Brevet FR2921575A1 — publié le 20090403

DISPOSITIF DE SOUDAGE A DOUBLE EPAULEMENT POUR LE SOUDAGE DE PIÈCES PAR FRICTION MALAXAGE ET PROCEDE DE SOUDAGE 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 alliage métallique 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 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. Actuellement, il existe deux grands modes de pilotage d'un dispositif de soudage à double épaulement pour le soudage de pièces par friction malaxage, à savoir un pilotage à effort contrôlé et un pilotage à écartement contrôlé entre les deux épaulements. Le pilotage à effort contrôlé, ou en effort, est plus aisé à mettre en 35 oeuvre. Il consiste à appliquer un effort constant entre les deux épaulements du dispositif de soudage. Cependant une telle mise en oeuvre ne permet pas d'avoir un joint soudé d'épaisseur constante et peut conduire à des diminutions importantes d'épaisseur, voir à des effondrements de joint. En effet, si la température de travail entre les épaulements augmente au cours du procédé de soudage, le pilotage en effort tend à provoquer un écrasement excessif de la matière à souder, qui s'accompagne d'un rejet de la matière plastifiée vers l'extérieur du dispositif de soudage. En effet, la résistance du matériau diminuant de plus en plus avec l'accroissement de la température, le maintien d'un effort constant tend à imposer un écrasement de plus en plus important par les épaulements, ce qui provoque un emballement du système. Un tel procédé est donc difficile à maîtriser. A l'inverse un pilotage à écartement imposé permet de travailler en dimensionnel, de maîtriser l'épaisseur du joint soudé et d'obtenir ainsi un joint de meilleure qualité. Par écartement, on entend la distance entre les deux épaulements du dispositif de soudage. Par écrasement, on entend la différence entre l'épaisseur des pièces à souder et celle du joint soudé, c'est-à-dire la différence entre l'épaisseur des pièces à souder et l'écartement. Des travaux récents ont permis de montrer que pour des tôles de quelques millimètres, on obtient une très bonne qualité de joint soudé en imposant un écrasement de l'ordre de 100�m. Cependant, en fixant l'écartement entre les épaulements, le dispositif de soudage peut être amené à imposer des efforts variables (trop élevés ou insuffisants) sur les pièces à souder car un tel mode de pilotage ne peut prendre en compte de légères variations d'épaisseur des pièces à souder. Il nécessite des moyens de mesure des variations d'épaisseur pour prendre en compte ces variations et permettre une modification de l'écartement entre les deux épaulements. Dans l'invention, on cherche à fournir un dispositif de soudage à double épaulement par friction malaxage permettant de contrôler l'écrasement des pièces à souder et ce, avec un mode de pilotage à effort imposé. Pour cela, au moins un des deux épaulements du dispositif de soudage selon l'invention est formé de deux couronnes concentriques disposées l'une au-dessus de l'autre, et fixées l'une à l'autre. La couronne de plus petit diamètre est dirigée vers l'intérieur, c'est-à- dire en direction de l'écartement ménagé entre les deux épaulements destinés à recevoir les pièces à souder. Ainsi, la couronne interne est apte à venir au contact des pièces à souder. A l'inverse, la couronne de plus grand diamètre est dirigée vers l'extérieur du dispositif. Les deux couronnes concentriques s'étendent radialement à partir du pion de malaxage du dispositif de soudage. La couronne de plus petit diamètre est destinée à s'enfoncer dans la matière des pièces à souder lors de l'avancement du dispositif de soudage, tandis qu'un anneau externe de la couronne de plus grand diamètre, s'étendant radialement à la périphérie de la couronne de plus petit diamètre, vient en butée sur la matière froide des pièces à souder, de part et d'autre du joint soudé, limitant ainsi l'enfoncement de la couronne de plus petit diamètre dans la matière chaude malaxée par le pion de malaxage au fur et à mesure de l'avancement du dispositif de soudage. La dénivellation entre les deux surfaces portantes de l'épaulement permet de fixer l'écrasement de