Brevet FR2916993A3 — publié le 20081212

FR 2916993 A3 20081212 FR 0704094 A 20070608 Outil de soudage par friction, et procédé d'obtention d'un tel outil. La présente invention se situe dans le domaine du soudage par friction, et concerne plus particulièrement un outil destiné à effectuer le soudage par friction de pièces métalliques à assembler. Le soudage par friction est un procédé de soudage qui consiste à procéder à un échauffement des pièces à assembler par friction sous pression d'un outil rotatif sur ces pièces, dont le matériau est ainsi amené localement à un état pâteux. De plus, la rotation de l'outil combinée à son application en pression sur les pièces conduit à un effet d'entraînement de la matière pâteuse et donc un malaxage localisé des matériaux constitutifs des deux pièces à assembler, qui assure finalement la liaison entre les pièces. Du fait des caractéristiques mécaniques et thermiques des métaux à assembler, il est nécessaire d'assurer avec l'outil une pression et un échauffement suffisant pour amener le métal à l'état pâteux. On utilise donc des outils en matériau réfractaire, mais dont la résistance mécanique peut être limitée et donc ayant une durabilité aussi limitée, et de plus leur coût est élevé. Ainsi, pour assembler des pièces en aluminium par soudage par friction, il est connu d'utiliser des outils en acier d'outillage à froid typiquement en Z50CDV5. Pour assembler des pièces en acier, des outils en Tungstène Rhénium sont utilisés pour assurer la durabilité, aux dépens d'un coût du matériau très élevé. Une augmentation de la durabilité peut encore être assurée par utilisation d'un matériau d'outil plus dur et réfractaire, de type silicium nitrure Si3N4 ou Nitrure de Bore Cubique polycristallin (CBN), comme notamment 2 mentionné dans EP-A-1688208, mais au dépens d'un coût encore plus élevé. Par ailleurs, WO-01/85384 montre un outil de soudage par friction comportant un corps et une tête de travail avec un épaulement périphérique et une pointe centrale de travail, totalement réalisée en un matériau superabrasif ou revêtue d'un tel matériau, la dite tête étant maintenue sur une extrémité du corps avec interposition d'une barrière thermique destinée à éviter ou au moins limiter le flux thermique de la tête de travail vers le corps. Le document précité indique que le corps est préférentiellement réalisé en carbure de tungstène cémenté. La pointe de travail est réalisée en carbure de tungstène cémenté et revêtu avec un matériau superabrasif approprié de type CBN, ou réalisée dans ce matériau. Le matériau superabrasif peut être obtenu en plusieurs couches ou lui même revêtu de filaments monocristallins d'oxyde de Béryllium par exemple, par diverse techniques telles que dépôt physique ou chimique en phase vapeur (PVD, CVD), implantation ionique, pour augmenter sa résistance à l'usure mécanique et chimique. La barrière thermique est réalisée en alliage de titane. Pour assurer une meilleure liaison entre le corps et la tête, il est utilisé un collier qui entoure la dite tête et le corps en recouvrant la zone de barrière thermique, ce collier étant en un superalliage, nickel-cobalt ou cobalt-chrome, avec interposition d'une autre barrière thermique entre le collier d'une part et la tête et le corps d'autre part. Outre la relative fragilité du corps, la constitution de l'outil décrit dans ce document est complexe, notamment par la difficulté à assurer une bonne liaison mécanique entre le corps et la partie active de l'outil. De plus, le collier notamment crée un encombrement supplémentaire gênant lors de l'utilisation de l'outil. Un but de la présente invention est de fournir un outil plus simple, moins encombrant, ayant une durabilité élevée tout en réduisant le coût des matériaux utilisés. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un outil de soudage par friction comportant un corps agencé pour être entraîné en rotation selon un axe et une tête disposée à une extrémité axiale du dit corps et liée à celui-ci, la tête comportant une pointe de travail centrale et un épaulement périphérique. Selon l'invention, l'outil est caractérisé en ce que la tête comporte au moins une couche de matériau réfractaire rechargé sur le corps en acier par dépôt thermique. L'avantage de l'outil selon l'invention est de comporter un corps en acier, typiquement en acier d'outillage, tenace et résilient, servant de support pour un matériau réfractaire plus dur et résistant à l'usure, alors que la spécification d'un outil monomatériau massif résulterait nécessairement d'un compromis entre dureté et fragilité, et qu'un outil tel que décrit dans le document WO-01/85384 précité ajouterait à cela une complexité de réalisation. