Brevet FR2922796A1 — publié le 20090501

DISPOSITIF DE SOUDAGE A DOUBLE EPAULEMENT ET ACTIONNEUR UNIQUE ET PROCEDE DE SOUDAGE DE PIÈCES PAR FRICTION MALAXAGE L'invention concerne un dispositif de soudage à double épaulement pour le soudage de pièces par friction malaxage, également appelé �Friction Stir Welding Bobbin-Tool �. L'invention concerne également un procédé de soudage utilisant un tel dispositif. L'invention trouve des applications dans tout domaine nécessitant de souder bord à bord ou par recouvrement deux pièces qui peuvent être en alliages métalliques de toutes sortes, et notamment en alliage d'aluminium. Un tel dispositif de soudage est tout particulièrement adapté au soudage de panneaux de fuselage d'aéronefs, mais également au soudage de panneaux plus épais tels que ceux utilisés au niveau de la voilure ou du caisson central de voilure, ainsi qu'au soudage de tout élément de structure de véhicule spatial, de missile, de véhicule automobile etc. Un tel dispositif comporte un pion de malaxage destiné à traverser la matière à souder et à la malaxer au fur et à mesure de l'avancement du dispositif de soudage, ainsi qu'un épaulement inférieur et un épaulement supérieur. L'épaulement inférieur est monté fixe ou en translation sur le pion de malaxage tandis que l'épaulement supérieur est monté en translation le long du pion de malaxage. Il est ainsi possible d'avoir un écartement variable entre les deux épaulements entre lesquels les pièces à souder sont destinées à être logées. Le dispositif de soudage à double épaulement permet de créer un échauffement des deux côtés du joint soudé et donc d'avoir une meilleure répartition thermique. De plus, l'épaulement inférieur reprend la force de pression exercée par l'épaulement supérieur ce qui permet de souder des pièces qui ne sont pas capables de reprendre l'effort de forgeage d'un outil conventionnel ou à pion rétractable. Un tel dispositif de soudage à double épaulement nécessite un équipement complexe comportant une tête de soudage à deux actionneurs, chacun pilotant un épaulement. Cela tend à augmenter l'encombrement du dispositif de soudage dans son ensemble et complexifie la robotisation du procédé de soudage utilisant un tel dispositif de soudage. Dans l'invention, on cherche à fournir un dispositif de soudage à double épaulement à actionneur unique et dont l'encombrement est réduit. Un autre but de l'invention est de fournir un tel dispositif de soudage dont la robotisation est aisée à mettre en oeuvre. Pour cela, dans l'invention, on propose un dispositif de soudage à double épaulement, pour le soudage de pièces par friction malaxage, dans lequel l'effort de pincement généré entre les épaulements ne nécessite pas d'actionneur volumineux et complexe. L'effort de pincement entre les épaulements est généré par un ressort, ou tout autre moyen élastique, qui est comprimé par l'épaulement supérieur avant la mise en marche du dispositif de soudage, et qui en réaction repousse l'épaulement supérieur contre une face supérieure des pièces à souder pendant tout le temps que dure l'étape de soudage proprement dite. L'épaulement inférieur, lui, est fixé sur le pion de malaxage du dispositif de soudage de manière à frotter contre une face inférieure des pièces à souder. L'effort de soudage est ainsi fixé avant même le pilotage du dispositif de soudage le long des pièces à souder, par resserrement des épaulements sur les pièces à souder et compression du ressort. Avantageusement, la flexibilité du ressort utilisée est fonction de l'intensité de l'effort à appliquer sur les pièces à souder. L'invention a donc pour objet un dispositif de soudage par friction malaxage à double épaulement, comportant un pion de malaxage monté fixe sur un corps principal d'une tête de soudage dudit dispositif, un épaulement inférieur et un épaulement supérieur, l'épaulement inférieur étant monté sur le pion de malaxage de manière qu'il puisse être bloqué en partie basse dudit pion de malaxage, caractérisé en ce que l'épaulement supérieur est monté sur le pion de malaxage de manière qu'une position de l'épaulement supérieur autour du pion de malaxage puisse être fixée par compression de moyens élastiques disposés entre le corps principal et l'épaulement supérieur, en fonction d'un effort de pincement que l'on souhaite appliquer sur les éléments à souder. Les épaulements inférieur et supérieur sont montés autour du pion de malaxage de manière à ménager un espace entre les deux épaulements dans lequel sont logés les pièces à souder. On peut modifier la position de