matière sur la couronne de plus petit diamètre et empêche l'emballement du procédé. Dans la mesure où le pilotage à effort constant est le plus adapté pour la production puisqu'il permet de compenser les imperfections géométriques industrielles telles que les variations d'épaisseur, le dispositif de soudage à double épaulement selon l'invention est avantageusement utilisé pour le soudage par friction malaxage en pilotage en effort. Ainsi, lorsque le dispositif de soudage selon l'invention est utilisé en pilotage à effort constant, la surface d'appui de la couronne de plus grand diamètre fait fonction de butée limitant l'écrasement. Le pilotage à effort constant du dispositif de soudage selon l'invention permet, au final, de travailler à écrasement contrôlé et ceci quelle que soit l'épaisseur des pièces à souder. L'invention a donc pour objet un dispositif de soudage à double épaulement pour le soudage de pièces par friction malaxage, caractérisé en ce qu'au moins un épaulement comporte deux couronnes concentriques respectivement interne et externe, ménageant deux surfaces d'appui concentriques planes, la couronne interne, de plus petit diamètre, et la couronne externe, de plus grand diamètre, étant disposés de manière à ce que la couronne interne soit apte à écraser la matière malaxée des pièces à souder lors de l'avancement du dispositif de soudage, et à ce que la couronne externe soit apte à former une butée afin de limiter l'enfoncement de la couronne interne dans la matière malaxée par appui de la couronne externe sur les pièces à souder de part et d'autre du joint soudé. La surface d'appui de la couronne interne est formée par toute la surface de la face interne de la couronne interne, c'est-à-dire de la face destinée à être en contact avec les pièces à souder. La surface d'appui de la couronne externe, elle, est formée par la surface de la face interne de la couronne externe s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la périphérie de la couronne interne, dans la mesure où la couronne externe est située au dessus de la couronne interne. Les deux surfaces d'appui sont donc situées l'une au dessus de l'autre et s'étendent parallèlement l'une de l'autre. La surface d'appui de la couronne externe est suffisante pour permettre de stopper l'enfoncement de l'épaulement dans la matière des pièces à souder. La présence de la couronne externe formant une butée d'enfoncement permet de maîtriser la largeur du joint soudé puisque seule la couronne interne est destinée à s'enfoncer dans la matière des pièces à souder. Avantageusement l'épaulement inférieur est monté fixe sur une partie basse du pion de malaxage tandis que l'épaulement supérieur est monté en translation en partie haute du pion de malaxage de manière à pouvoir faire varier l'écartement entre les épaulements, notamment en fonction de l'épaisseur des pièces à souder. La couronne interne a une certaine épaisseur, ou hauteur, permettant 20 de ménager une marche entre les surfaces d'appui de ladite couronne interne et de la couronne externe. Selon des exemples de mise en oeuvre du dispositif de soudage selon l'invention, il est possible de prévoir tout ou partie des caractéristiques supplémentaires suivantes : 25 - Une distance entre la surface d'appui de la couronne interne et la surface d'appui de la couronne externe correspond au maximum d'enfoncement de l'épaulement souhaité dans la matière des pièces à souder. Ladite distance correspond à la hauteur, ou épaisseur, de la couronne interne, c'est-à-dire à la dimension de la couronne interne 30 s'étendant perpendiculairement à la surface plane de ladite couronne. - Une distance entre la surface d'appui de la couronne interne et la surface d'appui de la couronne externe est comprise entre 0,5 et 5% de l'épaisseur des pièces à souder. Par épaisseur des pièces à souder, on entend la dimension des pièces s'étendant entre les deux épaulements du 35 dispositif de soudage. L'épaisseur des pièces correspond donc à l'épaisseur de chacune des pièces au niveau de la ligne de jonction dans le cas d'un soudage bord à bord, ou à l'épaisseur cumulée des deux pièces dans le cas d'un soudage par