Brevet FR2941880A1 — publié le 20100813

i L'invention concerne un procédé de soudage à l'arc électrique mettant en oeuvre une torche de soudage à l'arc munie d'une électrode et un double flux de composition permet d'éviter ou au moins minimiser le phénomène de � humping �. Le document B.J. Bradstreet, Effect of surface tension and metal flow on weld bead formation, Welding Journal, 1968, vol. 47, n° 7, pp. 314-322, traite du phénomène dit de bosselage ou �humping � (en anglais) en soudage MIG, alors que le document U. GRATZKE et al., Theoretical approach to the humping phenomenon in welding processes, J. Phys. D. Appl. Phys., 1992, vol. 25, pp. 1640-1647 montre l'existence de ce phénomène en soudage TIG, en arc submergé, en soudage laser et en soudage à faisceau d'électrons. Les soudures souffrant de � humping � semblent initialement présenter des morphologies aléatoires. Toutefois, une observation détaillée montre que deux types de morphologies peuvent être définies, à savoir : - morphologie de type région creusée ou � gouging région morphology � (GRM), - et morphologie de type cylindre perlé ou � beaded cylinder morphology � (BCM). Il existe des soudures qui peuvent présenter simultanément des caractéristiques de ces deux morphologies bien que cela soit assez rare. Il existe quatre théories qui essaient d'expliquer l'apparition du bosselage ou � humping �. Parmi elles, certaines visent spécifiquement à expliquer un type de morphologie du défaut. Ainsi, le modèle du vortex ou tourbillon et l'effet de l'arc ciblent la morphologie de type GRM, et le modèle d'instabilité capillaire cible celle de type BCM, alors que l'approche �Marangoni � ne définit pas de morphologie d'application. Plus précisément, le modèle de Marangoni, décrit par K.C. Mills et al, Factors affecting variable weld pénétration, International Materials Reviews, 1990, vol. 45, n° 4, pp. 185-216, qui passe en revue les facteurs affectant la pénétration de soudure, suggère que le � humping � et les caniveaux pourraient être attribués aux forces de Marangoni créées dans le bain de soudure. Par ailleurs, le modèle du � vortex � ou tourbillon, décrit par M.L. Lin et al., Influence or arc pressure on weld pool geometry, Welding Journal, 1985, vol. 64, n° 6, 163-169, est basé sur un modèle d'arc tourbillonnaire pour expliquer l'augmentation de la pénétration observée pendant le soudage TIG à fort courant. Selon le modèle de l'instabilité capillaire, le phénomène de � humping � est basé sur la théorie de Lord Rayleigh sur l'instabilité capillaire d'un cylindre liquide libre de petit diamètre qui, lorsqu'il est suspendu dans le vide, est instable et se sépare en petites gouttes. Enfin, selon le modèle d'influence de l'arc, durant le fonctionnement normal d'une installation de soudage à l'arc de type MIG ou TIG, il existe une balance des pressions entre l'arc et le bain. A des courants élevés, les forces de traînées du plasma sont suffisamment importantes pour déplacer la majorité du métal en fusion derrière l'arc. Le bilan des forces écrit par P.F. Mendez et al, Penetration and defect formation in high current arc welding, Welding Journal, 2003, vol. 82, n 10, pp. 296 -306, établit une ligne de transition qui marque le passage de la région creusée à la région de poursuite. Plusieurs solutions ont été proposées pour tenter d'éviter ce phénomène de 10 �humping � en soudage TIG et ainsi améliorer les performances du procédé, en particulier en soudage TIG automatique. En fait, les vitesses d'avance, c'est-à-dire de soudage, mises en oeuvre en soudage TIG automatique sont souvent limitées par l'occurrence de défauts. Une limite de productivité imposée par le � humping � peut être représentée comme en figure 1. 