Brevet FR2835456A1 — publié le 20030808

La présente invention porte sur l'application d'un procédé MIG/MAG (Metal Inert Gas/Metal Active Gas), de soudage ou soudo-brasage, à l'arc électrique de tôles fines revêtues ou non, en particulier des tôles électrozinguées ou galvanisées, utilisées principalement dans le secteur de l'industrie de construction automobile, principalement pour assembler par soudage ou soudo-brasage différents éléments constitutifs de la structure d'un véhicule automobile, tels des éléments de la caisse, des ouvrants, ainsi que des jonctions sol, notamment des éléments de suspension. Le soudage des éléments de véhicules comme les caisses met en oeuvre des aciers HLE et THLE (haute ou très haute limite élastique) d'épaisseurs variables allant de 0,6 à 4 mm, et habituellement de 0,6 à 2 mm. De telles jonctions qui étaient réalisées initialement par soudage par résistance sont maintenant, pour des raisons d'accessibilité et de coûts des robots correspondants, réalisées par soudage à l'arc, essentiellement par procédé MIG à régime par court-circuit (short arc) ou puisé. Le procédé MIG à régime par court-circuit à faible énergie de soudage est plus particulièrement adapté au soudage des fines épaisseurs mais génère des projections à l'amorçage et en régime établi. Le procédé MIG à régime pulsé, de par son pilotage, permet une très bonne maîtrise du transfert avec absence de projections mais son énergie de soudage plus élevée, même à faible vitesse fil, entraîne des pénétrations plus importantes donc un effet inverse à celui recherché. De plus, il s'accommode difficilement de préparations dégradées ou approximatives, tel un jeu ou espacement entre les tôles à souder de l'ordre de l'épaisseur de la tôle la plus fine. Pour ces deux procédés, le détachement de la goutte de métal liquide vers le bain de fusion est assuré par une partie importante de l'énergie électrique transmise au fil et restituée via l'arc au métal de base. Cette excédant d'énergie va donc occasionner des pénétrations difficilement maîtrisables et/ou des projections directement liées à la stabilité du transfert de métal. On a tenté de résoudre ce problème via une substitution du soudage par du soudo-brasage en utilisant des métaux d'apport cuivreux, tels que des alliages CuAl ou CuSi à bas point de fusion et, dans tous les cas, très inférieur à la température de fusion du métal de base. De cette manière, on diminue l'énergie restituée à la tôle et donc les pénétrations et les déformations. Ce procédé s'accommode bien de préparations industrielles avec jeu inter-tôles mais, en revanche, le coût du métal d'apport pénalise notablement la généralisation de son application dans le domaine industriel, en particulier dans le secteur de la construction de véhicules automobiles. Par ailleurs, la réussite du soudage est également liée au potentiel du procédé à maîtriser le problème du dégazage et de la vaporisation du zinc, dans le cas du soudage de tôles revêtues par une couche de zinc. En effet, d'une manière générale, le zinc qui constitue le principal du revêtement de ce type de tôles, se caractérise par un point de fusion de l'ordre de 4020C et un point d'ébullition du zinc de l'ordre de 906 C qui sont très nettement inférieurs à celui du métal de base, c'est-à-dire des tôles à assembler, et du métal d'apport, c'est-à-dire du fil fusible. De ce fait, il est donc vaporisé pendant l'opération de soudage de par une action directe de l'arc électrique mais aussi par simple conduction thermique en avant et sur les bords du bain de fusion. En amont du bain de fusion, les vapeurs de zinc viennent perturber la protection gazeuse et le transfert, et occasionner ainsi des porosités dans le cordon mais également des instabilités et des projections. Ce phénomène est d'autant plus sensible que l'épaisseur du revêtement est importante par rapport à l'épaisseur soudée et que les configurations de joint, en particulier de type à clin qui sont retenues majoritairement dans les applications du secteur automobile, présentent à l'interface deux couches de zinc