Brevet FR2938782A1 — publié le 20100528

DISPOSITIF DE SOUDAGE A DOUBLE EPAULEMENT 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 �. Plus précisément, l'invention concerne le pion de malaxage utilisé dans un tel dispositif de soudage. L'invention trouve des applications dans tout domaine nécessitant de souder au moins deux pièces bord à bord ou par transparence. L'invention est particulièrement adaptée au soudage bord à bord de pièces en alliage présentant une résistance mécanique élevée, tel qu'un alliage aluminium/zinc, et/ou ayant une épaisseur importante, c'est-à-dire supérieure à 10 mm. L'invention peut également être utilisée pour le soudage par transparence de pièces en différents matériaux, présentant des propriétés mécaniques différentes. Un tel dispositif de soudage est tout particulièrement adapté au soudage de panneaux épais tels que ceux utilisés au niveau de la voilure ou du caisson central de voilure d'un aéronef, ainsi qu'au soudage de tout élément de structure de véhicule spatial, de missile, de véhicule automobile etc. Un tel dispositif de soudage par friction malaxage 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, lui-même monté en translation le long de l'épaulement supérieur. 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, la force de pression appliquée par l'épaulement inférieur est reprise par l'épaulement supérieur ce qui permet de souder des pièces qu'il ne serait pas possible de souder à l'aide d'un outil conventionnel ou à pion rétractable pour lesquels l'effort de forgeage est repris par l'outillage. Cependant dans le cas du soudage de tôles de fortes épaisseurs, c'est-à- dire d'épaisseur cumulée supérieure à 10mm, le soudage par friction malaxage à double épaulement peut ne pas donner entière satisfaction. En effet, plus le diamètre du pion de malaxage est grand, meilleure est sa résistance mécanique. Par contre, l'énergie injectée dans le matériau est plus élevée. Les vitesses de déformation imposées peuvent alors générer des défauts de soudage dans le noyau, telles que des porosités locales dudit joint etc. Par ailleurs, la large surface projetée du pion de malaxage accroit les efforts transverses. A l'inverse, lorsque le diamètre du pion de malaxage est faible, l'énergie injectée, les vitesses de déformation et les efforts transverses sont réduits, permettant ainsi d'augmenter sensiblement les vitesses d'avancement. Cependant, le risque de rupture du pion de malaxage est élevé, particulièrement au niveau de la jonction entre l'épaulement supérieur et le pion de malaxage où l'effort tranchant est maximal. D'autre part, la réduction du diamètre du pion s'accompagne nécessairement d'une réduction du diamètre de l'épaulement (ratio 1.5 à 2) pouvant aboutir à des soudures sur-pénetrées. Aussi, les dispositifs de soudage par friction malaxage à double épaulement actuels ne donnent pas entière satisfaction pour le soudage de tôles de forte épaisseur, ou en matériaux présentant des caractéristiques mécaniques importantes, tels que les alliages aluminium/zinc. Dans l'invention, on cherche à fournir un dispositif de soudage par friction malaxage permettant de souder n'importe quel type de matériau, et/ou des éléments de forte épaisseur, en maintenant une qualité de joint soudé constante dans toute l'épaisseur des éléments ainsi soudés, correspondant à l'épaisseur du joint soudé, et sur toute la longueur du joint soudé. Par épaisseur des éléments à souder, on entend la dimension desdits éléments traversée de part en part par le pion de malaxage. Pour cela, dans l'invention, on propose de munir le dispositif de soudage par friction malaxage à double épaulement d'un pion dont la partie travaillante, c'est-à-dire la partie s'étendant entre l'épaulement supérieur et l'épaulement inférieur et traversant la matière à malaxer, présente un volume balayé inférieur au volume d'un pion cylindrique équivalent. Par volume balayé on entend le volume obtenu par la révolution de la surface du pion autour de l'axe du pion. Par pion cylindrique équivalent, on entend un pion cylindrique de l'état de la technique, dont la partie travaillante présente un diamètre nominal égal au plus grand diamètre du pion selon l'invention. Le pion de malaxage selon l'invention est au moins localement aminci entre les deux