l'épaulement inférieur en partie basse du pion de malaxage par exemple par vissage sur le pion de malaxage, de manière à descendre ou monter ledit épaulement inférieur sur ledit pion. L'épaulement inférieur peut être bloqué dans la position choisie au moyen d'un écrou. Les moyens élastiques sont par exemple une ou plusieurs rondelles bellevilles, dont le nombre et la compliance peuvent être variables en fonction des pièces à souder, c'est-à-dire de leur nature, de leurs dimensions et de leur utilisation finale. D'une manière générale, plus l'effort de pincement nécessaire est important, plus on comprime les moyens élastiques en remontant l'épaulement inférieur le long du pion de malaxage, ce qui par réaction remonte également l'épaulement supérieur qui comprime les moyens élastiques. La compression des moyens élastiques se fait en amont de l'utilisation proprement dite du dispositif pour souder, de sorte que l'effort de pincement est fixé avant même la mise en route du dispositif de soudage. Avantageusement, l'épaulement supérieur est monté fixe en rotation et libre en translation sur le corps principal. Ainsi, la rotation du corps principal entraîne la rotation de l'épaulement supérieur, qui peut cependant coulisser le long du corps principal et du pion de malaxage, de manière à comprimer plus ou moins les moyens élastiques en fonction du taux de compression que l'on souhaite avoir. Autrement, il est possible de monter l'épaulement supérieur libre en rotation et libre en translation sur le corps principal. La position de l'épaulement supérieur le long du pion de malaxage, c'est-à-dire l'amplitude de la translation, peut être limitée par une butée haute et une butée basse, permettant de fixer une compression minimum et une compression maximum des moyens élastiques. L'invention a également pour objet un procédé de soudage de pièces par friction malaxage au moyen du dispositif de soudage à double épaulement selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes supplémentaires suivantes : -on amène les pièces à souder, dans la position que l'on souhaite obtenir en fin de soudage, entre les épaulements du dispositif de soudage ; - on déplace l'épaulement inférieur le long du pion de malaxage de manière à appliquer ledit épaulement contre une face inférieure des pièces à souder; - on poursuit le déplacement du pion inférieur en direction des pièces à souder, de manière à comprimer les moyens élastiques situés entre l'épaulement supérieur et le corps principal de la tête de soudage, et ainsi fixer l'effort de pincement souhaité entre les deux épaulements ; -on bloque l'épaulement inférieur en position sur le pion de malaxage ; -on pilote le dispositif de soudage le long des pièces à souder. Le serrage de l'écrou, ou de tout autre moyen de fixation de l'épaulement inférieur, contre ledit épaulement inférieur permet de repousser l'épaulement supérieur en direction du corps principal, par compression des moyens élastiques. C'est alors la compression du ressort en amont même du soudage en tant que tel qui fixe l'effort de soudage appliqué sur les pièces à souder. Il n'y a pas besoin d'actionneur spécifique et encombrant pour appliquer un effort sur chacun des épaulements. Selon des exemples de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, il est possible de prévoir tout ou partie des étapes supplémentaires suivantes : - On utilise un moyen élastique à raideur forte, de manière que le dispositif de soudage applique un effort sur les pièces à souder qui puisse diminuer lorsque les épaulements se rapprochent. On obtient ainsi une épaisseur de joint soudé qui varie très peu, comparable au joint soudé qu'on obtient en utilisant un dispositif de soudage à double épaulement monobloc, c'est-à-dire avec épaulements fixes sur le pion de malaxage. - On utilise un moyen élastique à raideur faible, de manière que le dispositif de soudage applique un effort quasi constant, même dans le cas où l'épaisseur des pièces à souder varie légèrement d'un bout à l'autre du joint soudé que l'on souhaite obtenir. - On soude deux tôles bord à bord, le pion de malaxage se déplaçant le long de deux rebords accolés des tôles à souder. Le joint soudé obtenu s'étend ainsi le long desdits bords accolés des tôles. - On soude deux tôles par recouvrement, le pion de malaxage traversant une épaisseur cumulée des deux tôles à souder. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures représentent : - Figure 1 : Une représentation schématique en coupe transversale partielle d'une tête de soudage d'un dispositif de soudage à double épaulement selon un premier exemple de réalisation de l'invention, dans lequel l'épaulement supérieur est fixe en rotation ; - Figure 2 : Une représentation schématique en coupe transversale partielle d'un dispositif de soudage à double épaulement selon un second exemple de réalisation de l'invention, dans lequel l'épaulement supérieur est libre en rotation, lors d'une utilisation pour souder deux tôles bord à bord. - Figure 3 : Une représentation schématique en coupe transversale partielle d'un dispositif de soudage à double épaulement de la figure 1, lors d'une utilisation pour souder deux tôles bord à bord. Sur la figure 1 est représentée une tête de soudage 1 d'un dispositif de soudage à double épaulement selon l'invention. La tête de soudage 1 comporte un corps principal 2 destiné à être encastré sur une tête du dispositif de soudage (non représentée), deux épaulements 3, 4 et un pion de malaxage 5. Plus précisément, un épaulement supérieur 3 est monté en translation en partie haute 6 du pion de malaxage, tandis qu'un épaulement inférieur 4 est monté en partie basse 7 dudit pion de malaxage 5. Une extrémité haute 8 dudit pion de malaxage 5 est vissée ou encastrée dans le corps principal. L'épaulement inférieur 4 peut être vissé et dévissé le long de la partie basse 7 du pion de malaxage 5, en fonction de l'utilisation que l'on souhaite faire du dispositif de soudage, et la position dudit épaulement inférieur 4 le long du pion 5 est maintenue par un écrou 9. L'épaulement supérieur 3 a une forme tubulaire cylindrique et présente une coupe transversale en U. Ainsi, une extrémité basse 10 du corps principal 2 est logée dans le volume interne 11 de l'épaulement supérieur 3, ledit épaulement supérieur 3 pouvant coulisser le long de l'extrémité basse 10 du corps principal 2. Une clavette 14 permet de lier en rotation le corps principal 2 et l'épaulement supérieur 3 de sorte que la mise en rotation du corps principal entraîne la rotation de l'épaulement supérieur 3. Le coulissement de l'épaulement supérieur 3 le long de l'extrémité basse 10 du corps principal 2 est limité par une butée basse 15. Par ailleurs, des rondelles bellevilles 12 sont disposées dans le volume interne 11, entre l'extrémité basse 10 du corps principal 2 et une paroi d'appui 13 de l'épaulement supérieur 3, destinée à venir au contact des pièces à souder. La surface d'appui 23 de l'épaulement supérieur 3 et la surface d'appui 21 de l'épaulement inférieur 4 ont un diamètre proche de celui des rondelles bellevilles 12. Bien entendu, dans un autre exemple de réalisation, on peut prévoir que les surfaces d'appui 21, 23, ou au moins une, des épaulements 3, 4 aient un diamètre complètement différent du diamètre desdites rondelles 12. Sur la figure 2 est représenté un second exemple de réalisation de la tête de soudage 1 selon l'invention, l'épaulement supérieur 3 étant ici libre en rotation et en translation par rapport au corps principal 2. Plus précisément, l'épaulement supérieur 3 est monté en translation en partie haute 6 du pion de malaxage 5 de manière à pouvoir coulisser le long de l'extrémité 10 du corps principal 2, le coulissement étant limité par une butée haute 25 et une butée basse 26 encadrant un téton 17. Avantageusement, on prévoit une butée à billes 16 entre l'extrémité basse 10 du corps principal 2 et les rondelles élastiques 12, ladite butée à billes 16 étant fixée à l'extrémité basse 10 du corps principal. La butée à billes 16 permet d'éliminer les frottements entre l'épaulement supérieur 3 et le corps principal 2 lors de la rotation dudit corps principal 2. Comme cela est visible sur la figure 3, représentant la tête de soudage 2 de la figure 1 lors d'un soudage bord à bord de deux tôles 18, 19, on place lesdites tôles 18, 19 dans un espace 20 ménagé entre les deux épaulements 3, 4, en accolant un bord de la première tôle 18 contre un bord de la seconde tôle 19. On remonte alors l'épaulement inférieur 4 le long de la partie basse 7 du pion de malaxage 5 par vissage dudit épaulement inférieur 4 sur ledit pion 5, jusqu'à ce que la surface d'appui 21 de l'épaulement inférieur 4 vienne au contact d'une face inférieure 22 des tôles 18, 19. On poursuit le vissage de manière à remonter les tôles 18, 19 en direction de la surface d'appui 23 de l'épaulement supérieur 3, jusqu'à ce qu'une face supérieure 24 des tôles 18, 19 soit au contact de ladite surface d'appui 23. On continue encore de visser l'épaulement inférieur 4 en direction de l'épaulement supérieur 3, de manière à repousser par coulissement