Brevet FR2889471A1 — publié le 20070209

La présente invention est relative à l'assemblage par soudage d'une pièce en acier et d'une pièce en fonte. Certains composants mécaniques, notamment utilisés dans l'industrie automobile, sont constitués d'assemblage de pièces en acier d'une part, et de pièces en fonte d'autre part, en particulier en fonte ductile comme les fontes à graphite sphéroïdal, de façon à optimiser le comportement d'ensemble du composant. Cependant du fait des différences de compositions importantes, et en particulier des différences de teneur de carbone pour l'acier et pour la fonte, les assemblages par soudage d'une pièce en acier sur une pièce en fonte présentent l'inconvénient de ne pas avoir une résistance à la traction ou à la flexion très élevée. Une solution, décrite dans le brevet EP0676257 propose d'assembler une pièce en fonte et une pièce en acier, en interposant entre lesdites pièces, puis en déposant suivant la technique connue de soudage sous flux, un cordon de soudure en alliage de fer-nickel à forte teneur en nickel. Toutefois, cette technique suppose la présence d'une interface entre les pièces à souder destinée à accueillir le cordon de soudure et limite ainsi les configuration de soudage. D'autres solutions consistant à souder par résistance une pièce en fonte avec une pièce en acier en interposant un insert en alliage de fer-nickel à forte teneur en nickel ont été également envisagées. Toutefois, le chauffage par résistance entraîne généralement des déformations géométriques non négligeables de la pièce en acier et de la pièce en fonte, et une fragilisation des interfaces de soudage. Le but de la présente invention est par conséquent de remédier à tout ou partie des inconvénients précités en proposant un moyen de fabriquer par soudage au laser des composants mécaniques constitués d'assemblages de pièces en acier et de pièces en fonte, tout en obtenant des liaisons entre les pièces en acier et les pièces en fonte ayant des résistances à la traction et à la flexion satisfaisantes. 2889471 2 A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'assemblage par soudage d'une pièce en acier et d'une pièce en fonte, caractérisé en ce qu'un apport en alliage fer-nickel à forte teneur en nickel est réalisé entre la pièce en acier et la pièce en fonte au moyen d'un faisceau laser. Plus précisément, ledit procédé comporte les étapes suivantes: - la pièce en fonte et la pièce en acier sont mises en contact de manière à former une interface, - l'interface entre la pièce en fonte et la pièce en acier est chauffée au moyen d'un faisceau laser jusqu'à la fusion, -l'apport en alliage fer-nickel à forte teneur en nickel est réalisé à l'interface entre la pièce en fonte et la pièce en acier, par fusion de l'alliage fernickel à forte teneur en nickel au moyen du faisceau laser. De préférence, la pièce en fonte est mise en contact sous charge contre la pièce en acier, avant que l'interface entre la pièce en fonte et la pièce en acier ne soit chauffée au moyen du faisceau laser jusqu'à la fusion. De préférence, l'étape de mise en contact de la pièce en fonte contre la pièce en acier est précédée par une étape de chauffage de la pièce en fonte et de la pièce en acier à une température T pendant une durée t. De préférence, la pièce en fonte et la pièce en acier sont maintenues à une température T' pendant une durée t' après que l'apport a été réalisé à l'interface. Avantageusement, les températures T et T' sont comprises entre 200 C et 300 C. Avantageusement, les durées t et t' sont comprises entre 5 et 30 minutes. Avantageusement, le laser est un laser au CO2 d'une puissance de quelques kW. La pièce en acier est en acier moyennement ou faiblement allié contenant moins de 0,5% de carbone et moins de 8% d'éléments d'alliage, et la pièce en fonte est une fonte GS (à graphite sphéroïdal), dont la 2889471 3 composition comprend, de préférence, de 2,4% à 3,2% de carbone, de 0,9% à 2,5% de silicium et de 0,2% à 0,8% de manganèse. La composition chimique de l'apport en alliage fer-nickel comprend principalement de 40% à 50% de nickel, de 40% à 50% de fer et de 5% à 5 15% de manganèse. L'invention concerne également un procédé d'assemblage par soudage au laser caractérisé en ce que la pièce en acier et la pièce en fonte sont les constituants d'un composant de liaison au sol d'un véhicule automobile ou d'un composant de groupe moto-propulseur d'un véhicule automobile. L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative en regard des figures annexées, dans lesquelles: - la figure 1 est une représentation schématique d'un procédé 15 d'assemblage par soudage au laser d'un tube en acier et d'un embout en fonte; - la figure 2 est une représentation schématique de l'assemblage que constitue l'ensemble tube en acier / embout en fonte conformément à l'invention. - la figure 3 est une coupe micrographique de la zone de liaison entre une pièce en acier et une pièce en fonte assemblées conformément à l'invention. D'une façon générale et selon l'invention, pour assembler par soudage au laser une pièce en acier et une pièce en fonte à graphite sphéroïdal, on chauffe au moyen d'un faisceau laser l'interface de la pièce en acier et de la pièce en fonte de manière à ce que l'interface fonde et qu'il se forme un espace vide. Puis on déroule un fil, dont l'extrémité est fondue au voisinage de l'interface au moyen du faisceau laser. Enfi n, on laisse refroidir l'interface emplie de [apport constitué par le fil fondu de telle sorte que la pièce en acier, l'apport et la pièce en fonte forment un ensemble solidaire. 