extrémités de sa partie travaillante situées respectivement au niveau de la jonction du pion de malaxage les épaulements supérieur et inférieur. Avantageusement, la zone de plus petit diamètre du pion de malaxage est située au niveau de la zone la moins malléable des pièces à souder. Par exemple, dans le cas du soudage de deux pièces bord à bord, la zone de plus petit diamètre du pion de malaxage coïncidera avantageusement avec la mi épaisseur des pièces à souder, correspondant à la zone la plus éloignée des épaulements et donc la moins soumises aux échauffements de la matière. Dans le cas où, par exemple, on soude par transparence deux matériaux d'épaisseur et/ou de nature différente, il est possible de décaler la zone de plus petit diamètre du pion selon l'invention, de manière à ce qu'elle coïncide avec la zone dans l'épaisseur des pièces à souder présentant la plus faible élévation de température. Ainsi, les vitesses de déformations dans la zone la moins malléable des pièces à souder sont réduites, permettant de diminuer les risques de défaut de soudage dans cette zone de joint soudé de malléabilité moins importante. Par ailleurs, on réduit la surface projetée du pion, autorisant ainsi une vitesse de soudage plus importante. Préférentiellement, la diminution du volume balayé de la partie travaillante du pion de malaxage est d'environ 20%, par rapport au volume balayé d'un pion cylindrique équivalent. L'invention a donc pour objet un dispositif de soudage de pièces par friction malaxage à double épaulement, comportant un pion de malaxage monté fixe sur une tête de soudage dudit dispositif, un épaulement inférieur et un épaulement supérieur montés autour du pion de malaxage, caractérisé en ce qu'une partie travaillante du pion de malaxage présente des sections transversales variables entre les deux épaulements. Par section transversale, on entend une surface obtenue en coupant le pion dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation dudit pion. Par variable, on entend que le diamètre du pion de malaxage entre l'épaulement supérieur et l'épaulement inférieur varie entre les deux épaulements, par opposition à un pion de section transversale continue, tel qu'un pion cylindrique. Le pion selon l'invention peut aussi bien être un pion conique qu'un pion tronconique, un pion à deux tronçons de cône, symétriques ou dissymétriques, un pion en partie tronconique et en partie cylindrique, etc. Préférentiellement, le pion selon l'invention présente une réduction de diamètre, c'est-à-dire une plus petite section transversale par rapport à la section transversale maximale possible du pion de malaxage, à mi-distance des deux épaulements, puisque la zone des pièces à souder où l'élévation de la température est la plus faible est le plus souvent à équidistance des deux épaulements. Dans un exemple de réalisation particulier de l'invention, le pion est muni de deux parties tronconiques, symétriques ou non, disposées de manière à ce que la section transversale de plus petit diamètre de l'une soit dirigée vers la section transversale de plus petit diamètre de l'autre, et inversement.. Dans ce cas, il est possible de munir le pion de malaxage d'une partie intermédiaire s'étendant entre les deux sections transversales de plus petits diamètres des deux parties tronconiques. Cela permet, par exemple, de maintenir une zone de plus petit diamètre dans une portion plus importante de l'épaisseur des pièces à souder. Ainsi, toute la portion des pièces à souder malaxée par la partie intermédiaire, préférentiellement de plus petit diamètre, se déplace lors du soudage dans la zone où la matière est la moins malléable. L'utilisation d'une telle partie intermédiaire peut se révéler particulièrement intéressante dans le cas du soudage de pièces de forte épaisseur où la zone de matière peu malléable dû fait de son éloignement des épaulements est très étendue. Dans un autre exemple de réalisation du dispositif de soudage selon l'invention, le pion de malaxage a une forme hyperboloïde à une nappe. Préférentiellement, le pion de malaxage présente entre les deux épaulements une réduction du volume balayé supérieure à 0% et inférieure à 30% par rapport au volume balayé d'un pion de malaxage cylindrique équivalent. Bien entendu, la surface du pion de malaxage, comme pour un pion classique, peut être filetée, le filetage pouvant être continu, avec pas droit, pas gauche, ou discontinu avec inversion de filetage, avec évanouissement progressif du filet, avec rainure inversées tous le 1/x tours... Il est également possible de munir de manière conventionnelle, la surface du pion de malaxage de plats usinés, de largeur constante ou variable. 