Brevet FR2952562A1 — publié le 20110520

PROCEDE DE TRAITEMENT PAR UN FAISCEAU D'IONS D'UN PLOT DE SOUDAGE ET PROCEDE DE SOUDAGE METTANT EN îUVRE UN TEL PLOT DE SOUDAGE L'invention a pour objet un procédé de traitement par faisceau d'ions d'un plot de soudage métallique pour augmenter sa résistance aux dégradations métallurgiques induites par l'opération de soudage. L'invention a également pour objet un procédé de soudage utilisant le plot de soudage ainsi traité pour souder par points des tôles en acier ayant subit préalablement un traitement anticorrosion à base de zinc. On est ainsi capable d'augmenter fortement la durée de vie du plot de soudage et de réduire considérablement les coûts de maintenance induits par l'arrêt des chaines de robots nécessaire à son remplacement. On entend par plot de soudage les embouts des électrodes de soudage à résistance par points (portées par exemple par une pince manoeuvrée par un robot). Ces plots sont soumis à des contraintes mécaniques et thermiques, et par suite à une usure importante, du fait de la mise en contact répétitive et sous pression de leur extrémité avec les tôles à souder, et de l'importance des intensités du courant électrique qui les traverse, qui peuvent être de l'ordre de 10 000 A sous basse tension. Ce courant provoque une fusion ponctuelle du métal de ces tôles, et l'extrémité de l'électrode peut donc être soumise à des élévations de température très importantes, malgré le refroidissement fourni par l'eau en circulation dans le circuit précité. La reproductibilité de la qualité d'un point de soudure dans le temps est très dépendante de la qualité du contact entre les plots de soudage et les tôles. Or, ce contact se dégrade très rapidement dans le temps selon différents processus • tout d'abord, il y a une dégradation géométrique, causée par les chocs répétés dus à la fermeture de la pince de soudage et par le fait que les plots de soudage ne sont pas toujours parfaitement perpendiculaires aux tôles (programmation du robot). Le fort dégagement de chaleur qui se produit pendant le soudage, ce qui provoque une altération des propriétés mécaniques et métallurgique du cuivre, fait que la surface de contact a tendance à s'accroître. • La surface de tôle dans laquelle passe le courant de soudage devenant plus importante, un même courant de soudage ne permet plus d'obtenir la fusion dans un temps identique. • Ensuite, on assiste à une dégradation métallurgique, du fait de l'oxydation des surfaces de contact, due à l'élévation de température et au transfert d'oxydes métalliques entre tôles et plots de soudage. Lors du soudage de tôles revêtues (zinguées, aluminées, etc.), il y a transfert du métal de revêtement vers l'électrode et constitution d'une couche de zinc ou d'aluminium modifiant considérablement les résistances de contact plots de soudage/tôles, et pouvant même provoquer des collages ou soudages entre plots de soudage et tôles. Le soudage par points est la principale technique d'assemblage des tôles de carrosserie automobile. L'utilisation accrue, dans ce secteur de tôles d'acier revêtues de zinc contre la corrosion, est à l'origine d'une multiplication par 10 à 100 de la vitesse de dégradation métallurgique des plots de soudage en alliage de cuivre qui sont au contact des tôles. Cela a été démontré lors d'essai de durée sur la vie des plots de soudage menés pour différents revêtements de tôles de types : électrozingué et galvanisé à chaud, tous deux constitués de zinc, et galvannealed, constitué d'alliage fer-zinc à plus haut point de fusion. Les résultats ont mis en évidence des mécanismes de dégradation métallurgiques communs, comme la cratérisation " (creusement) des plots de soudages, leur élargissement par érosion de leur profil tronconique et non par épatement de l'alliage de cuivre comme on aurait pu s'y attendre, ou la dispersion de l'énergie électrique de soudage liée à cet élargissement, qui réduit la qualité des soudages. En revanche, selon le revêtement des différences importantes sont apparues en termes de cinétiques de cratérisation et d'érosion des électrodes. Sensiblement linéaires en fonction du nombre de points soudés, ces cinétiques sont nettement plus rapides pour le galvanisé à chaud que pour le galvannealed. Les cinétiques pour l'électrozingué sont intermédiaires, proches de celle du galvanisé à chaud pour la cratérisation et de celle du galvannealed pour l'érosion des électrodes. La cratérisation et l'érosion des plots de soudage sont dues à la formation et à la croissance par diffusion de couches d'intermétalliques