2889471 4 Les pièces en acier auxquelles le procédé est applicable sont notamment des pièces en acier de construction moyennement allié, ou en acier faiblement allié, c'est-à-dire d'un acier contenant moins de 0,5% de carbone et moins de 8%, ou respectivement moins de 5%, d'éléments d'alliage. Les éléments d'alliage sont les éléments d'alliage des aciers de construction, connus de l'homme du métier. Sans que cette liste soit exhaustive, il s'agit en particulier du silicium, du manganèse, du nickel, du chrome, du molybdène, ou des éléments de micro-alliage tels que le vanadium, le niobium, etc... . Ces éléments peuvent également être désoxydants tels que l'aluminium. Outre, ces éléments, l'acier contient, de façon connue en elle-même, du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Les pièces en fonte auxquelles le procédé est applicable sont, de préférence, en fonte à graphite sphéroïdal (fonte GS). Ces fontes sont connues en elle-même de l'homme du métier et comprennent, dans leur composition, principalement et de préférence de 2,4% à 3,2% de carbone, de 0,9% à 2,5% de silicium, et de 0,2% à 0,8% de manganèse. Le reste de la composition est principalement du fer, éventuellement des éléments secondaires et des impuretés résultant de l'élaboration. L'alliage à forte teneur en nickel utilisé pour l'apport est, de préférence, un alliage contenant principalement entre 40% et 50% de nickel, entre 40% et 50% de fer, et entre 5% et 15% de manganèse. Ce peut être, par exemple, un alliage dont la composition nominale contient principalement 44% de nickel, 45% de fer, 11% de manganèse. Pour un tel alliage, les teneurs réelles peuvent varier dans des fourchettes de plus ou moins 1% autour des valeurs nominales. En outre, la composition de ces alliages contient des éléments secondaires que l'homme du métier connaît et sait adapter, et éventuellement des impuretés résultant de l'élaboration. 2889471 5 L'apport en alliage fer-nickel à forte teneur en nickel est effectué au moyen d'un fil qui est déroulé suivant des paramètres que l'homme du métier saura adapter en fonction des conditions particulières de soudage. A titre d'exemple, on a soudé en utilisant le procédé selon l'invention un échantillon d'acier sur un échantillon de fonte, l'échantillon en acier étant constitué par un tube 1 et l'échantillon en fonte étant un embout cylindrique 4 monté en force sur le tube. Pour effectuer ce soudage, on a utilisé une éprouvette en acier 1 constituée d'un tube de 100 mm de long ayant un diamètre intérieur de 35 mm et un diamètre extérieur de 39 mm et une éprouvette en fonte 4 constituée d'un cylindre plein ayant un diamètre de 46 mm prolongé par un embout cylindrique ayant un diamètre de 35 mm. L'ensemble des éprouvettes 1 et 4 a été monté sur un mandrin rotatif, et l'éprouvette en fonte 4 a été montée en force sur l'éprouvette en acier 1 avec un serrage de 0,04 mm. Avantageusement, l'ensemble constitué par les deux éprouvettes 1 et 4 a été chauffé par induction à une température comprise entre 200 et 300 C pendant une durée t comprise entre 5 et30 mn. Puis, l'ensemble constitué par les deux éprouvettes 1 et 4 a été mis en rotation suivant une vitesse comprise entre 0,5 et 0,8 m/mn. Enfin, un faisceau laser 5 présentant une focale de 150 mm et une puissance de 1,3 kW a été appliqué à l'interface 3 des éprouvettes 1 et 4 de manière à ce que ladite interface soit portée à une température voisine de 1360 C et qu'elle soit en fusion. Avantageusement, les différentes étapes relatives à ce procédé de soudage au laser s'effectuent dans une atmosphère riche en Argon, de manière à éviter la formation d'oxydes. Dans cet essai, l'éprouvette était en acier de construction du type 20M5 (acier au manganèse contenant principalement 0,2% de carbone 30 environ et 1,25% de manganèse environ). 2889471 6 L'éprouvette en fonte était en fonte GS du type GS400-12, c'est à dire comprenant dans sa composition entre 3,4% et 3,8% de carbone, 2,3% et 3% de silicium, moins de 0,7% de manganèse, moins de 0,02% de soufre et moins de 0,05% de phosphore. Pour effectuer le soudage au laser, un fil 7 de diamètre 1 mm en alliage à forte teneur en nickel contenant principalement environ 44% de nickel, environ 45% de fer et environ 1 1% de manganèse (cet alliage contient également des éléments en faible quantité qui sont notamment des impuretés résultant de l'élaboration) a été déroulé au niveau de l'interface 3 fondue. Puis on a soumis l'extrémité du fil 7 à un faisceau laser 5 présentant une focale de 150 mm et une puissance de 1,3 kW, de manière à fondre l'extrémité du fil 7 et à remplir l'interface 3 d'un apport 6. On a ainsi obtenu une zone de soudure dont une coupe micrographique est représentée