15 La figure 1 qui est extraite du document W. Savage, et al, Effect of arc force on defect formation in GTA welding, Welding Journal, 1979, vol. 58, n° 7, pp. 212-224, représente la vitesse de soudage (en ordonnées exprimée en cm/min) en fonction du courant de soudage (en abscisses exprimé en A). Comme on le voit, elle montre les limites d'acceptation des cordons de soudure en termes de vitesse de soudage 20 atteignable à un courant donné. La ligne continue relie différents points de fonctionnement où apparait le phénomène de � humping �. La ligne discontinue correspond à la limite d'apparition d'un autre défaut, à savoir des � caniveaux �. Entre ces deux lignes il existe une zone de productivité où les cordons sont exempts de ces défauts. Pour augmenter la productivité d'un procédé de soudage, il convient donc de 25 décaler la limité d'apparition du � humping � afin d'accroître l'aire de productivité Pour ce faire, il a été proposé d'améliorer le contrôle du transfert de l'énergie à la pièce et d'augmenter la surface de la pièce soumise aux flux de chaleur de l'arc TIG via une déviation ou oscillation magnétique de l'arc. En effet, selon la loi de Laplace, l'arc situé entre les deux pôles d'un circuit magnétique d'une bobine subit l'action d'une 30 force F qui a tendance à le déplacer. Si le courant I dans la bobine est inversé, l'induction alors créée change de sens et cela inverse le sens de déplacement de l'arc. Toutefois, cette solution n'est pas pleinement satisfaisante car ne permet pas d'obtenir d'amélioration de la productivité en soudage TIG automatique. En effet, pour conserver une pénétration correcte à des vitesses élevées, c'est-à-dire environ 2 m/min, 35 il faut mettre en oeuvre une intensité de soudage importante, c'est-à-dire de 250 à 300 A, pour maintenir l'énergie apportée par unité de surface. Or, plus on augmente l'intensité de soudage, plus la composante axiale de la force de Lorentz exercée sur l'arc par le champ B qu'il crée augmente et on obtient alors un arc dit plus rigide. Il devient dés lors plus difficile de déplacer le cône d'arc du fait de la contrainte créée par la bobine. Par ailleurs, comme montré par B. Keene et al., Effects of interaction between surface active elements on the surface tension of iron, "; Canadian Metallurgical Quarterly, 1982; vol. 21; n°. 4; pp. 393-403; C. Heiple et al., Mechanism for minor element effects on GTA fusion zone geometry, Welding Journal, April 1982, pp. 97-102 ; et The effect of trace elements on TIG weld pénétration; in Proceedings of TWI international conference: The effects of residual, impurity and micro-alloying elements on weldability and weld properties; London, England; 15-17 November 1983, dans de nombreux cas, les flux de métal liquide, le transfert de chaleur et la forme de la soudure ainsi que ses propriétés sont significativement influencés par la convection de Marangoni. La présence d'un élément tensio-actif, tel que S ou O, dans le bain de soudure altère la tension de surface du solvant. En fait, les éléments tensio-actifs changent la dépendance de la tension de surface à la température (dy/dT) d'une valeur négative pour les solvants purs à une valeur positive pour les systèmes binaires. Ce changement dans le signe de (dy/dT) a un impact sur les systèmes. De là, il est possible d'influencer la forme du cordon en jouant sur la nature et la quantité d'éléments tensio-actifs apportés dans le bain, via un fil fusible contenant ces éléments, de manière à provoquer une inversion du sens de circulation du métal en fusion dans le bain de soudure, sachant que cela apparaît dans les aciers en présence de petites quantités de tensio-actifs. Cette solution avait été envisagée pour pallier aux défauts du procédé avec flux appelé �A-TIG �. L'obtention de l'effet activant par le flux est indéniable, son inconvénient est qu'il impose une opération supplémentaire de préparation, à savoir le dépôt du flux. En outre, la zone préparée étant de surface supérieure à celle