l'aide du bobinage haute fréquence 22 s'accompagne d'un chauffage par rayonnement, convection ou haute fréquence résiduelle de L'extrémité en vis-à-vis de la pièce Pa, de telle sorte que Les températures atteintes lors du chauffage des extrémités des deux pièces ainsi15 réalisé correspondent pratiquement aux températures de fusion des deux pièces, tout en restant légèrement infé- rieures à ces températures de fusion. Pour effectuer ce réglage, on actionne L'en- semble 46 de commande du vérin mécanique 16 jusqu'à la venue en contact de la pièce Pb contre La pièce Pa, ces deux pièces étant froides A partir de ce point de réfé- rence, on actionne en sens inverse L'ensemble 46 afin d'obtenir entre les pièces Pb et Pa La distance désirée. Cette opération est contrôlée par le capteur de déplace-25 ment 52. Lorsque ce rég Lage a été effectué, l'opérateur initie l'automatisme du dispositif, en agissant sur un organe de commande tel qu'un interrupteur A L'instant to auquel l'automatisme est initié, un courant électri- que haute fréquence d'intensité IHF est injecté dans le bobinage haute fréquence 22, comme L'illustre la figure 4 Un système à retard de L'automatisme est éga- lement initié à partir du temps t 0, afin de déclencher automatiquement, au bout d'une période prédéterminée, la mise en oeuvre de l'ensemble 46 de commande du vérin ' 16 Ce temps prédéterminé est également réglé avant la mise en oeuvre du dispositif, selon les matériaux consti- tuant les pièces Pa et Pb, afin que la température de préchauffage de l'extrémité de chacune de ces pièces, 5 atteinte à l'aide du bobinage haute fréquence 22, cor- responde à une température voisine du point de fusion du matériau qui la constitue, mais restant légèrement inférieure à ce point. Lorsque le délai préréglé du système à retard initié à l'intant to est terminé, c'est-à-dire à l'ins- tant t 1 sur la figure 4, un signal S d'alimentation électrique est envoyé dans l'ensemble 46, commandant le vérin mécanique 16 Cela a pour effet la mise en contact sous pression de l'extrémité de la pièce PD -15 contre l'extrémité en vis-à-vis de la pièce Pa, comme l'illustre la figure 3 B La grande vitesse de déplace- ment de la pième Pb lui permet d'arriver en contact de la pièce Pa sans franchir son point de fusion. Dès que le capteur d'effort 54 ou de déplace- ment 52 repère ce contact, c'est-à-dire à l'instant t I + ú, l'automatisme commande simultanément l'arrêt du signal d'alimentation S, l'arrêt du courant haute fréquence IHF et l'injection par les conducteurs 24 a et 24 b d'un courant électrique pulsé Ij de forte inten-25 sité dans les supports 10 a et 10 b Ce courant électrique pulsé traverse les pièces Pa et Pb en contact, ce qui a pour effet de chauffer encore ces pièces par effet Joule, notamment dans la zone de plus forte résistance proche de leur interface, dans laquelle se trouvent des30 oxydes métalliques Etant donné que les extrémités des deux pièces ont été chauffées au préalable à des tempé- ratures voisines de leurs points de fusion bien que légèrement inférieures à ces points, le chauffage par effet Joule ainsi effectué apporte à l'extrémité de35 chacune de ces pièces le surcroît de température néces- i i saire à la fusion de la zone d'extrémité à souder attenante à l'interface entre les deux pièces La fusion concomitante de l'extrémité de chacune des deux pièces Pa et Pb peut ainsi être obtenue malgré la différence entre les points de fusion de ces deux pièces. L'arrivée en contact des extrémités des deux pièces Pa et Pb lors de l'actionnement du vérin 16 déclenche également deux systèmes à retard, réglés au préalable, qui déterminent, d'une part, la mise en ouvre des moyens 30 d'application d'un choc sur les pièces Pa et Pb (arrivée de pression Pc dans le canon à gaz 32) et la cessation du courant électrique pu Lsé Ij injecté dans les supports 10 a et 10 b Ces deux retards peuvent éventuellement être simultanés, comme l'illustre la figure 4 Dans ce cas, la cessation du courant Ij intervient en même temps que la mise en oeuvre des moyens d'application d'un choc 30, à l'instant t 2. Dans le cas o on utilise un canon à gaz 32, l'application d'un choc mécanique est faite en appli- quant sur le marteau 34 une pression Pc, à l'instant t 2 Cela a pour effet de propulser le marteau 34 contre la pièce Pa et, par conséquent, d'appliquer un choc mécanique entre les pièces Pa et Pb, dont les extrémités en contact sont alors à l'état fondu Le métal en fu- sion formant l'extrémité de chacune des pièces est alors châssé, avec les oxydes, les autres impuretés éventuel- les et les composés définis ou intermétalliques éven- tuellement présents dans le liquide Par conséquent, un contact intime est établi entre les atomes des deux pièces métalliques et permet de créer une liaison inter- atomique métallique assurant la solidité de la soudure (figure 3 C). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes En par- t 12 ticulier, Les moyens permettant d'appliquer un choc sur les pièces peuvent être associés aux moyens de mise en contact, si une impulsion de pression sensiblement plus élevée que celle qui permet de maintenir les pièces en contact peut être introduite dans ce système En outre, les deux supports peuvent remplir des rôles comparables aussi bien pour ce qui concerne la mise en pression que pour ce qui concerne l'application d'un choc sur les pièces Enfin, bien que l'invention soit particulière-10 ment adaptée au soudage bout à bout de deux pièces a Llongées, elle peut aussi s'appliquer à d'autres géomé- tries quelconque. La pièce ayant le plus haut point de fusion est préchauffée dans la zone o la Liaison est désirée par tout moyen le mieux adapté à la forme des pièces à assembler (arc, Laser, HF, etc) La pièce ayant le plus bas point de fusion étant alors positionnée, par un robot à proximité, pendant ce préchauffage pour rece- voir par rayonnement, convection, ou transfert direct,20 une partie de l'énergie de préchauffage à L'endroit ou La liaison est souhaitée Lorsque les deux métaux sont dans les zones souhaitées à des températures proches de leurs points de fusion respectifs Le robot assure La mise en contact de ces zones en respectant un critère25 de pression ou de déplacement et simultanément provoque le passage d'un courant électrique entre les deux piè- ces, pour assurer de part et d'autre de l'interface le passage à l'état liquide Un choc perpendiculaire à l'interface est alors provoqué et transmis par Le robot30 à l'une des pièces pour provoquer son déplacement rapide par rapport à l'autre pièce Ce déplacement éjecte le liquide et les impuretés présents dans la zone en fusion et assure le rétablissement de la liaison métallique. REVENDICATIONS 1 Procédé de soudage de deux pièces métalli- ques (Pa,Pb), selon lequel Les deux pièces sont mises en contact se Lon une interface donnée et chauffées5 jusqu'à Leur fusion dans une zone à souder englobant ladite interface, puis un choc mécanique est appliqué sur les deux pièces, de façon à chasser de la zone à souder le métal en fusion, caractérisé par le fait que, Les deux pièces ayant des points de fusion sensiblement10 différents, leur mise en contact est précédée d'un pré- chauffage des deux pièces dans ladite zone à souder, à des températures proches de leurs points de fusion respectifs et inférieures à ces derniers, sous atmos- phère inerte -15 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé par le fait qu'on réalise le préchauffage en chauf- fant une première pièce ayant le point de fusion le plus élevé, dans La zone à souder et en plaçant l'autre pièce à proximité de la première pièce, à une distance telle que la zone à souder de cette autre pièce soit préchauf- fée à ladite température proche de son point de fusion, lorsque la première pièce est chauffée à une température proche de son point de fusion. 3 Procédé selon La revendication 2, caracté- risé par le fait que Les pièces métalliques (Pa,Pb) à souder étant allongées et ladite interface étant formée entre deux extrémités de ces pièces, on chauffe l'extré- mité de la première pièce au moyen d'un bobinage haute fréquence ( 22) placé autour de cette extrémité.30 4 Procédé selon L'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par le fait qu'on chauffe les deux pièces dans ladite zone à souder, jusqu'à fusion, par effet Joule, en faisant circuler entre elles un courant électrique.35 5 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par Le fait qu'on applique Le choc mécanique sur L'une des pièces, en maintenant l'autre pièce en appui contre un organe de butée ( 14) mobile assurant auparavant La mise en contact des extrémités des deux pièces. 6 Dispositif de soudage de deux pièces métal- Liques (Pa,Pb) ayant des points de fusion différents, caractérisé par Le fait qu'i L comprend: deux supports ( 10 a,10 b) aptes à recevoir chacune des- dites pièces, de te L Le sorte que des zones à souder de ces deux pièces soient situées en vis-à-vis L'une de L'autre; des moyens de préchauffage ( 22) de la zone à souder de La pièce ayant Le point de fusion le plus éLevé; des moyens ( 16) pour dép Lacer longitudina Lement au moins L'un ( 10) des supports, de façon à mettre en contact Les zones à souder des deux pièces; des moyens de chauffage ( 24 a,24 b) des zones à souder des deux pièces lorsqu'e L Les sont en contact; et des moyens ( 30) agissant sur au moins L'un des sup- ports pour appliquer un choc mécanique sur Les deux pièces. 7 Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé par le fait que les moyens de préchauffage comprennent un bobinage haute fréquence ( 22). 8 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 6 et 7, caractérisé par le fait que les moyens de chauffage sont des moyens de chauffage par effet Joule ( 24 a,24 b), permettant de faire circuler un30 courant électrique entre les deux supports ( 10 a,10 b), au travers des deux pièces. 9 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 6 à 8, caractérisé par le fait que les moyens pour déplacer longitudinalement au moins l'un35 des supports comprennent un vérin ( 16) apte à déplacer Longitudirnaernent un premier des supports ( 10 b) vers Le deuxième support ( 10 a). Dispositif se Lon La revendication 9, ca- ractérisé par Le fait que Les moyens pour app Liquer un choc mécanique sur Les deux pièces comprennent un canon à gaz ( 32) apte à propulser un marteau contre le deuxième support ( 10 a).