cuivre-fer-zinc, qui sont éliminées simultanément par quatre mécanismes dissolution, extrusion, écaillage ou " laitonnage ". Le premier mécanisme explique la cratérisation, particulièrement rapide dans les cas des revêtements galvanisé à chaud et électrozingué, parce qu'ils sont constitués de zinc, donc liquides assez tôt au cours du soudage pour pouvoir activer la dissolution. L'érosion des plots de soudage est due aux trois autres mécanismes. L'extrusion et l'écaillage expliquent bien la cinétique assez lente dans les cas des revêtements galvannealed et électrozingué. Les comportements de ces deux revêtements sont proches car l'électrozingué se transforme en galvannealed au cours du soudage par réaction entre le substrat acier et le zinc du revêtement. En revanche, dans le cas du galvanisé à chaud, cette réaction est inhibée par une couche stable de type Fe2A15, héritée du procédé de dépôt du zinc. La totalité du revêtement est donc fondue au cours du soudage, et évacuée sous forme liquide du contact tôle/plot de soudage, laissant le substrat acier en contact direct avec le plot de soudage. Cela active le mécanisme de laitonnage ", sévère pour l'érosion des plots de soudage, et explique la cinétique particulièrement rapide observée dans le cas du revêtement galvanisé à chaud. En ce qui concerne le traitement galvannealed sa capacité à protéger de la corrosion et la qualité de sa surface font de lui un revêtement très utilisé pour de nombreuses applications dans l'industrie automobile, en pièces visibles ou non visibles. La présence de fer dans le revêtement lui confère une aptitude particulière au soudage par points, ce qui conduit à préconiser spécialement le galvannealed lorsque les conditions d'assemblage s'avèrent problématiques avec d'autres revêtements. Le revêtement galvannealed offre une excellente protection contre la corrosion, même en cas d'endommagement (choc, rayure, gravillonnage), grâce au comportement électrochimique du couple fer/zinc (effet anode sacrificiel). En cas d'endommagement, le revêtement galvannealed possède un coefficient de frottement faible, ce qui facilite l'écoulement du métal entre la matrice et le poinçon. La dureté et le point de fusion de ce revêtement en font un produit apprécié pour sa soudabilité qui se rapproche de celle d'une tôle nue, avec en particulier des durées de vie des électrodes acceptables. Par exemple selon la norme ISO 18278-2 : Acier galvannealed 45/45 d'épaisseur 0,7 mm . domaine de soudabilité de 8,6 à 9,6 kA et durée de vie des plots de soudage de 1200 points sans recalage. Un seul site de production automobile consomme en moyenne 200000 plots de soudage par an. L'industrie cherche à accroitre la durée de vie des plots de soudage pour réduire le nombre de cycles de maintenance, extrêmement coûteux compte tenu de l'immobilisation des chaines de robots. Pour résoudre ces problèmes on a pensé tout d'abord à effectuer un nettoyage des plots de soudage par rodage avec une périodicité donnée, mais en aucun cas le rodage ne 10 permet de récupérer la qualité géométrique du plot de soudage neuve. De plus, le coût de cette opération, comprenant l'automatisation du procédé, l'achat et la mise en place de l'équipement et dans certains cas la perte de productivité, est relativement onéreux. On a également pensé 15 à augmenter progressivement le courant de soudage pour tenir compte de la dégradation des plots de soudage, mais il s'agit d'une méthode extrêmement empirique, qui permet d'améliorer la situation, mais sans toutefois assurer une régularité de qualité satisfaisante, car les processus de 20 dégradation des électrodes sont extrêmement complexes et peu répétitifs. On doit donc se résoudre, surtout quand la cadence de soudage est élevée, à remplacer régulièrement et fréquemment le corps d'électrode, et surtout le plot de soudage. Ainsi, 25 le plot de soudage peut avoir à être changé plusieurs fois par jour, et le corps d'électrode une fois pour chaque dizaine ou pour chaque vingtaine de changements de plots de soudage. Il en résulte un très fort besoin de traitement de 30 plots de soudage, de préférence selon des méthodes facilement industrialisables, de manière à conserver le plus longtemps possible la géométrie des plots de soudage, en inhibant le plus possible les processus de dégradations métallurgiques provoquées par la diffusion atomique du zinc, de l'aluminium_ ou encore à l'oxydation et cela à des coûts raisonnables. L'invention a pour but de créer une barrière de diffusion atomique à la surface du plot de soudage. L'invention propose ainsi un procédé de