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 partielle d'un dispositif de soudage muni d'un pion de malaxage selon l'invention, au niveau des épaulements dudit dispositif de soudage ; - Figure 2A à 2E : représentations schématiques de différents exemples de réalisation de la partie travaillante d'un pion de malaxage selon l'invention. Sur la figure 1 est représenté, en coupe longitudinale, un pion de malaxage 1 traversant un épaulement inférieur 2 et un épaulement supérieur 3 d'un dispositif de soudage par friction malaxage à double épaulement (non représenté). Les pièces à souder (non représentées) sont destinées à être comprimées entre les épaulements inférieur 2 et supérieur 3, de manière à ce que la matière desdites pièces à souder, située le long du futur joint soudé, soit malaxée par le pion de malaxage 1 lors de l'avancement de l'ensemble pion de malaxage 1 et épaulements 2, 3 le long des pièces à souder. Comme cela est visible sur la figure 1, la partie travaillante 4 du pion de malaxage 1 s'étend entre une surface de frottement 5 du pion inférieur 2 et une surface de frottement 6 du pion supérieur 3, destinées chacune à être en contact avec des surfaces opposées des pièces à souder. Ainsi, la partie travaillante 4 du pion de malaxage 1 est la partie dudit pion de malaxage 1 destinée à traverser dans l'épaisseur les pièces à souder de manière à malaxer la matière déformable des pièces à souder, chauffées par friction par les épaulements 2, 3. La partie travaillante 4 du pion de malaxage 1 présente une section transversale variable. Ainsi, dans l'exemple représenté, la partie travaillante 4 du pion de malaxage 1 présente un plus grand diamètre D au niveau de l'intersection entre le pion de malaxage 1 et la surface de frottement 5 de l'épaulement inférieur 2, ainsi qu'au niveau de l'intersection entre le pion de malaxage 1 et la surface de frottement 6 de l'épaulement supérieur 3 et un plus petit diamètre d à mi-hauteur. Par hauteur H de la section travaillante 4 du pion de malaxage 1, on entend la dimension dudit pion de malaxage s'étendant entre les deux surfaces de frottement 5, 6 des épaulements 2, 3. Ainsi, dans le cas par exemple d'un soudage bord à bord de deux pièces, la section de plus petit diamètre d de la partie travaillante 4 du pion de malaxage 1 se situe à mi-épaisseur desdites pièces à souder, et donc dans la zone desdites pièces à souder où l'élévation de la température est la plus faible puisque la plus éloignée des deux surfaces de frottement 5, 6 des épaulements 2, 3 où la matière est donc la moins malléable. Les pointillés sur la figure 1 délimitent la section droite du pion cylindrique 10 équivalent au pion 1 de l'invention, c'est-à-dire dont le diamètre nominal est égal au plus grand diamètre D de la partie travaillante 4 du pion de malaxage 1. Ainsi, on peut constater qu'il y a bien une réduction de volume entre les deux pions 1, 10, la plus forte réduction du volume étant située à mi-hauteur de la partie travaillante 4 du pion de malaxage 1. Préférentiellement, la réduction du volume de la partie travaillante 4 du pion de malaxage 1 est d'environ 20% par rapport au volume du pion cylindrique 10 équivalent, étant bien entendu que la réduction du volume dès lors qu'elle est supérieure à 0% permet déjà d'obtenir un effet bénéfique sur la qualité du joint soudé. Préférentiellement, la diminution du volume de la partie travaillante 4 du pion de malaxage 1 ne dépasse pas 30% par rapport au volume du pion cylindrique équivalent, de manière à ne pas affaiblir mécaniquement de manière trop importante le pion de malaxage 1 au risque sinon que celui-ci se casse au cours du procédé de soudage. D'une manière générale, l'utilisation d'un pion de malaxage 1 selon l'invention permet de réduire l'énergie injectée dans le matériau à malaxer, sans altérer la résistance mécanique du pion en flexion, de réduire les risques de