Brevet FR2793716A1 — publié le 20001124

* B473 "Procédé pour l'assemblage par soudage de deux éléments en acier de forte teneur en carbone et outil de chauffage pour un tel procédé" L'invention concerne un procédé pour l'assemblage par soudage de deux éléments en acier, et un outil de chauffage par induction destiné à être mis en oeuvre dans un tel procédé. L'invention concerne plus particulièrement un procédé pour l'assemblage par soudage de deux éléments en acier d'une teneur en carbone supérieure à 0,42%. o0 On connaît de nombreux procédés d'assemblage par soudage de deux éléments en acier. Lorsque l'on désire assembler ensemble deux éléments en acier comportant une teneur en carbone supérieure à 0,42%, notamment à l'aide d'un outil de soudage au laser, la haute température du faisceau laser dans la zone de soudage, proche de 1500 C, provoque la formation de martensite dans la zone de soudage. La présence de cette martensite aboutit, lors du refroidissement qui suit, à la formation de criques qui fragilisent la soudure ainsi réalisée. Pour remédier à cet inconvénient, on a envisagé de n'assembler ensemble que des éléments présentant une teneur en carbone inférieure à 0.42%. L'inconvénient de l'emploi de tels éléments est que la faible teneur en carbone des aciers employés ne permet pas d'obtenir une dureté Vickers supérieure à HV630, tandis que, pour certaines applications, notamment la réalisation de dents d'engrenages, une dureté Vickers supérieure à HV 750 est requise. On a alors proposé d'utiliser des matériaux comportant 3o une teneur en carbone supérieure à 0,42%, et d'empêcher la formation de martensite dans les éléments à assembler en les préchauffant et/ou les post-chauffant globalement. L'inconvénient d'une telle solution est que le préchauffage et/ou le post-chauffage global des éléments à B473 assembler provoque des déformations de l'assemblage du fait de la détente des contraintes, et il nécessite des temps de fabrication très longs, ce qui rend ce procédé difficilement applicable à une fabrication en grande série. Pour remédier à ces inconvénients, I'invention propose un procédé d'assemblage comportant un chauffage local des éléments. Dans ce but, I'invention propose un procédé du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte au moins io une étape de chauffage, à l'aide d'un outil de chauffage par induction, des deux éléments dans la seule zone de soudage, et une étape de soudage à l'aide d'un outil de soudage au laser. Selon d'autres caractéristiques du procédé selon is l'invention: - le procédé comporte une étape de préchauffage, préalable à l'étape de soudage, à l'aide de l'outil de chauffage par induction fonctionnant à une fréquence comprise entre 2,5 à 10 kHz pendant une durée d'environ 5s, de la zone de soudage à une température supérieure à 300 C pour relâcher les contraintes internes dans la zone de soudage, - le procédé comporte une étape de post-chauffage, qui fait suite à l'étape de soudage, à l'aide de l'outil de chauffage par induction fonctionnant à une fréquence comprise entre 2,5 à 10 kHz pendant une durée d'environ 5s, de la zone de soudage à une température supérieure à 300 C pour induire une étape ultérieure longue de refroidissement qui permet d'éviter la formation de martensite dans la zone de soudage, - lors de l'étape de soudage à l'aide de l'outil de soudage au laser, on soude les éléments dans la zone de soudage à une température de 1500 C pendant 2s et sur une profondeur de 5mm, - entre l'étape de préchauffage et l'étape de soudage, on substitue instantanément l'outil de soudage au laser à l'outil de B473 chauffage par induction, et, entre l'étape de soudage et l'étape de post-chauffage, on substitue instantanément l'outil de chauffage par induction à l'outil de soudage au laser pour que la température de la zone de soudage évolue de façon continue, - au cours des étapes de préchauffage, de soudage, et de post-chauffage on utilise un seul outil mixte de chauffage par induction et de soudage au laser. L'invention propose aussi un outil de chauffage par 1o induction, selon le procédé objet de l'invention, de deux éléments coaxiaux cylindriques intérieur et extérieur qui sont destinés à être assemblés, dans une zone de soudage dans laquelle ils sont en contact, par un outil de soudage au laser, caractérisé en ce qu'il comporte un inducteur annulaire dont au moins une partie d'un noyau fait saillie axialement et radialement vers l'axe des éléments