jointives emprisonnées qui aggravent les conditions de dégazage. Sur le plan de l'application, si les tolérances d'acceptation de porosités sont bien définies pour ce qui concerne les porosités non-débouchantes, la tolérance est généralement nulle pour les porosités débouchantes vis-à-vis des critères d'aspect, c'est-à-dire l'esthétique, et des conditions de mise en peinture subséquentes sur les chaînes de fabrication de véhicules. L'alternative du soudo-brasage présente également l'avantage d'un apport d'énergie sensiblement réduit puisque seule une fusion du fil est nécessaire et non des tôles, et la quantité de zinc vaporisée s'en trouve donc fortement réduite par rapport à un soudage conventionnel. Cependant, tous ces avantages sont minorés par le coût du métal d'apport, c'est-à-dire du fil de soudo-brasage devant être utilisé. En résumé, le problème qui se pose spécifiquement en soudage d'éléments dédiés au secteur de la construction automobile est que, comme expliqué ci-avant, les procédés de soudage par court-circuit et pulsé ne permettent pas de répondre simultanément aux exigences en termes de maîtrise des pénétrations et déformations, de par l'énergie excédentaire restituée à la tôle, ou de maîtrise des projections de par l'énergie importante à mettre en oeuvre pour obtenir le détachement des gouttes de métal fondu, alors que le procédé de soudo-brasage conduit à des avantages en termes de qualité et de confort de soudage mais au détriment d'un coût global beaucoup plus élevé du procédé dû à l'utilisation de fil fusible de brasage en alliages spéciaux plutôt onéreux. Le but de l'invention est alors de résoudre ces problèmes de l'art antérieur en proposant une solution industrielle parfaitement adaptée au secteur de la fabrication de véhicules automobiles permettant d'obtenir une absence de projections, une mise en oeuvre d'une énergie minimale, des vitesses de soudage plus élevées, des pénétrations et déformations réduites des tôles. La solution de l'invention est alors un procédé de soudage à l'arc électrique mettant en oeuvre d'un fil fusible soumis à un mouvement mécanique cyclique, alternativement en rapprochement puis en éloignement par rapport aux pièces à souder, de manière à créer un court-circuit entre l'extrémité du fil fusible et au moins une des pièces à assembler et à ainsi déposer du métal fondu pour réaliser progressivement un joint de soudure entre lesdites pièces, caractérisé en ce que les pièces à assembler sont des éléments constitutifs d'un véhicule automobile. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes : - le mouvement mécanique cyclique en rapprochement et en éloignement du fil par rapport au bain de fusion est piloté en fréquence, en vitesses, en temps haut de stabilisation de l'arc et en temps bas de contact avec le bain de fusion par au moins un microprocesseur en synchronisation avec une source de courant servant à générer l'arc et le courant de soudage. - les éléments à souder ont une épaisseur inférieure à 5 mm de préférence comprise entre 0.5 et 2 mm. - les éléments à souder comportent un revêtement de zinc sur au moins une de leurs faces. - les pièces métalliques sont en acier au carbone non allié de haute et très haute limite élastique. - au moins une partie des pièces métalliques à assembler sont en aluminium ou en alliage d'aluminium et choisies parmi les caisses ou parties de caisse, en particulier les jonctions tôles/extrudés ou extrudés/extrudés ; les ouvrants, telles les portières ou les capots ; les éléments de liaisons au sol, tels les bras de suspension, les berceaux, les traverses et les jantes. - au moins une partie des pièces métalliques à assembler sont en aciers inoxydables austénitiques ou ferritiques, en particulier les pots d'échappement ou des parties de pots d'échappement. - au moins une partie des éléments à assembler choisis dans le groupe formé par la caisse, le bas de caisse, les flancs raboutés, les longerons, les passage de roues, les traverses sous-sièges, les renforts de pieds, les traverses de planches de bord, les traverses avant, les absorbeurs