défauts dans le joint soudé obtenu, notamment dans la zone des pièces à souder où la matière est la moins malléable, mais également d'accroître les vitesses de soudage et de réduire les efforts transverses. Sur les figures 2A à 2E sont représentés en perspective différents exemples de réalisation de la partie travaillante 4 du pion de malaxage 1 de l'invention, en transparence par rapport à un pion cylindrique équivalent. Dans tous les exemples représentés aux figures 2A à 2E, la diminution du volume balayé est d'environ 20%, Sur la figure 2A, la partie travaillante 4 du pion de malaxage 1 est formée, comme sur la figure 1, de deux cônes tronqués identiques 11, 12, en opposition de manière à ce que le plus petit diamètre d de la partie travaillante 4 se situe à demi-hauteur H de ladite partie travaillante 4. Le plus grand diamètre D, situé au niveau de l'intersection de la partie travaillante 4 avec les épaulements (non représentés) correspond au diamètre nominal du pion cylindrique 10 équivalent. Sur la figure 2B, les cônes 11 et 12 ne sont pas symétriques, de sorte que le plus petit diamètre d de la partie travaillante 4 du pion de malaxage 1 ne se trouve pas à mi-hauteur, mais décalé plutôt vers le tiers inférieur de la hauteur H. Une telle solution peut s'avérer intéressante lorsque l'effort tranchant est trop important à mi-hauteur, par exemple dans le cas d'un soudage par transparence de deux pièces d'épaisseurs différentes et/ou en matériau différents. Ainsi, même si l'épaisseur et/ou le matériau utilisé est différent, la partie de plus petit diamètre d de la section travaillante 4 du pion de malaxage 1 se situera au niveau de la zone des pièces à souder présentant l'élévation de température la plus faible. L'inconvénient des exemples de réalisation des figures 2A et 2B est qu'ils présentent une arête au niveau de la jonction 15 entre les deux cônes tronqués 11, 12, où il peut y avoir concentration des contraintes et donc risque de fragilisation important. Sur la figure 2C est représenté un autre exemple de réalisation d'une partie travaillante 4 d'un pion de malaxage 1 de l'invention, dans lequel les 2 parties coniques tronquées 11, 12 sont liées par une partie intermédiaire 13, cylindrique ou hyperboloïde, permettant une progressivité dans les variations de section transversale entre les deux extrémités de plus grand diamètre D. Par ailleurs, l'utilisation d'une partie intermédiaire 13 destinée à être située dans la zone des pièces à souder où la matière est la moins malléable, permet d'augmenter la portion de plus petit diamètre d où ce plus petit diamètre d est utile. Cela est notamment le cas lors du soudage de pièces de fortes épaisseur, où la zone des pièces à souder où la matière est la moins malléable est très étendue, les deux épaulements étant très éloignés de la mi-épaisseur desdites pièces à souder. De la même manière, sur la figure 2D, la partie travaillante 4 du pion de malaxage 1 selon l'invention a une forme générale hyperboloïde à une nappe, ce qui permet d'avoir une progressivité maximum, le pion de malaxage ne présentant aucune arête susceptible de concentrer les contraintes. Là encore la section de plus petit diamètre d se situe à mi-hauteur de la partie travaillante 4 du pion de malaxage, étant bien entendu que la section de plus petit diamètre d peut se trouver n'importe où dans la hauteur H de la partie travaillante du pion de malaxage selon les besoins de l'utilisateur. La figure 2E représente la partie travaillante 4 d'un pion de malaxage 1 selon l'invention muni de deux cônes tronqués 11, 12, sur lesquels des plats 14 de différentes dimensions ont été usinés de manière à améliorer le malaxage autour du pion en créant une série de pressions et dépressions. La diminution du diamètre de la partie travaillante 4 du pion de malaxage 1 selon l'invention permet une diminution de l'énergie de soudage au niveau de cette partie de plus petit diamètre, et ainsi de répondre de manière plus adaptée selon les zones de la pièce à souder au besoin en énergie de soudage. Exemples On a voulu montrer ci-après un comparatif entre le soudage utilisant un dispositif de soudage par friction malaxage à double épaulement utilisant un pion cylindrique classique et celui utilisant un pion biconique. Pour cela, le soudage bord à bord de deux tôles en aluminium d'épaisseur 23mm a été réalisé en parallèle avec un pion cylindrique de diamètre nominal 15mm d'une part, et d'autre part avec un pion bi tronconique où les troncs de cônes sont symétriques (figure 2A) présentant un plus grand diamètre de 15mm et un plus petit diamètre de 12mm, le plus petit diamètre étant situé à mi-hauteur dudit pion de malaxage, coïncidant avec la mi-épaisseur des pièces à souder. Les résultats obtenus sont répertoriés dans le tableau I ci-dessous. 