traitement par un faisceau d'ions d'un plot de soudage ou : - l'épaisseur du traitement à la surface du plot de soudage est compris entre 10 nm à 10000 nm (nanomètre) ; 10 - les ions du faisceau d'ions sont de l'azote (N); - la tension d'accélération des ions est supérieure ou égale à 10 kV et inférieure ou égale à 1000 kV ; - la température du plot de soudure est inférieure ou égale à Tf, où Tf est la température de fusion du métal de 15 ladite couche métallique ; - on choisit la dose d'ions par unité de surface dans une plage comprise entre 1014 ions/cm2 et 1020 ions/cm2 de manière à produire à la surface du plot de soudage une barrière de diffusion atomique dont l'épaisseur est comprise 20 entre 10 nm et 10000 nm. Le plot de soudage est constitué d'un alliage cuivreux à très forte teneur en cuivre. Le choix des conditions de bombardement de ces ions selon l'invention permet d'obtenir avantageusement une 25 barrière de diffusion à la surface de contact du plot de soudage. Les inventeurs ont pu constater que les plages choisies selon l'invention de tension d'accélération et de dose d'ions par unité de surface permettent de sélectionner des 30 conditions expérimentales où la production d'une barrière de diffusion atomique efficace est possible grâce à un bombardement ionique. Malgré la faiblesse de l'épaisseur d'implantation, les inventeurs ont pu constater, à leur grand étonnement, une augmentation considérable de la durée de vie des plots de soudage traités d'un facteur 100 par rapport à ceux qui ne l'étaient pas. Ces plots de soudage avaient pour composition initiale en % de masse selon la norme EN12163 : Cu solde ; Cr( min 0,5 ; max 1.2) ; Zr ( min 0,03 ; max 0.3) ; Fe ( min 10 0 ; max 0.08) ; Si ( min 0 ; max 0.1) ; autres 0.2. Ces tests de soudage ont été effectués sur des tôles en acier préalablement traitées selon le procédé galvannealed. Les plots de soudage ont été traités par implantation simultanée d'ions d'azote multiénergies à 45, 90 et 135 Kev. Les 15 proportions relatives de ces ions étaient respectivement 50%, 40%, 10%. Les tests de soudage ont été évalués avec deux doses totales d'ions d'azote implantés l'une à 4,5* 1017 ions/cm2, l'autre à 9* 1017 ions/cm2. la première dose a mis en évidence l'augmentation de la durée de vie du plot de 20 soudage d'un facteur 100, la seconde était légèrement moins bonne. Le traitement par implantation des plots de soudage a été réalisé à une température inférieure à 100° C, en utilisant un faisceau d'ions multichargés N+, N2+, N3+ émis par une source à résonance cyclotronique électronique (RCE) 25 et extrait avec une tension d'extraction de 45 KV. L'épaisseur de traitement, donc celle de barrière de diffusion atomique, à la surface du plot de soudure est estimée à environ 300 nm. L'implantation d'azote dans du cuivre induit une 30 augmentation de dureté superficielle. L'observation des zones traitées peut s'effectuer par des techniques d'observation microscopique, telles que microdureté à faible charge (de préférence inférieure à 10 g). Sans vouloir être lié par une quelconque théorie scientifique, on peut penser que le bombardement avec des ions dans les conditions selon l'invention fait l'effet d'une insertion forcée d'azote à l'échelle nanométrique autrement dit d'une compression du réseau, grâce à laquelle les réarrangements atomiques permettent le placement de l'azote en insertion interstitielle ou encore dans des nitrures métalliques plus ou moins stables, ce qui augmente considérablement l'énergie de déplacement des atomes de zinc dans la matrice en cuivre. Contrairement à ce que l'on pourrait penser, la microdureté induite par le traitement ne semble pas à priori être à l'origine d'un tel effet sur le rallongement de la durée de vie des plots de soudage. La barrière de diffusion atomique créée par le procédé de l'invention semble beaucoup plus efficace pour inhiber la dégradation métallurgique liée à la migration dans le plot de soudage d'espèces externes comme le zinc, l'aluminium etc. Selon différents modes de réalisation qui peuvent être 20 combinés entre eux : - la dose d'ions par unité de surface est comprise entre 1015 ions/cm2 et 1019 ions/cm2 ; - l'épaisseur du traitement est compris en 10 nm et 10000 nm; 25 - la tension d'accélération des ions est comprise entre 20 kV et 200 kV ; - les ions sont produits par une source à résonance cyclotronique électronique (RCE) qui a l'avantage d'être compacte et économe en énergie. 