coaxiaux à proximité de la zone de soudage pour obtenir un échauffement local de la seule zone de soudage. Selon d'autres caractéristiques de l'outil de chauffage - le noyau est sensiblement annulaire et comporte une partie tronconique dont le plus petit diamètre est sensiblement égal au diamètre moyen de la zone de soudage, - le noyau est en cuivre et il comporte dans son épaisseur au moins un canal annulaire de refroidissement par circulation d'eau, I'inducteur comporte une culasse annulaire, en matériau à forte perméabilité magnétique, à l'intérieur de laquelle est agencé le noyau, et à partir de laquelle la partie tronconique du noyau fait saillie axialement et radialement vers lI'axe des éléments coaxiaux, - I'inducteur comporte dans sa section annulaire un évidement qui est destiné à permettre le passage d'un faisceau laser en provenance de l'outil de soudage au laser, B473 - des fils d'arrivée du courant électrique d'alimentation de l'inducteur sont agencés de part et d'autre de l'évidement, - I'outil de chauffage comporte l'outil de soudage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'une étape du procédé au cours de laquelle un outil de chauffage réalise, o conformément à l'invention, un préchauffage et/ou un post- chauffage de la zone de soudage des éléments à assembler; - la figure 2 est une vue d'une étape du procédé au cours de laquelle un outil de soudage réalise, conformément à l'invention, le soudage des éléments à assembler; - la figure 3 est un diagramme représentant la variation de la température de la zone de soudage en fonction du temps. - la figure 4 est une vue axiale en bout d'un second mode de réalisation d'un outil de chauffage qui comporte l'outil de soudage; et - la figure 5 est une vue en coupe axiale de l'outil selon la figure 4 représenté en position de préchauffage, de post- chauffage et /ou de soudage des éléments. Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires. On a représenté aux figures 1 et 2 deux étapes consécutives d'un procédé d'assemblage par soudage de deux éléments en acier d'une teneur en carbone supérieure à 0,42 % conformément à l'invention. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le procédé de l'assemblage par soudage est destiné à assembler deux éléments cylindriques 10 et 12, coaxiaux d'axe A, notamment une roue dentée 12 qui est emmanchée sur des * B473 cannelures 14 d'un arbre cannelé 10 et qui sont représentés en section axiale. Lors d'une étape préliminaire à la mise en oeuvre du procédé, la roue dentée 12 est enfilée axialement sur les cannelures 14 de l'arbre 10. La roue dentée 12 est arrêtée axialement par rapport à l'arbre 10 dans un sens par un épaulement 16 de l'arbre 10 contre lequel elle est en butée axiale, et dans l'autre sens par une soudure 18 qui est réalisée à l'opposé de l'épaulement 16 1o de l'arbre 10 par rapport à la roue dentée 12. Conformément à l'invention, I'assemblage par soudage de la roue dentée 12 à l'arbre 10 comporte au moins une étape de chauffage de la zone de soudage 18 qui est représentée à la figure 1, et une étape de soudage de la zone de soudage 18, qui est représentée à la figure 2. L'étape de chauffage met en oeuvre un outil 20 de chauffage par induction et l'étape de soudage met en oeuvre un outil 22 de soudage au laser, notamment une torche de soudage. Conformément à l'invention, l'étape de chauffage selon le procédé est une étape de préchauffage préalable au soudage par l'outil de soudage 22, ou une étape de post-chauffage de la zone de soudage 18 qui est consécutive à l'étape de soudage par l'outil de soudage 22. Toutefois, dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le procédé comporte deux étapes de chauffage, c'est-à-dire une étape de préchauffage qui est destinée à relâcher les contraintes internes de la zone de soudage 18 avant l'étape de soudage 18 proprement dite, et une étape de 3o post-chauffage qui fait suite à l'étape de soudage et qui est destinée à induire une étape ultérieure longue de refroidissement qui permet d'éviter la formation de martensite dans la soudure 18. B473 Comme l'illustre la figure 3, l'étape de préchauffage met en oeuvre l'outil de chauffage 20 par induction fonctionnant à une fréquence comprise entre 2,5 et 10 kHz pendant une durée At1 d'environ 5 secondes et à une température Ti supérieure à 300 C. On substitue alors, en une durée At2 très courte, I'outil de soudage 22 au laser à l'outil de chauffage 20 de façon que la température