de chocs et le berceau moteur. - l'intensité du courant, en fonction de la nature et le diamètre ou la section du fil, est comprise entre 30 A et 250 A. - le métal d'apport se présente sous forme de fil de diamètre compris entre 1.2 et 3.2 mm ou de feuillard de section comprise entre 0.5 x 4 et 0.6x 5 mm2. - le fil d'apport est en acier non allié ou faiblement allié, en acier inoxydable austénitique ou ferritique, en nickel ou alliages de nickel, en cuivre ou en alliages de cuivre, en aluminium ou alliages d'aluminium. - les cordons de soudure à réaliser ont une longueur comprise entre 5 et 100 mm, de préférence entre 10 mm et 70 mm. Toutefois, dans certaines applications, on peut également souder des cordons continus de longueur plus importantes, par exemple de l'ordre du mètre dans le cas des pots d'échappements, voire de plusieurs mètres. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication de véhicule automobile formés de plusieurs éléments assemblées par un procédé de soudage selon l'invention, de préférence mis en oeuvre par un robot de soudage, par exemple sur une chaîne de fabrication de véhicules automobiles. Le principe de l'invention repose sur le fait de forcer un court-circuit à se produire entre le fil fusible et les tôles à assembler grâce à la réalisation d'une descente "mécanique" du fil en direction des tôles à souder de manière à déposer la goutte de métal fondu dans le bain de fusion, puis d'opérer un retrait mécanique subséquent du fil après dépôt de la goutte métallique. Ce cycle de descente et remontée mécaniques du fil doit être piloté en fréquence, en vitesses, en temps haut et en temps bas par un ou plusieurs microprocesseur en synchronisation avec la source de courant. Dans ces conditions, l'énergie électrique délivrée est strictement destinée à la fusion du fil. Elle est donc réduite d'un facteur 2 à 3 par rapport à celle habituellement appliquée dans un procédé MIG conventionnel. L'application de ce procédé est donc particulièrement intéressante dans le secteur de la fabrication des éléments de véhicules automobiles. Les avantages engendrés par cette manière de réaliser le court-circuit et donc le dépôt des gouttes de métal en fusion, seront, d'une part, une absence de projections de par l'apport direct et mécanique du fil fondu dans le bain de fusion et, d'autre part, une énergie entièrement disponible pour la fusion du fil, donc des vitesses de soudage plus élevées autorisant au niveau de l'assemblage des pénétrations et déformations très réduites. Suivant les configurations de joint, on peut obtenir des vitesses 2 à 3 fois supérieures à celles obtenues, en mono fil, dans les deux régimes transfert précités de l'art antérieur. Cette énergie de soudage dédiée essentiellement à la fusion du fil, donc très réduite sur les tôles, entraîne donc une diminution très notable de la vaporisation du zinc en avant et dans le bain de fusion. II en résulte donc une réduction importante des instabilités et des projections mais aussi une limitation de l'altération du revêtement du côté endroit et de part et d'autre du cordon, mais également du côté opposé, c'est-à-dire sur la face envers, qui peut devenir prépondérant dans certains éléments de véhicules, en particulier lorsque qu'on considère la tenue à la corrosion de zones non accessibles avant peinture. L'invention est particulièrement adaptée à l'assemblage de la caisse du véhicule "en blanc" (tôles non pré-peintes ou peintes) à partir des différents éléments constitutifs suivants : bas de caisse, flancs raboutés, longerons hydroformés ou reconstitués, passage de roues, traverses sous siège, renforts de pied de milieu, traverses de planches de bord, traverses avant, longerons et absorbeurs de chocs (hydro-formés ou reconstitués, et berceau moteur. La gamme d'épaisseurs de ces composants emboutis ou hydroformés pouvant être ainsi soudés va de 0.6 à 2 mm. Ces éléments de véhicules sont généralement revêtus double faces par électrozingage ou galvanisation. En fonction de la chronologie d'assemblage des composants élémentaires jusqu'à celle des