30 - la production du faisceau par la source à résonance cyclotronique (RCE) électronique nécessite un traitement dans une enceinte sous vide inférieur à 10-2 mbar. Selon différents modes de réalisation du procédé selon la présente invention, qui peuvent être combinés entre eux : - le plot de soudage est mobile par rapport au faisceau d'ions à une vitesse, VD, comprise entre 0,1 mm/s et 1000 mm/s. Il est ainsi possible de déplacer l'échantillon pour traiter des zones dont la dimension est supérieure à celle du faisceau. La vitesse de défilement VD, peut être constante ou variable. Selon un mode de réalisation, le plot de soudage se déplace et le faisceau d'ions est fixe. Selon un autre mode de réalisation, le faisceau d'ions balaie le plot de soudage à traiter. Il est également possible que le plot de soudage se déplace quand le faisceau d'ions est mobile. Selon un mode de réalisation, une même zone du plot de soudage (par exemple la tête tronconique) est déplacée sous le faisceau d'ions selon une pluralité, N, de passages à la vitesse VD. II est ainsi possible de traiter une même zone du plot de soudage avec une dose d'ions correspondant à la somme des doses d'ions reçues par cette zone à l'issue des N passages. On note également que si la taille de la tête du plot de soudage à traiter le permet, le traitement peut être statique et résulter d'un ou plusieurs « flash » d'ions ; - le plot de soudage est constitué de cuivre ou d'un alliage de ce métal; L'invention porte également sur le procédé de soudage de tôle zinguée qui utilise le plot de soudage traité selon le procédé de l'invention. - la tôle à souder est constituée d'un matériau choisi parmi la liste constituée de la totalité des nuances 30 d'aciers. la tôle a fait l'objet préalable d'un traitement anticorrosion choisi parmi la liste des traitements à base de zinc; on mettra par exemple dans cette liste le procédé galvannealed, electrozingué, galvanisé à chaud. Selon un mode de réalisation, le procédé de soudage utilisant le plot de soudage traité par le procédé de l'invention, permet de souder à moindre cout économique, énergétique et environnemental, avec une meilleur qualité de soudure notamment en terme de stabilité et reproductibilité des conditions thermiques, de nouvelle composition de tôles, plus légère présentant une protection à la corrosion 10 hautement renforcé. Les cycles de maintenance sont beaucoup plus longs réduisant de fait le coût inhérent à l'arrêt des robots. D'autres particularités et avantages de la présente invention ressortiront dans la description cl-après 15 d'exemples de réalisation non limitatifs, notamment en référence aux dessins annexés dans lesquels : - les figures la à Id illustrent différentes étapes de dégradation d'un plot de soudage ; - la figures 2 illustre la barrière de diffusion 20 atomique produite à la surface du plot de soudage selon le procédé de l'invention ; - les figures 3.a et 3.b représentent les profils de concentration en azote caractérisant la barrière de diffusion obtenue selon le procédé de l'invention pour deux 25 doses qui ont permis d'établir son efficacité. - la figure 4 illustre un dispositif de traitement de plot de soudage selon le procédé de l'invention ; Pour des raisons de clarté, les dimensions des différents éléments représentés sur ces figures ne sont pas 30 nécessairement en proportion avec leurs dimensions réelles. Les mêmes références numériques sur les différentes figures correspondent aux mêmes parties. Les figures 1.a à 1.d illustrent les différentes étapes de dégradation d'un plot de soudure: l'opération de soudage, « l'encrassement » de la surface du plot de soudure par le zinc, la diffusion du zinc en profondeur dans le plot de soudage, l'érosion du plot de soudage par arrachement de matière qui donne naissance à un cratère. La figure 1.a illustre une opération de soudage. Une couche de zinc 10 qui a été préalablement déposée sur une tôle en acier 20 pour lui assurer une protection contre la corrosion ambiante. La tête tronconique d'un plot de soudage 30 est appliquée contre la tôle en acier zingué, pour permettre la circulation d'un courant électrique d'environ 10000 A (Ampères). Une pointe de chaleur d'environ 700°C est ainsi créée dans la zone de contact 40 permettant la formation d'un point de soudure 60 entre la tôle 20 et la tôle 50. La figure l.b illustre l'encrassement d'une tête de plot de soudage 30 par les résidus de zinc liquide 70 produit au point de contact 80 de l'opération de soudage. Lors du retrait du plot de soudage, un dépôt de zinc 10 reste collé et « encrasse » la tête du plot de soudage 20, modifiant ainsi sa résistance de contact. Cela a un effet direct sur la reproductibilité