du cordon, la quantité de produit consommée est plus importante que celle qui est effectivement nécessaire. L'utilisation d'un fil fourré pourrait permettre de pallier à ces défauts en amenant les constituants actifs en continu au moment même du soudage par l'intermédiaire de ce fil. La suppression de l'opération de préparation, dépôt du flux au pinceau, peut être appréciable. Cependant les essais ont montré que l'apport de fil entraîne des contraintes opératoires non négligeables, en particulier les faibles vitesses de fil induisent des problèmes de dévidage. Comme avec le flux déposé en surface, l'utilisation des fils activant nécessite des tensions faibles donc des arcs courts. La difficulté est alors de positionner correctement le fil dans le bain. La mise en oeuvre de ce procédé n'est donc pas aisée et la reproductibilité des résultats, à paramètres identiques, n'est pas démontrée puisque la position du fil par rapport à l'électrode et au bain influe sur les paramètres nécessaire à l'obtention de la pénétration. En soudage TIG mono flux, une optimisation des paramètres physiques de soudage, tel que l'angle d'affûtage de l'électrode, la nature du gaz de protection ou l'inclinaison de la torche peut permettre, dans certains cas, de parvenir à un léger décalage de la vitesse d'apparition du "humping" mais le gain est de très faible amplitude. Ainsi, une utilisation d'hydrogène ou d'hélium comme gaz de protection en soudage TIG mono-flux de gaz, en lieu et place d'argon, ne permet pas d'augmenter la vitesse limite d'apparition du � humping � en configuration ligne de fusion. Ces gaz permettent uniquement d'étendre la zone d'influence en chaleur et d'obtenir un bain plus fluide grâce à la conductivité thermique élevée de ces gaz. Cependant, la pression magnétique exercée sur le bain est aussi augmenté puisqu'on assiste à un resserrement de la distribution des lignes de courant du fait du potentiel d'ionisation plus élevé de ces gaz que de l'argon. Ceci se traduit alors par une dépression plus marquée sous l'arc du bain de soudage. Cela correspond à un rejet vers l'arrière plus prononcé du bain et conduit à déplacer les conditions d'apparition du � humping � à un autre point d'équilibre entre pression électromagnétique de l'arc et pression hydrostatique du bain. Par ailleurs, W. Savage et al., Effect of arc force on defect formation in GTA welding, Welding Journal, 1979, vol. 58, n° 7, pp. 212-224, décrit l'utilisation en soudage TIG double-flux d'un mélange argon-O2 en gaz périphérique pour permettre une meilleure pénétration. Toutefois, cette solution n'est pas non plus idéale car si l'action de constriction pneumatique de l'arc, résultant du double flux de gaz, permet d'accroitre la pénétration et donc d'augmenter le volume de métal fondu à largeur de cordon égale, ceci s'accompagne d'une augmentation de vitesse limite constatée peu importante. De plus, lorsque le gaz périphérique ou annulaire contient de l'02, des résultats très différents sont obtenus en termes d'amélioration de la vitesse limite. Ces différences de performance peuvent s'expliquer par des variations au niveau des compositions des tôles d'acier soudées. En effet, les éléments S et O présents dans les aciers ont un effet tensio-actif et l'optimum en O est nécessairement tributaire de la teneur en S. Si la teneur en S est telle que (dy/dT) est déjà positif, l'apport en O n'a pour effet que d'augmenter la température I. Le point d'inversion des flux de convection est donc rapproché du centre. Cependant, l'effet bénéfique n'est pas de la même ampleur qu'avec un passage de négatif à positif de (dy/dT). En outre, S et O combinent leurs effets mais en fait, il s'agit de S et O � solubles �, c'est à dire qui ne sont pas liés à un autre élément sous forme d'un composé chimique car si c'est le cas, ils n'ont plus d'influence sur la tension