derniers sous-ensembles, les préparations finales, en termes de jeu et de mésalignement, vont donc cumuler l'ensemble des tolérances élémentaires pour atteindre des valeurs nécessitant soit une modification de la procédure de soudage existante, notamment un"balayage", c'est-à-dire un soudage avec oscillation transversales de la torche par rapport au plan de joint, avec réduction de la vitesse de soudage par exemple, soit l'adoption d'un procédé plus flexible, par exemple un procédé de soudobrasage à la place du soudage. Les cordons à réaliser sont des cordons typiquement discontinus de longueur variable entre 15 et 60 mm qui sont'mécaniquement efficaces'sur toute leur longueur, c'est-à-dire dimensionnés vis-à-vis d'une tenue en fatigue mais aussi de crash-tests frontaux voire latéraux. Il est donc indispensable que les démarrages et les fins de cordons soient aussi bien maîtrisés et sans projections. D'autres composants tels que les pots d'échappement sont plutôt réalisés à partir d'acier inoxydables ferritiques ou austénitiques dans des gammes d'épaisseur de 0.6 mm à 2 mm. La criticité de l'opération de soudage est très similaire à celle des caisses, en particulier pour ce qui concerne les préparations et les dégradations possible du métal de base et du catalyseur qu'ils contiennent. Viennent également s'y rajouter des problèmes de tenue en fatigue thermique et tenue à la corrosion. L'invention est ici aussi particulièrement adaptée au soudage à grande vitesse des circulaires, sans projection et sans dégradation des zones thermiquement affectées, des aciers inoxydables ferritiques ainsi que du catalyseur. Pour mettre en oeuvre l'invention, on utilise par exemple un générateur de courant de type 480 TRS de LA SOUDURE AUTOGENE FRANCISE, une torche de soudage MIG avec dispositif d'amenée de fil, un dévidoir de fil, un dispositif permettant de conférer un mouvement alternatif de va et vient au fil, c'est-à-dire en rapprochement puis en éloignement. L'installation permettant de mettre en oeuvre l'invention se compose d'un module de dévidage comprenant un système d'entraînement de galets presseurs couplés à un moteur électrique avec ou sans réducteur intermédiaire. La régulation de dévidage de fil peut assuré par un système de dynamo tachymétrique par exemple ou par un autre système de régulation approprié. L'installation comprend aussi un faisceau d'amenée de fil formé d'une gaine concentrique dans lequel transitent le fil fusible, le gaz de soudage et, suivant le cas, le circuit de refroidissement de la torche ; un module de dévidage situé au plus près de la torche, lequel peut comporter un ou plusieurs moteurs de type pas-à-pas pour entraîner le fil fusible à la vitesse moyenne désirée et assurer le mouvement descente et remontée nécessaire au fonctionnement du procédé ; un générateur de soudage tel que décrit précédemment ou analogue ; un module de pilotage à microprocesseur pour commander la vitesse et le mouvement du fil, ainsi que l'intensité délivrée par le générateur, en particulier la forme de l'onde de courant. En fonction de la nuance du métal de base et du métal d'apport, la protection gazeuse sera faite par exemple avec un gaz de type mélanges gazeux Ar+C02 ou Ar+COz+Oz pour le soudage des aciers carbone non alliés ou faiblement alliés, ou de type mélange Ar+H2+C02 pour le soudo-brasage de ces mêmes matériaux, ou mélange de type Ar+H2+C02 ou Ar+He+C02 pour les aciers inoxydables austénitiques et ferritiques, ainsi que pour le nickel et ses alliages, ou encore de type argon ou mélange Ar+He, Ar+02 ou Ar+He+02 pour l'aluminium et ses alliages. Le procédé de soudage MIG à court-circuit forcé mécaniquement dont on peut trouver des détails supplémentaires notamment dans le document Direct Control of the Material Transfer : The Controlled Short Circuit (CSC)-MIG Process, de G. Huismann, p. 165-172, publié dans Gas Metal Arc Welding for the 21st Century, AWS/EWI Conference 6-8 décembre 2000, Orlando, Floride, est particulièrement adapté au soudage d'éléments constitutifs de véhicules automobiles car il permet : - un