recouvrement. On obtient ainsi un écrasement compris entre 0.5 et 5% dans le cas où un seul épaulement du dispositif de soudage comporte deux couronnes concentriques, et un écrasement compris entre 1 et 10% dans le cas où les deux épaulements du dispositif de soudage comportent deux couronnes concentriques. - La couronne interne a un diamètre externe compris entre 1,2 et 2,5 fois le diamètre externe du pion de malaxage. Le diamètre de la couronne interne correspond à la largeur du joint soudé que l'on obtient en fin de soudage. La largeur du joint soudé est la dimension dudit joint s'étendant transversalement par rapport à l'axe d'avancement du dispositif de soudage. Le diamètre de la couronne interne est tel que l'enfoncement de ladite couronne interne dans la matière est assuré. - La couronne externe a un diamètre externe compris entre 1,5 et 3,5 fois un diamètre externe du pion de malaxage. La surface d'appui ainsi ménagée est apte à faire butée, pour limiter l'enfoncement de l'épaulement dans la matière à la seule couronne interne. - La couronne externe peut être munie sur son périmètre externe d'un chanfrein ou d'un congé, présentant respectivement une longueur ou un rayon de 1 à 5 mm. On évite ainsi d'avoir une arête vive au niveau du périmètre externe de la couronne externe, et donc en cours de pilotage du dispositif de soudage de marquer les pièces à souder de part et d'autre du joint soudé lorsque la couronne externe est en appui sur la surface des pièces à souder. - Au moins un des deux épaulements comporte deux couronnes concentriques, objet de l'invention. Lorsque seul le premier épaulement présente une couronne externe et une couronne interne, le second épaulement comporte une surface lisse. L'effort de pilotage est alors appliqué de sorte que la couronne externe dudit premier épaulement fasse office de butée. - Lorsque les deux épaulements présentent chacun deux couronnes concentriques objet de l'invention, couronnes internes et externes peuvent avoir des diamètres différents pour chaque épaulement, et ainsi ne pas coïncider. - L'épaulement inférieur est monté fixe en partie basse du pion de malaxage, l'épaulement supérieur étant monté mobile en translation le long du pion de malaxage, de manière à moduler l'écartement entre les deux épaulements. L'invention concerne également un procédé de soudage par friction malaxage au moyen du dispositif de soudage selon l'invention, dans lequel - on fixe l'écrasement des pièces à souder en fonction de leur épaisseur ; et - on pilote le dispositif à effort constant. Les pièces à souder sont disposées accolées l'une contre l'autre dans le cas où on souhaite réaliser un soudage bord à bord. Le dispositif de soudage est alors déplacé le long des bords accolés pour former le joint soudé. Le joint soudé s'étendra donc le long desdits bords accolés. Dans le cas d'un soudage par recouvrement, on dispose les pièces l'une au dessus de l'autre. Les épaulements encadrent l'épaisseur cumulée des deux pièces et glissent chacun sur la surface d'une des pièces à souder. Le pion de malaxage traverse l'épaisseur cumulée des deux pièces et malaxe la matière desdites deux pièces. Avantageusement, on fixe l'écrasement entre 0.5 et 5% de l'épaisseur 20 des pièces à souder. Avantageusement, on fixe un effort de soudage tel qu'il autorise un écrasement de matière des pièces à souder par la couronne interne d'au moins un des épaulements et bloque tout écrasement supplémentaire de matière dès que la surface d'appui de la couronne externe dudit épaulement 25 vient en appui sur le ou les pièces à souder. Ainsi, lorsque la couronne externe vient au contact des pièces à souder, l'effort reste le même mais l'écrasement n'augmente pas puisque la couronne externe sert de butée d'enfoncement à la couronne interne. La couronne externe a une surface d'appui plus importante que la couronne interne. Ainsi le dispositif de 30 soudage est piloté en effort de sorte que la valeur dudit effort est suffisante pour garantir la pénétration de la couronne interne tout en assurant un appui sans pénétration de la couronne externe. Par exemple, l'effort de pilotage ramené à la surface d'appui des deux couronnes est inférieur à 20 MPa et ramené à la surface d'appui de la 35 couronne interne est supérieur à 30 MPa. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen de la figure qui l'accompagne. Celle-ci est présentée à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. La figure unique montre une représentation schématique en coupe transversale d'un dispositif de soudage à double épaulement selon l'invention au niveau de la tête de soudage. Comme cela est visible sur la figure unique, le dispositif de soudage 1 selon l'invention comporte un pion de malaxage 2 sur lequel sont montés deux épaulements respectivement inférieur 3 et supérieur 4. L'épaulement inférieur 3 est monté fixe en partie basse 5 du pion de malaxage 2. Une vis 6 forme une butée inférieure pour l'épaulement inférieur 3. L'épaulement inférieur 3 est destiné à se déplacer le long d'une face inférieure des pièces à souder lors du déplacement du dispositif du soudage 1 le long d'un joint soudé desdites pièces à souder. L'épaulement supérieur 4 est monté en translation le long d'une partie haute 7 du pion de malaxage 2. Il est ainsi possible de régler un écartement E entre les épaulements inférieur 3 et supérieur 4. Dans l'exemple représenté sur la figure unique, chacun des épaulements 3 et 4 est muni de deux couronnes concentriques, respectivement interne 8 et externe 9. Bien entendu, il est possible de prévoir un dispositif de soudage 1 dans lequel un seul des deux épaulements est muni de deux couronnes concentriques. La couronne interne 8 a un diamètre strictement inférieur à la couronne externe 9. Avantageusement, le diamètre externe de la couronne interne 8 est égal à 1,2 à 2,5 fois le diamètre externe d du pion de malaxage 2, tandis que le diamètre externe de la couronne externe 9 est égal à 1,5 à 3,5 fois le diamètre d du pion de malaxage 2. Une face interne 10 de la couronne interne 8 forme une première surface d'appui, tandis que la face interne 11 de la couronne externe 9 s'étendant radialement depuis la surface d'appui de la couronne interne 8, forme une seconde surface d'appui. Par face interne 10 et 11, on entend les faces des couronnes 8 et 9 d'un des épaulements considérés dirigées vers l'autre épaulement. La couronne interne 8 a une épaisseur e correspondant au maximum d'écrasement souhaité au niveau des pièces à souder, l'épaisseur e correspondant à la distance séparant la face interne 10 de la couronne interne 8 de la face interne 11 de la couronne externe 9 d'un épaulement 3,4 considéré. Les couronnes internes 8 des épaulements 3 et 4 sont destinées à s'enfoncer dans la matière des pièces à souder de manière à écraser la matière des pièces à souder de deux fois l'épaisseur e. Avantageusement, l'angle séparant la surface d'appui interne 10 de la couronne interne 8 et la surface d'appui interne 11 de la couronne externe 9 est sensiblement égale à 90° de manière à autoriser un enfoncement franc de la couronne interne 8 dans la matière et à maîtriser parfaitement la largeur du joint soudé obtenu par le dispositif de soudage 1 selon l'invention. Par largeur du joint soudé, on entend la dimension s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal dudit joint soudé obtenu. La surface d'appui plane de la couronne externe 9 forme une butée limitant l'enfoncement de l'épaulement correspondant dans la matière des pièces à souder. Il est possible de prévoir au niveau du périmètre externe de la couronne externe d'au moins un épaulement 4 un chanfrein ou un congé d'arête 12. Le chanfrein ou congé 12 permet de supprimer l'arête vive du bord externe de l'épaulement 4 qui vient au contact des pièces à souder lorsque les couronnes externes 9 des épaulements 3, 4 sont en butée contre les pièces à souder. On évite ainsi que l'épaulement 4 vienne rayer les pièces à souder lors de l'avancement du dispositif de soudage 1 le long du joint soudé. Il est bien évidemment possible de munir les deux couronnes externes 9 des deux épaulements 3 et 4 d'un tel chanfrein 12. En fixant l'épaisseur e, c'est-à-dire la distance entre les couronnes interne 8 et externe 9 d'un épaulement 3, 4 du dispositif de soudage 1 selon l'invention, on