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication de l'outil, selon lequel le rechargement en matériau réfractaire est réalisé par chalumeau, par plasma arc ou par laser, cette dernière technique étant préférée car elle permet de réduire le taux de dilution de l'acier du support dans la matière rechargée, conférant ainsi à la tête de l'outil une réfractivité plus élevée. Selon des dispositions particulières de l'invention : - le corps comporte à son extrémité axiale une cuvette dans laquelle le rechargement est effectué. Les bords de la concavité formée par cette cuvette apportent un complément de résistance de la liaison entre tête réfractaire et corps, en entourant la partie rechargée sur une partie de l'épaisseur de celle-ci, et en bridant ainsi la périphérie de celle-ci lorsqu'elle s'échauffe lors du soudage. - préférentiellement, la tête est formée de plusieurs couches rechargées l'une sur l'autre et présentant un gradient de propriétés entre l'acier du corps et le matériau réfractaire à la surface de la tête. - la surface du corps est rendue rugueuse avant rechargement, par exemple par un corindonnage, pour favoriser le début d'accrochage physique du matériau rechargé. - les différentes couches présentent un bord affiné se raccordant sur les bords de la cuvette, et le matériau de couche superficielle de la tête comporte un bord épais et avec un arrondi, propre à limiter les risques d'écaillage. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'un exemple de réalisation d'un outil de soudage par friction conforme à l'invention. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe de l'outil, - la figure 2 est un schéma illustrant une méthode préférée de rechargement. L'outil représenté en coupe figure 1 comporte un corps 1, de forme générale cylindrique d'axe A, en acier d'outillage classique, et dont la surface d'extrémité 11 est conformée en cuvette. L'outil comporte par ailleurs une pluralité de couches superposées de matériaux déposées par un rechargement laser, et/ou faisceau d'électrons, et/ou hybride plasma/laser, ou toute autre méthode connue de l'état de la technique, et présentant un gradient de propriétés physiques, par exemple : une ou plusieurs couches d'accrochage 2 en alliage fer-tungstène, avec des proportions variant 5 progressivement d'une couche à l'autre, dont la première, par exemple à 25% de tungstène, est déposée directement sur l'acier de la surface de la cuvette 11, et les suivantes pourront être respectivement par exemple à 50 puis 75 de tungstène. - une ou plusieurs couches intermédiaires 3 à base de métal réfractaire, tel que le tungstène, et dopées en matériaux réfractaires propres à accroître la dureté à chaud et la résistance au fluage, - une ou plusieurs couches réfractaires finales 4, qui forment le pion central 41 et l'épaulement périphérique 42, en matériau réfractaire tel qu'une céramique métal, de type nitrure de silicium Si3N4 ou du nitrure de bore cubique polycristallin (PCBN). La ou les couches d'accrochage et couches intermédiaires ont typiquement une épaisseur de 0,1 à 1 mm et, comme on le voit bien sur la figure 1, leurs bords sont amincis à proximité de la jonction avec la paroi périphérique de la cuvette. La ou les couches finales en matériau réfractaire ont une épaisseur globalement plus importante, notamment au niveau du pion central 41, et aussi sur la périphérie de l'épaulement 42 dont la surface se raccorde par un arrondi sur la surface du corps. La ou les couches intermédiaires, préférentiellement à base de tungstène, peuvent être - dopées au potassium, silicium, ou aluminium, en faible quantité, typiquement inférieure à 1000 ppm, qui permet d'augmenter dans un facteur de 3 la dureté à 1500 C. - microalliées à l'oxyde de thorium ThO2 en quantité de 1 à 5%, permettant de multiplier par trois la résistance au fluage à 1500 C, et donc augmenter sensiblement la durabilité de l'outil, - ou encore alliées au rhénium en quantité de 3 à 25 permettant d'augmenter de 50 % à 1500 C simultanément la dureté à chaud et la résistance au fluage. Le matériau du revêtement final, par exemple Si3N4 ou PCBN, sera déterminé en fonction des matériaux à souder, du domaine de soudabilité et des paramètres du procédé de soudage auquel l'outil est destiné : vitesse de rotation et de pénétration, et pression de l'outil. Le procédé de fabrication de l'outil comporte typiquement les étapes suivantes : - réalisation d'une cuvette 11 dans la face frontale d'extrémité du corps d'outil 1 en acier, - grenaillage au corindon pour rendre la surface 11 de la cuvette rugueuse, et notamment sur la périphérie, améliorer l'accrochage physico-chimique des couches ultérieures pour limiter le risque d'écaillage des bords, - rechargement au laser, en plusieurs couches successives et recouvrantes de 0,1 à 1 mm ou plus d'épaisseur, pour former les couches superposées d'accrochage 2, et couches intermédiaires 3, présentant le gradient de propriétés prémentionné, et des bords amincis, - rechargement au laser, sur la dernière couche intermédiaire, de nitrure de silicium ou PCBN, en formant le pion central et l'épaulement périphérique arrondi, - rectification finale de la surface pour obtenir précisément la géométrie désirée.35 Le rechargement sera par exemple effectué selon les indications suivantes, nullement limitatives. On utilise un laser de 2,5 KW donnant une tache focale au niveau de l'impact du rayon de 2,5 mm de diamètre, plus généralement une puissance laser comprise entre 1 et 3 KW avec une tache focale comprise entre 200 }gym et 4 mm. La zone de rechargement est protégée par un jet de gaz protecteur type Argon amené par une buse de gros diamètre avec un débit de 10 à 50 1/min. La poudre ou le mélange de poudre utilisé, de composition telle que définie précédemment en