l'épaulement supérieur 3 en direction du corps principal 2, et à comprimer les rondelles 12. Une fois le taux de compression des rondelles 12 souhaité obtenu, on maintient l'épaulement inférieur 4 en position sur le pion 5 grâce à l'écrou 9, ce qui maintient l'écrasement des rondelles 12 et la position de l'épaulement supérieur 3. Les rondelles 12 vont ainsi restituer un effort de pincement sur l'épaulement supérieur 3 et par réaction sur l'épaulement inférieur 4 pendant tout le temps du pilotage du dispositif de soudage le long des rebords accolés des tôles 18, 19. Ainsi, par exemple, dans le cas du soudage de tôles d'alliage d'aluminium d'épaisseur 3.5 mm, à l'aide d'un dispositif de soudage à double épaulement selon l'invention composé d'un pion d'un diamètre 6mm et d e deux épaulements de diamètre 12mm, il est possible d'obtenir l'effort requis de 2500 N par l'empilement en série de 6 paquets de 5 rondelles en parallèle de caractéristiques suivantes : - diamètre intérieur 6.2mm, -diamètre extérieur 12mm, - épaisseur 0.6mm, - flèche totale exploitable 0.35mm, et - effort maximal délivrable de 551 N à 75% de la flèche totale. Avec un tel montage, une variation d'épaisseur de 0.1 mm donne une variation de l'effort de 210 N soit 8.4% de l'effort total. Le dispositif de soudage selon l'invention permet de procéder à un soudage par friction malaxage, avec un effort de soudage d'intensité fixée par avance en fonction des besoins. La tête de soudage 1 peut être solidarisée à tout dispositif de soudage, sans qu'il soit nécessaire de prévoir des actionneurs spécifiques pour commander les épaulements 3, 4. REVENDICATIONS 1- Dispositif de soudage de pièces (18, 19) par friction malaxage à double épaulement, comportant un pion de malaxage (5) monté fixe sur un corps principal (2) d'une tête de soudage (1) dudit dispositif, un épaulement inférieur (4) et un épaulement supérieur (3), l'épaulement inférieur étant monté sur le pion de malaxage de manière qu'il puisse être bloqué en partie basse (7) dudit pion de malaxage, caractérisé en ce que l'épaulement supérieur est monté sur le pion de malaxage de manière qu'une position de l'épaulement supérieur autour du pion de malaxage puisse être fixée par compression de moyens élastiques (12) disposés entre le corps principal et l'épaulement supérieur, en fonction d'un effort de pincement que l'on souhaite appliquer sur les pièces à souder. 2- Dispositif de soudage par friction malaxage à double épaulement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaulement supérieur est monté fixe en rotation (14) et libre en translation (15) sur le corps principal. 3- Dispositif de soudage par friction malaxage à double épaulement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaulement supérieur est monté libre en rotation (17) et libre en translation (25, 26) sur le corps principal. 4- Procédé de soudage de pièces (18, 19) par friction malaxage au moyen du dispositif de soudage à double épaulement selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en qu'il comporte les étapes supplémentaires suivantes : - on amène les pièces à souder, dans la position que l'on souhaite obtenir en fin de soudage, entre les épaulements du dispositif de soudage ; - on déplace l'épaulement inférieur le long du pion de malaxage de manière à appliquer ledit épaulement contre une face inférieure (22) des pièces à souder ; - on poursuit le déplacement du pion inférieur en direction des pièces à souder, de manière à comprimer les moyens élastiques situés entre l'épaulement supérieur et le corps principal de la tête de soudage, et ainsi fixer l'effort de pincement souhaité entre les deux épaulements ; -on bloque l'épaulement inférieur en position sur le pion de malaxage ;- on pilote le dispositif de soudage le long des pièces à souder. 5- Procédé de soudage selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape suivante : - on utilise un moyen élastique à raideur forte, de manière que le dispositif de soudage applique un effort sur les pièces à souder qui puisse diminuer lorsque les épaulements se rapprochent. 6- Procédé de soudage selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape suivante : - on utilise un moyen élastique à raideur faible, de manière que le dispositif de soudage applique un effort quasi constant sur les pièces à souder. 7- Procédé de soudage selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'on soude deux tôles bord à bord. 8- Procédé de soudage selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'on soude deux tôles par recouvrement.