T de la zone 18 de soudure ne retombe pas en dessous d'une température T2 déterminée proche de Tl. On io soude alors les éléments, notamment la roue dentée 12 à l'arbre 10, à l'aide de l'outil 22 de soudage au laser dont le faisceau 24 permet de porter la zone de soudage 18 à une température T3 de l'ordre 1500 C pendant une durée At3 d'environ deux secondes, et sur une profondeur de 5 mm. Ensuite, on substitue l'outil de chauffage 20 à l'outil de soudage 22 et on réalise, pendant une durée At4 d'environ 5 secondes, un post- chauffage de la zone de soudage 18 à l'aide de l'outil de chauffage 20 par induction qui fonctionne à une fréquence comprise entre 2,5 et 10 kHz de façon que la zone de soudage soit maintenue à une température T5 supérieure à 300 C. Enfin, on laisse la température T de la zone de soudage 18 redescendre en un temps long At5 jusqu'à la température ambiante. Avantageusement, comme on l'a décrit plus haut, entre l'étape de préchauffage et l'étape de soudage, on substitue quasi instantanément l'outil de soudage 22 au laser à l'outil de chauffage 20 par induction, et entre l'étape de soudage et l'étape de post-chauffage, on substitue quasi instantanément I'outil de chauffage 20 par induction à l'outil de soudage 22 au laser de façon que la température T de la zone de soudage 18 évolue de façon sensiblement continue. B473 De la sorte, il n'y a, tout au long du procédé de fabrication, pas de chute brutale de la température T de la zone de soudage 18 ce qui permet d'éviter l'apparition de contraintes internes dans la zone de soudage 18 du matériau et donc I'apparition de criques ou de retassures, par opposition à un procédé de soudage conventionnel au cours duquel les temps de changement d'outil nuisent à la qualité de la soudure réalisée. Ainsi, la zone de soudage 18 ne se trouve pas fragilisée. La figure 1 d'une part, et les figures 4 et 5 d'autre part, illustrent deux modes de réalisation d'un outil 20 de chauffage destiné à être mis en oeuvre dans le procédé de l'invention. Comme l'illustre la figure 1, I'outil de préchauffage/post- chauffage par induction 20 est un inducteur annulaire 20 dont au moins une partie 26 d'un noyau 28 fait saillie axialement et radialement vers l'axe A de l'arbre 10 et du pignon 12 pour obtenir un échauffement local de la seule zone de soudage 18. La partie 26 en saillie du noyau 20 est agencée à proximité immédiate de la zone de soudage 18. A cet effet, la partie 26 en saillie du noyau est sensiblement tronconique et son plus petit diamètre est sensi- blement égal au diamètre moyen de la zone de soudage 18. Le noyau 28 est en cuivre et il comporte dans son épaisseur au moins un canal 30 annulaire de refroidissement par circulation d'eau. Enfin, le noyau 28 est entouré par une culasse annulaire 32 qui est réalisée en un matériau à forte perméabilité magnétique de façon à limiter les fuites magnétiques et à concentrer les champs magnétiques dans le noyau 28 et dans sa partie 26 en saillie. Comme l'illustrent les figures 4 et 5, dans un second mode de réalisation de l'outil 20 de préchauffage/post- chauffage, l'inducteur 20 peut comporter dans sa section annulaire un évidement 32 qui est destiné à permettre le B473 passage du faisceau laser 24 en provenance de l'outil 22 de soudage au laser. Avantageusement, des fils d'arrivée 34 du courant électrique peuvent être agencés de part et d'autre de l'évidement 32 de l'inducteur de façon à réduire son encombrement axial. Cette disposition est particulièrement avantageuse car elle permet de ne pas déplacer l'inducteur annulaire 20 entre l'étape de préchauffage et l'étape de soudage d'une part, et io entre l'étape de soudage et l'étape de post-chauffage d'autre part, ce qui permet de réduire considérablement les temps de passage de l'outil de préchauffage/post- chauffage à l'outil de soudage et donc de réduire les temps de fabrication, ce qui, dans le cadre d'une fabrication en grande série, permet i5 d'abaisser sensiblement les coûts de réalisation de l'assemblage des éléments 10 et 12. Selon une variante du second mode de réalisation de l'outil 20 de préchauffage/post-chauffage, I'outil de soudage 22 peut être lié mécaniquement à l'outil de chauffage 20 de sorte que, lors de la mise en place des outils 20 et 22 à proximité de la zone 18 de soudage, les deux outils sont mis en place en une seule opération et il ne nécessite aucun réglage de positionnement de l'outil de soudage 22 par rapport à l'outil de préchauffage/post-chauffage 20. La rapidité de la mise en place d'un tel outil mixte permet de diminuer encore sensiblement les temps de fabrication. B473 9 2793716 REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'assemblage par soudage de deux éléments (10, 12) en acier d'une teneur en carbone supérieure à 0.42%, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape de chauffage, à l'aide d'un outil (20) de chauffage par induction, des deux éléments dans la seule zone (18) de soudage, et une étape de soudage à l'aide d'un outil (22) de soudage au laser. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en qu'il comporte une étape de préchauffage, préalable à l'étape de soudage, à l'aide de l'outil (20) de chauffage par induction fonctionnant à une fréquence comprise entre 2,5 à 10 kHz pendant une durée (At,) d'environ 5s, de la zone (18) de soudage à une température (Ti) supérieure à 300 C pour relâcher les contraintes internes dans la zone (18) de soudage. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, et en ce qu'il comporte une étape de post-chauffage, qui fait suite à l'étape de soudage, à l'aide de l'outil (20) de chauffage par induction fonctionnant à une fréquence comprise entre 2,5 à 10 kHz pendant une durée (At4) d'environ 5s, de la zone de soudage à une température (T5) supérieure à 300 C pour induire une étape ultérieure longue de refroidissement qui permet d'éviter la formation de martensite dans la zone (18) de soudage. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de l'étape de soudage à l'aide de l'outil (22) de soudage au laser, on soude les éléments (10, 12) dans la zone de soudage (18) à une température (T3) de 1500 C pendant (At3) 2s et sur une profondeur de 5mm. 5. Procédé selon les revendications 2 à 4 prises en combinaison, caractérisé en ce que, entre l'étape de B473 préchauffage et l'étape de soudage, on substitue instantanément l'outil de soudage (22) au laser à l'outil de chauffage (20) par induction et en ce que, entre l'étape de soudage et l'étape de post- chauffage, on substitue instantanément l'outil de chauffage (20) par induction à l'outil de soudage (22) au laser pour que la température (T) de la zone (18) de soudage évolue de façon continue. 6. Procédé selon les revendications 2 à 4 prises en combinaison, caractérisé en ce qu'au cours des étapes de io préchauffage, de soudage, et de post-chauffage on utilise un seul outil mixte (20) de chauffage par induction et de soudage au laser. 7. Outil de chauffage par induction de deux éléments coaxiaux (12, 14) cylindriques intérieur et extérieur qui sont destinés à être assemblés, dans une zone (18) de soudage dans laquelle ils sont en contact, par un outil (22) de soudage au laser, caractérisé en ce qu'il comporte un inducteur annulaire (20) dont au moins une partie (26) d'un noyau (28) fait saillie axialement et radialement vers l'axe (A) des éléments coaxiaux (12, 14) à proximité de la zone (18) de soudage pour obtenir un échauffement local de la seule zone (18) de soudage. 8. Outil de chauffage selon la revendication 7, caractérisé en ce que le noyau (28) est sensiblement annulaire et il comporte une partie tronconique (26) dont le plus petit diamètre est sensiblement égal au diamètre moyen de la zone (18) de soudage. 9. Outil de chauffage selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le noyau (28) est en cuivre et comporte dans son épaisseur au moins un canal (30) annulaire de refroidissement par circulation d'eau. 10. Outil de chauffage selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que l'inducteur (20) comporte une culasse (32) annulaire en matériau à forte perméabilité B473 Il magnétique, à l'intérieur de laquelle est agencé le noyau (28), et à partir de laquelle la partie (26) tronconique du noyau (28) fait saillie axialement et radialement vers l'axe (A) des éléments (10, 12) coaxiaux. 11. Outil de chauffage selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'inducteur (20) comporte dans sa section annulaire un évidement (32) qui est destiné à permettre le passage d'un faisceau laser (24) en provenance de l'outil (22) de soudage au laser. o 12. Outil de chauffage selon la revendication 11, caractérisé en ce que des fils d'arrivée (34) du courant électrique d'alimentation de l'inducteur (20) sont agencés de part et d'autre de l'évidement (32). 13. Outil de chauffage selon l'une des revendications 11 i5 ou 12, caractérisé en ce qu'il comporte l'outil de soudage (22).