fonction de la couche réalisée, présente des grains de granulométrie de 10 à 120 Pm, préférentiellement de 30 à 50pm, une granulométrie trop fine étant préjudiciable car susceptible de créer des amalgames, et une granulométrie trop forte étant défavorable pour le bon accrochage. La poudre est projetée par une buse de diamètre 1 à 3 mm sous pression de gaz porteur de type Argon de moins de 1 bar, par exemple 0,6 bar, assurant un débit de 10 g/min. L'outil est mis en rotation pendant le rechargement, de manière à assurer une épaisseur de rechargement qui sera fonction de la vitesse de rotation tangentielle, laquelle sera ainsi ajusté en fonction des épaisseurs souhaitées localement. Ainsi une vitesse de dépôt tangentielle de 10 mm/sec permet une épaisseur de dépôt de l'ordre de 0,5mm, suivant une trajectoire en spirale concentrique, telle qu'illustrée figure 2, allant de la périphérie au centre de l'outil. Ce mode typique du procédé de rechargement permet par exemple d'augmenter facilement l'épaisseur de rechargement au niveau du pion central de l'outil en ajustant la vitesse de rotation pour obtenir une vitesse linéaire moindre qu'à la périphérie, et donc obtenir une épaisseur supérieure. Une autre technique consiste à effectuer un traitement laser statique ou sous simple révolution. Le faisceau laser est défocalisé ou mis en forme pour 5 couvrir toute la surface à traiter du pion, le temps d'interaction est réglé pour assurer la compacité du dépôt, son adhérence forte sur le substrat, sans affecter thermiquement le substrat. 10 REVENDICATIONS 1. Outil de soudage par friction comportant un corps agencé pour être entraîné en rotation selon un axe et une tête disposée à une extrémité axiale du dit corps et liée à celui-ci, la tête comportant une pointe de travail centrale et un épaulement périphérique, caractérisé en ce que la tête comporte au moins une couche de matériau réfractaire (4) rechargé sur le corps (1) en acier par dépôt thermique. 2. Outil de soudage par friction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps (1) comporte à son extrémité axiale une cuvette (11) dans laquelle le rechargement est effectué. 3. Outil de soudage par friction selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête est formée de plusieurs couches (2, 3, 4) rechargées l'une sur l'autre et présentant un gradient de propriétés entre l'acier du corps (1) et le matériau réfractaire à la surface de la tête (4). 4. Outil de soudage par friction selon la revendication 3, caractérisé en ce que la tête comporte une ou des couches d'accrochage et une ou des couches intermédiaires, ces différentes couches (2, 3) présentant un bord affiné se raccordant sur les bords de la cuvette (11), et le matériau de couche superficielle (4) de la tête comporte un bord épais (42) et avec un arrondi. 5. Outil de soudage par friction selon la revendication 3, caractérisé en ce que la ou les couches d'accrochage (2) sont en alliage fer-tungstène, avec des proportions variant progressivement d'une couche à l'autre. 6. Outil de soudage par friction selon la revendication 3, caractérisé en ce que la ou les couches intermédiaires (3) sont à base de tungstène, et dopées en matériaux réfractaires propres à accroître la dureté à chaud et la résistance au fluage. 7. Outil de soudage par friction selon la revendication 6, caractérisé en ce que les dits matériaux réfractaires de dopage sont choisis parmi : potassium, silicium, aluminium, oxyde de thorium, rhénium. 8. Outil de soudage par friction selon la revendication 3, caractérisé en ce que les couches (2, 3) on une épaisseur de 0,1 à 1 mm. 9. Outil de soudage par friction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau réfractaire (4) à la surface de la tête est du nitrure de silicium ou du nitrure de bore cubique polycristallin. 10. Procédé de fabrication de l'outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rechargement en matériau réfractaire est réalisé par chalumeau, par plasma arc ou par laser. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la surface (11) du corps est rendue rugueuse avant rechargement. 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - réalisation d'une cuvette (11) dans la face frontale d'extrémité d'un corps d'outil (1) en acier, - grenaillage au corindon pour rendre la surface (11) de la cuvette rugueuse, 11 -rechargement au laser, en plusieurs couches successives et recouvrantes de 0,1 à 1 mm d'épaisseur, pour former des couches superposées d'accrochage (2), et des couches intermédiaires (3), présentant un gradient de propriétés physiques, et des bords amincis, - rechargement au laser, sur la dernière couche intermédiaire, de nitrure de silicium ou PCBN, en formant le pion central (41) et l'épaulement périphérique (42) arrondi, -rectification finale de la surface. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que le mélange de poudre utilisé pour le rechargement présente des grains de granulométrie de 10 à 120 pm, en particulier de 30 à 50pm. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que la poudre est déposée suivant une trajectoire en spirale concentrique allant de la périphérie au centre de l'outil, en contrôlant la vitesse linéaire en fonction de l'épaisseur de la couche à obtenir.25