impose un écrasement maximum lors de l'utilisation du dispositif de soudage 1 selon l'invention alors même que ce dispositif peut être avantageusement piloté en effort. Le dispositif de soudage 1 selon l'invention permet de souder tous les alliages et notamment les alliages d'aluminium, y compris les alliages à durcissement structural réputés difficilement soudables par les techniques par fusion, dont les alliages au lithium qui présentent des difficultés de soudage par friction malaxage à cause de leur conductivité thermique moindre. Exemple 1 : Soudage bord à bord de tôles en alliage d'aluminium lithium 2198T8. Epaisseur de chacune des pièces E= 2,5mm Dimensions de chacune des pièces : 1000 x 300mm Dimensions du dispositif de soudage : - diamètre externe du pion de malaxage d = 6mm - diamètre externe de la couronne interne = 12mm - diamètre externe de la couronne externe = 18mm -épaisseur de la couronne interne e= 0.05mm - les deux épaulements sont munis d'une couronne interne et d'une couronne externe Le dispositif de soudage est piloté en effort, avec un effort = 3 kN, soit 35 MPa. Exemple 2 : Soudage bord à bord de pièces en alliage d'aluminium 15 7449W. Epaisseur de chacune des pièces E= 15mm Dimensions de chacune des pièces : 1000 x 300mm Dimensions du dispositif de soudage : - diamètre externe du pion de malaxage d = 15mm 20 - diamètre externe de la couronne interne = 23mm - diamètre externe de la couronne externe = 29mm - épaisseur de la couronne interne e= 0.1 mm - les deux épaulements sont munis d'une couronne interne et d'une couronne externe 25 Le dispositif de soudage est piloté en effort, avec un effort = 8kN, soit 33.5 MPa. Plus généralement, l'écartement E est avantageusement compris entre 2 et 20 mm et l'épaisseur e entre 0.05 et 0.2 mm. On évite ainsi que trop de matière soit malaxée entraînant une surchauffe rapide des pièces 30 dans leur ensemble. REVENDICATIONS 1- Dispositif de soudage (1) à double épaulement pour le soudage de pièces par friction malaxage, caractérisé en ce qu'au moins un épaulement (3, 4) comporte deux disques concentriques (8, 9) respectivement interne et externe, ménageant deux surfaces d'appui concentriques planes (10, 11), le disque interne, de plus petit diamètre, et le disque externe, de plus grand diamètre, étant disposés de manière à ce que le disque interne soit apte à écraser la matière malaxée des pièces à souder lors de l'avancement du dispositif de soudage, et à ce que le disque externe soit apte à former une butée d'enfoncement du disque interne afin de limiter l'enfoncement du disque interne dans la matière malaxée par appui du disque externe sur les pièces à souder de part et d'autre du joint soudé. 2- Dispositif de soudage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une distance (e) entre la surface d'appui du disque interne et la surface d'appui du disque externe est comprise entre 0,5 et 5% de l'épaisseur des panneaux à souder. 3- Dispositif de soudage selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le disque interne a un diamètre externe compris entre 1,2 et 2 fois un diamètre externe du pion de malaxage et en ce que de disque externe a un diamètre externe compris entre 1,5 et 3,5 fois un diamètre externe du pion de malaxage. 4- Dispositif de soudage selon l'une des revendications 1 à 3, 25 caractérisé en ce que les deux épaulements sont munis de deux disques concentriques. 5- Procédé de soudage de pièces par friction malaxage, au moyen du dispositif de soudage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : 30 - on dispose les pièces à souder l'une par rapport à l'autre, dans la position où on souhaite les souder ; - on fixe l'écrasement des pièces à souder en fonction de leur épaisseur ; et - on pilote le dispositif à effort constant. 6- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on fixe l'écrasement entre 0.5 et 5% de l'épaisseur des pièces à souder. 7- Procédé selon l'une des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que l'effort de pilotage ramené à la surface d'appui des deux couronnes est inférieur à 20 MPa, et ramené à la surface d'appui de la couronne interne est supérieur à 30MPa.