soudage de tôles très fines sou faible énergie et à vitesse de soudage élevée, donc engendrant de faibles déformations dimensionnelles ou distorsions sur une caisse assemblée de véhicule, - une stabilité forcée du procédé donc une absence de projections sur les zones courantes mais aussi sur les zones de démarrage et de fond de cordon, - un respect des matériaux assemblés puisque les zones affectées sont réduites puisque une faible énergie est restituée au métal de base, et - un respect du revêtement de zinc grâce à la faible énergie mise en oeuvre qui engendre donc une faible vaporisation du zinc sur les différentes faces des assemblages. Revendications 1. Procédé de soudage à l'arc électrique pour assembler des pièces qui sont des éléments constitutifs d'un véhicule automobile, dans lequel on met en oeuvre d'un fil fusible soumis à un mouvement mécanique cyclique, alternativement en rapprochement puis en éloignement par rapport aux pièces à souder de manière à créer un court-circuit entre l'extrémité du fil fusible et au moins une des pièces à assembler et à déposer ainsi du métal fondu pour réaliser progressivement un joint de soudure entre lesdites pièces. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mouvement mécanique cyclique en rapprochement et en éloignement du fil par rapport au bain de fusion est piloté en fréquence, en vitesses, en temps haut de stabilisation de l'arc et en temps bas de contact avec le bain de fusion par au moins un microprocesseur en synchronisation avec une source de courant servant à générer l'arc et le courant de soudage. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments à souder ont une épaisseur inférieure à 5 mm, de préférence comprise entre 0.5 et 2 mm. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les éléments à souder comportent un revêtement de zinc sur au moins une de leurs faces. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les pièces métalliques sont en acier au carbone non allié de haute ou très haute limite élastique. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins une partie des pièces métalliques à assembler sont : - en aluminium ou en alliage d'aluminium et choisies parmi les caisses ou parties de caisse, en particulier les jonctions tôles/extrudés ou extrudés /extrudés ; les ouvrants, telles les portières ou les capots ; les éléments de liaisons au sol, tels les bras de suspension, les berceaux, les traverses et les jantes, ou - en aciers inoxydables austénitiques ou ferritiques, en particulier les pots d'échappement ou des parties de pots d'échappement. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins une partie des éléments à assembler choisis dans le groupe formé par la caisse, le bas de caisse, les flancs raboutés, les longerons, les passage de roues, les traverses sous-sièges, les renforts de pieds, les traverses de planches de bord, les traverses avant, les absorbeurs de chocs et le berceau moteur. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'intensité du courant, en fonction de la nature et le diamètre ou la section du fil, est comprise entre 30 A et 250 A. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le métal d'apport se présente sous forme de fil de diamètre compris entre 1.2 et 3.2 mm ou de feuillard de section comprise entre 0.5 x 4 et 0.6x 5 mm2. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le fil d'apport est en acier non allié ou faiblement allié, en acier inoxydable austénitique ou ferritique, en nickel ou alliages de nickel, en cuivre ou en alliages de cuivre, en aluminium ou alliages d'aluminium. 11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les cordons de soudure à réaliser ont une longueur comprise entre 5 et 100 mm, de préférence entre 10 mm et 70 mm. 12. Procédé de fabrication de véhicule automobile formés de plusieurs éléments assemblées par un procédé de soudage selon l'une des revendications 1val1. 13. Procédé de fabrication selon la revendication 12, caractérisé en ce que le procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 11 est mis en oeuvre par un robot de soudage.