de surface. Il convient donc de distinguer les éléments tensioactifs (Soufre, Oxygène, Sélénium et Tellure), les éléments réactifs qui vont piéger sous forme de composés l'un ou l'autre des éléments tensioactifs et vont donc diminuer la teneur en cet élément à l'état soluble (ex : Al pour l'oxygène, calcium, cérium ou lanthane pour le soufre) et les éléments neutres. Dans le cas de l'oxygène, il faut porter une attention particulière à l'aluminium puisque l'aluminium est utilisé comme désoxydant lors de l'élaboration de l'acier et le résiduel peut varier fortement selon les coulées et les pratiques de l'aciériste élaborateur. Ceci rend impossible une quelconque industrialisation de cette méthode puisqu'il n'est pas possible en pratique de contrôler la teneur en oxygène du gaz utilisé en fonction de la quantité à transférer dans le bain sous forme libre. Le problème qui se pose est des lors de pouvoir éliminer les défauts liés au � humping � et rendre atteignables de plus hautes vitesses d'avance en soudage TIG automatique de l'acier, en particulier des vitesses d'au moins 2 m/min. La solution est un procédé de soudage à l'arc électrique mettant en oeuvre une torche de soudage à l'arc munie d'une électrode, dans lequel un flux de gaz central est délivré au contact de l'électrode et un flux de gaz annulaire est délivré périphériquement audit premier flux de gaz, caractérisé en ce que le flux de gaz central comprend de l'argon et de l'hydrogène (H2), et le flux de gaz de gainage comprend de l'argon et au moins un composé oxydant choisi parmi le dioxyde de carbone (CO2) et l'oxygène (02). Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le flux de gaz central est constitué uniquement d'argon et d'hydrogène. - le flux de gaz annulaire ou de gainage est constitué uniquement d'argon et d'au moins un gaz oxydant. le flux de gaz annulaire est constitué d'un mélange Ar/02, Ar/CO2 ou Ar/Oz/CO2. - la torche de soudage à l'arc est munie d'une électrode non fusible en tungstène ; il s'agit donc d'une torche TIG. - l'on soude une ou plusieurs pièces en acier, notamment en acier inoxydable ou en acier au carbone, en particulier les aciers revêtus d'une couche surfacique de zinc, d'aluminium ou de tout autre matériau destiné à prévenir la corrosion de l'acier considéré. - le flux de gaz annulaire est formé de 1.5 à 4 % en volume de CO2 et de l'argon pour le reste, de préférence de 1.8 à 3% de CO2. - le flux de gaz annulaire est formé de 0.75 à 2 % en volume d'02 et de l'argon pour le reste, de préférence de 0.9 à 1.5% d'02. - le flux de gaz annulaire est formé de 0.75 à 4 % en volume d'un mélange gazeux 02/CO2, et de l'argon pour le reste, de préférence de 1 à 3% du mélange gazeux O2/CO2. - le flux de gaz central de 2 à 8 % en volume de H2 et de l'argon pour le reste, 5 de préférence entre 3 et 7% de H2. - la ou les pièces à souder sont choisies parmi les flancs raboutés. La présente invention va être maintenant mieux comprise grâce aux exemples comparatifs suivants, donnés à titre illustratif. Exemples 10 Pour tenter de résoudre le problème de � humpimg � ou bosselage, dans le cadre de la présente invention, on a étudié les flux de métal et la formation du cordon de soudure en présence de plusieurs gaz ou mélanges gazeux différents en soudage TIG double flux automatique. En particulier, on a testé l'action conjuguée d'un flux de gaz central formé d'un 15 mélange Ar/H2 et d'un flux de gaz annulaire formé d'un mélange Ar/CO2 pour augmenter la vitesse de soudage. Ce couplage a été choisi avec soin pour bénéficier des caractéristiques de chaque composant afin d'obtenir les effets souhaités. Ainsi, l'argon facilite l'amorçage de l'arc et le stabilise grâce à sa faible énergie d'ionisation de 15.8 eV à comparer à 24.6 eV nécessaires pour l'hélium. 