à la figure 3. Sur cette coupe micrographique, on voit que la fonte à graphite sphéroïdale 4 est séparée de l'acier 1 par un cordon de soudure en alliage à forte teneur en nickel 6, qui assure la liaison entre la fonte et l'acier. En outre, on n'observe pas de fissure. Ces caractéristiques de résistance de l'assemblage sont considérablement supérieures à celles qu'on obtient en soudant directement la fonte et l'acier sans réaliser d'apport en alliage à forte teneur en nickel. En effet, dans le cas d'un soudage fonte/acier sans apport à l'interface, on obtient au niveau du cordon de soudure un alliage fonte/acier particulièrement fragile. Ce procédé de soudage qui permet de réaliser des assemblages ayant de bonnes propriétés mécaniques, non seulement en compression mais également en traction, peut être utilisé pour fabriquer différents ensembles mécaniques, notamment pour l'industrie automobile, constitués d'assemblages de pièces en acier et de pièces en fonte, et ainsi d'obtenir 2889471 7 des ensembles dont chacun des composants a des propriétés adaptées à son usage. A titre d'exemple, on réalise ainsi des composants pour liaison au sol constitués par exemple de bras de suspension soudés sur des traverses, des supports de connexion soudés sur des bras, ou sur des pivots, ou sur des fusées. On peut également réaliser des composants pour le groupe motopropulseur, et par exemple souder des goujons en acier, ou plus généralement des supports de connexion, sur des blocs moteurs, par exemple sur des culasses en fonte. Ces exemples ne sont pas limitatifs et l'homme du métier saura déterminer quels sont les assemblages mécaniques constitués de pièces en acier et de pièces en fonte pour lesquelles ces techniques d'assemblage par soudage au laser avec un apport en alliage à forte teneur en nickel présentent un avantage particulier. L'homme du métier saura aussi adapter au cas par cas les conditions particulières de réalisation de l'assemblage. 8 REVENDICATIONS 1. Procédé d'assemblage par soudage d'une pièce en acier et d'une pièce en fonte, caractérisé en ce qu'un apport (6) en alliage fer-nickel à forte teneur en nickel est réalisé entre la pièce en acier (1) et la pièce en fonte (4), au moyen d'un faisceau laser (5). 2. Procédé d'assemblage par soudage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé comporte les étapes suivantes: - la pièce en fonte (4) et la pièce en acier (1) sont mises en contact de manière à former une interface (3), - l'interface (3) entre la pièce en fonte (4) et la pièce en acier (1) est chauffée au moyen d'un faisceau laser (5) jusqu'à la fusion, - l'apport (6) en alliage fer-nickel à forte teneur en nickel est réalisé à l'interface (3) entre la pièce en fonte (4) et la pièce en acier (1), par fusion de l'alliage fer-nickel à brte teneur en nickel au moyen du faisceau laser (5). 3. Procédé d'assemblage par soudage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce en fonte (4) est mise en contact sous charge contre la pièce en acier (1), avant que l'interface (3) entre la pièce en fonte (4) et la pièce en acier (1) ne soit chauffée au moyen du faisceau laser (5) jusqu'à la fusion. 4. Procédé d'assemblage par soudage selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'étape de mise en contact de la pièce en fonte (4) et de la pièce en acier (1) est précédée par une étape de chauffage de la pièce en fonte (4) et de la pièce en acier (1) à une température T pendant une durée t. 2889471 9 5. Procédé d'assemblage par soudage selon les revendications 2, à 4, caractérisé en ce que la pièce en fonte (4) et la pièce en acier (1) sont maintenues à une température T' pendant une durée t', après que l'apport (6) a été réalisé à l'interface (3). 6. Procédé d'assemblage par soudage selon les revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les températures T et T' sont comprises entre 200 C et 300 C. 7. Procédé d'assemblage par soudage selon les revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les durées t et t' sont comprises entre 5 et 30 minutes. 8. Procédé d'assemblage par soudage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le laser est un laser au 15 CO2 d'une puissance de quelques kW. 9. Procédé d'assemblage par soudage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce en acier (1) est en acier moyennement ou faiblement allié contenant moins de 0,5% de carbone et moins de 8% d'éléments d'alliage, et en ce que la pièce en fonte (4) est en fonte GS (à graphite sphéroïdal), dont la composition comprend, de préférence, de 2,4% à 3,2% de carbone, de 0,9% à 2,5% de silicium et de 0,2% à 0,8% de manganèse. 10. Procédé d'assemblage par soudage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la composition chimique de l'apport (6) en alliage fer-nickel comprend principalement de 40% à 50% de nickel, de 40% à 50% de fer et de 5% à 15% de manganèse. 2889471 10 11. Procédé d'assemblage par soudage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce en acier (1) et la pièce en fonte (4) sont les constituants d'un composant de liaison au sol d'un véhicule automobile ou d'un composant de groupe motopropulseur d'un véhicule automobile.