30 35 Tableau I : Comparaison entre le soudage avec un pion cylindrique classique et un pion biconique de l'invention Vr Va Pion Couple Effort Effort s'opposant Résultante (tr/min) (mm/min) (Nm) latéral à l'avancement (kN) (kN) (kN) 300 50 Cylindrique 205 14 13.5 19.4 300 50 Biconique 195 12 13.5 18.1 260 40 Cylindrique 230 12 10.3 15.8 260 40 Biconique 225 11 8 13.6 300 66 Cylindrique 200 16.2 20.2 25.9 300 66 Biconique 195 13.5 15.5 20.6 Vr : vitesse de rotation Va : vitesse d'avancement Comme on peut le constater, il y a une réduction des efforts latéraux lorsque on utilise un pion selon l'invention plutôt que le pion cylindrique de l'état de la technique, respectivement de 14%, 8% et 17% On constate également entre un soudage utilisant le pion cylindrique classique et un soudage utilisant le pion de malaxage de l'invention une diminution des efforts s'opposant à l'avancement jusqu'à 23%, cela s'expliquant par la présence d'une portion de plus petit diamètre au niveau de la zone à souder la moins malléable. Dans le joint soudé obtenu avec le pion biconique de l'invention, les déformations au centre du joint sont quasiment absentes. A l'inverse, on constate des déformations dans le noyau soudé du joint obtenu avec le pion cylindrique, ainsi que les défauts tels que des zones de plus grande porosité dans le joint. Ainsi, lorsque l'on souhaite procéder à un soudage de pièces par friction malaxage au moyen d'un dispositif de soudage à double épaulement utilisant un pion de malaxage selon l'invention, on utilise un pion dont le plus grand diamètre est avantageusement compris entre 0.5 et 2 fois l'épaisseur des pièces à souder, la section de plus petit diamètre de la partie travaillante du pion de malaxage étant alors ménagée de manière à être située dans la zone des pièces à souder qui sera la moins malléable lors du procédé de soudage, du fait de son plus grand éloignement des épaulements inférieur et supérieur et/ou de la nature des matériaux. REVENDICATIONS1- Dispositif de soudage de pièces par friction malaxage à double épaulement, comportant un pion de malaxage (1) monté fixe sur une tête de soudage dudit dispositif, un épaulement inférieur (2) et un épaulement supérieur (3) montés autour du pion de malaxage, caractérisé en ce qu'une partie travaillante (4) du pion de malaxage présente des sections transversales variables entre les deux épaulements. 2- Dispositif de soudage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pion de malaxage présente, à distance des deux épaulements, une réduction de diamètre (D, d). 3- Dispositif de soudage selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le pion est muni de deux parties tronconiques (11, 12) disposées de manière à ce que la section transversale de plus petit diamètre (d) de l'une soit dirigée vers la section transversale de plus petit diamètre (d) de l'autre, et inversement. 4- Dispositif de soudage selon la revendication 3, caractérisé en ce que le pion comporte une partie intermédiaire (13), s'étendant entre les deux parties tronconiques. 5- Dispositif de soudage selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le pion a une forme hyperboloïde à une nappe. 6- Dispositif de soudage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le pion de malaxage présente entre les deux épaulements une réduction du volume balayé supérieure à 0% et inférieure à 30% par rapport au volume balayé d'un pion de malaxage cylindrique de diamètre égal au plus grand diamètre (D) du pion de malaxage à sections transversales variables. 7- Dispositif de soudage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une surface du pion est filetée. 8- Dispositif de soudage selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une surface du pion de malaxage est munie de plats (14).35