20 L'hydrogène est ajouté pour augmenter l'énergie de l'arc. H2 étant une molécule diatomique, sa présence dans le mélange gazeux va augmenter l'apport de chaleur à la tôle grâce à l'énergie libérée lors de la recombinaison (4.5 eV/molécule). En outre, la conductivité thermique plus élevée de l'hydrogène augmente également la température du bain. A hautes températures, c'est-à-dire de plus de 5000 K, 97% molaire du CO2 est 25 dissocié dans l'arc selon l'équation : CO2 -> CO + 1/2 02, laquelle conduit à la formation d'oxygène. Or, l'oxygène est un élément tensio-actif, sa présence dans le métal fondu abaisse la tension de surface du métal. Ainsi, le document B. Keene, Review of data for the surface tension of iron and its binary alloys, International Materials Reviews, 1988, vol. 33, n° 1, pp. 1-37, donne pour un mélange binaire Fe-O, 30 la relation: YFe_o =YFe ù 7490[at. ù %O] . L'oxygène formé va donc fluidifier le bain. La Figure 2 illustre les conductivités thermiques (en ordonnées) des composants des mélanges gazeux de protection en fonction de la température (en abscisses). La conductivité thermique est définie comme étant la vitesse à laquelle se propage la chaleur par conduction à travers une surface unité, normale à la direction du flux de 35 chaleur, et cela par unité de longueur et unité de différence de température. Elle contrôle donc le transfert de chaleur par conduction et a un impact sur la morphologie du cordon, la température du bain de soudage et le mouillage. On peut observer sur la figure 2 que l'hélium et l'hydrogène ont des conductivités thermiques plus élevées que celle de l'argon et permettront d'obtenir des arcs plus énergétiques. Le Tableau 1 ci-après donne les compositions des différents gaz G1 a G4 qui ont été testes en soudage TIG double flux. Tableau 1 Ar He H2 CO2 G1 100% G2 80 % 20 % / / G3 95 % / 5 % / G4 98% / / 2% (% en volume) Le Tableau 2 ci-après consigne les résultats obtenus en termes de vitesse de soudage (Vs) limite avant apparition du phénomène de � humping � sur des pièces en acier A42 ayant une épaisseur de 1,5 mm, en utilisant une torche automatique de soudage TIG double flux classique munie d'une électrode non fusible pointue de 3.2 mm de diamètre en tungstène cérié de type W-2% CeO2, avec hauteur d'arc d'environ 2 mm et intensité de soudage de l'ordre de 200 A. Tableau 2 Gaz central G 1 G3 G 2 G3 Gaz annulaire G 1 G 1 G 1 G4 Vs maximale 200 230 220 300 (cm/min) Il ressort du Tableau 2 que le couple G3/G4 offre les meilleures performances tant en termes d'augmentation de vitesse qu'en termes de limitation des oxydes présents en surface. En fait, avec couple G3/G4, il existe un effet tensio-actif (la convection de Marangoni est dirigée vers le centre du cordon) couplé à une augmentation du volume de métal fondu et à une élévation de la température du bain, ce qui va dans le sens d'un renforcement de la convection de Marangoni. Par conséquent, un équilibre des pressions se forme sur la zone de transition qui est modifiée puisque la pression du bain de soudage est augmentée. Le bain présente une meilleure aptitude au mouillage donc les zones sèches sont plus rapidement recouvertes. Enfin, le bain plus chaud se solidifie plus lentement. Il est important de préciser les inconvénients et donc les conditions d'utilisation des mélanges gazeux contenant de l'hydrogène. En effet, l'hydrogène est un des facteurs provoquant la fissuration à froid (nuances ferritiques) et peut être aussi la cause de porosités. Il est donc nécessaire d'établir la compatibilité métallurgique (aciers non trempants et aciers inoxydables austénitiques) et de contrôler strictement la teneur en H2. Des essais comparatifs complémentaires ont été effectués, dans les mêmes conditions opératoires que précédemment, mais avec différentes couples de gaz (cf. Tab. 3 ci-après) de manière notamment à déterminer la meilleure teneur en H2 à utiliser et à déterminer si l'oxygène avait un effet ou non équivalent au CO2 dans le gaz annulaire par comparaison avec les résultats obtenus pour le couple G3/G4 du Tableau 3. Tableau 3 Gaz central Ar + 2% H2 G3 G3 Gaz annulaire G4 Ar + 1 % 02 Ar + 1.5 % 02 Vs maximale Inférieure à G3 Approx. égale à G4 Inférieure à G4 Les résultats obtenus montrent que : - un flux central contenant seulement 2% en volume de H2 dans de l'argon (au lieu de 5% de H2 pour G3) conduit à l'obtention d'une vitesse limite inférieure par rapport à celle obtenue avec le couple G3/G4. En limitant la teneur en hydrogène, on limite l'effet sur l'apport en chaleur à la tôle et on perd à la fois en volume de bain et en gradient de température. De là, on préférera utiliser des teneurs en H2 d'au moins 2% en volume, de préférence encore supérieure à 3%, avantageusement entre 4 et 8%. - lorsque le flux central est G3 et que le flux annulaire périphérique est remplacé par un mélange d'argon et d'oxygène, alors une teneur volumique de 1% en 02 conduit à des résultats sensiblement équivalents en termes de vitesse que G4, alors qu'une augmentation de la teneur en 02 jusqu'à 1,5% dans le gaz annulaire distribué en périphérie, engendre une diminution des performances de vitesse et l'aspect du cordon est également dégradé. En effet, tous les sites disponibles sont déjà occupés par les atomes d'oxygène solubles et les atomes solubles supplémentaires ne servent qu'à créer des oxydes. Il n'existe donc pas d'effet positif sur la convection de Marangoni et, l'inverse, on assiste à une apparition de plaques d'oxydes néfastes qui vont dans le sens d'un accroissement des tensions de surface et pénalisent l'aspect du cordon. Aux températures qui existent en périphérie de l'arc, le CO2 se dissocie totalement et travailler avec un gaz contenant 1% d' 02 est équivalent à travailler avec un gaz contenant 2% de CO2. Le procédé de l'invention est particulièrement adapté au soudage des tôles automobiles, tels les flancs raboutés ou � tailored blanks �. Revendications1. Procédé de soudage à l'arc électrique mettant en oeuvre une torche de soudage à l'arc munie d'une électrode, dans lequel un flux de gaz central est délivré au contact de l'électrode et un flux de gaz annulaire est délivré périphériquement audit premier flux de gaz, caractérisé en ce que : - le flux de gaz central comprend de l'argon et de l'hydrogène (H2), et - le flux de gaz de gainage comprend de l'argon et au moins un composé oxydant choisi parmi le dioxyde de carbone (CO2) et l'oxygène (O2). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux de gaz central est constitué uniquement d'argon et d'hydrogène. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux de gaz annulaire 15 est constitué uniquement d'argon et d'au moins un gaz oxydant. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la torche de soudage à l'arc est munie d'une électrode non fusible en tungstène. 20 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on soude une ou plusieurs pièces en acier. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux de gaz annulaire est formé de 1.5 à 4 % en volume de CO2 et de l'argon pour le 25 reste, de préférence de 1.8 à 3% de CO2. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le flux de gaz annulaire est formé de 0.75 à 2 % en volume d'O2 et de l'argon pour le reste, de préférence de 0.9 à 1.5% d'O2. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le flux de gaz annulaire est formé de 0.75 à 4 % en volume d'un mélange gazeux O2/CO2, et de l'argon pour le reste, de préférence de 1 à 3% du mélange gazeux O2/CO2. 35 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux de gaz central de 2 à 8 % en volume de H2 et de l'argon pour le reste, de préférence entre 3 et 7% de H2. 30 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les pièces à souder sont choisies parmi les flancs raboutés.