et la qualité du point soudure suivant. La figure 1.c illustre la dissolution par diffusion atomique du zinc présent sur la tôle dans le plot de soudage. La température de l'opération de soudage est suffisante pour provoquer la diffusion atomique du zinc de la couche 10 dans le plot de soudage 30. Un collage ou soudage 90 relie la tôle zinguée et le plot de soudure, ce dernier étant fragilisé par une zone sous jacente de création de composés intermétalliques 100 constitués de cuivre et de zinc. La figure l.d illustre l'arrachement de matière sous forme de cratère. Lors du retrait du plot de soudage la zone de collage ou soudage 90 reste solidaire de la tôle zinguée 10 entrainant avec elle l'arrachement de matière 100 à la surface du plot de soudage 30 donnant naissance à un cratère 110. La figure 2 représente une coupe d'un plot de soudage à tête tronconique ayant fait l'objet d'un traitement selon le procédé de l'invention. Une barrière de diffusion atomique 20, est créée à la surface de contact du plot de soudage 10. Dans cette zone fortement comprimée, on trouve une forte concentration d'azote placé en insertion interstitielle ou présent sous forme de nitrures métalliques. Cette barrière de diffusion atomique a une épaisseur 30 d'une centaine de nanomètres qui varie selon les énergies d'implantation. Elle est suffisamment efficace pour ralentir considérablement la progression du zinc et autres éléments externes à l'intérieur du plot de soudage. Il est fort probable que cela se traduise lors des premières opérations de soudage, par une difficulté d'adhésion du zinc liquide à la surface du plot de soudage réduisant ainsi son encrassement. La figure 3.a représente le profil de concentration atomique d'azote dans un plot de soudage en cuivre. Il a été calculé pour un faisceau d'ions d'azote constitué de 50% d'ions d'azote à 45 Kev, de 40% d'ions de 90 Kev et enfin de 10% d'ion de 135 Kev. La dose totale d'ions implantés est de 4,5 *1017 ions/cm2. La durée de vie du plot a été multipliée par 100. L'axe des abscisses exprimé en Angstroem représente la profondeur de pénétration des ions d'azote dans le plot de soudage en prenant pour référence sa surface de contact avec la tôle. L'axe des ordonnées représente la concentration atomique en azote. On constate qu'une barrière atomique d'une épaisseur d'environ 3000 A (Angstroem) a été créée à la surface du plot. La concentration atomique maximale en azote, située à environ 500 A (Angstroem) est de 30%, ce qui la rend suffisamment proche de la composition stoechiométrique des nitrure de cuivre Cu3N (3 atome de cuivre pour un atome d'azote) pour favoriser leur production. Il est fort probable que la présence de nitrures métalliques relativement stables puisse expliquer l'efficacité de la barrière de diffusion atomique pour ralentir fortement la migration du zinc. La fig. 3.b représente le profil de concentration en azote, calculé 10 cette fois ci, pour une dose de 9 *1017 ions/cm2. La profondeur de la barrière de diffusion demeure égale à environ 3000 A (Angstroem). La concentration en surface est par contre plus proche de 40%, une valeur trop forte pour favoriser la formation de Cu3N. Cela pourrait expliquer la 15 légère diminution de la durée de vie du plot de soudage par rapport à celle observée pour des plots de soudage traités avec une dose de 4,5 *1017 ions/cm2. La figure 4 représente un dispositif de traitement de plots de soudage métalliques. La tête tronconique des plots 20 est tournée vers le faisceau. Les plots de soudage 10 mis cote à cote se déplacent sous un faisceau 20 produit par une source compacte RCE (résonance cyclotronique électronique) 30. Ces plots de soudage peuvent par exemple défiler selon un axe sous le faisceau 20 ou par exemple sur deux axes sur 25 un plateau. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement par un faisceau d'ions (20) d'un plot de soudage métallique caractérisé en ce que: - les ions du faisceau d'ions sont de l'azote (N); - la tension d'accélération des ions est supérieure ou égale à 10 kV et inférieure ou égale à 1000 kV de préférence entre 20 kV et 200 kV; la température du plot de soudage (10) est inférieure 10 ou égale à Tf, où Tf est la température de fusion du métal dudit plot de soudage (10) ; - on choisit la dose d'ions par unité de surface dans une plage comprise entre 1014 ions/cm2 et 1020 ions/cm2 de préférence entre 1015 ions/cm2 et 1019 ions/cm2 de manière à 15 traiter superficiellement le plot de soudage dans une épaisseur comprise entre 10 et 10000 nm. 2. Procédé de traitement selon la revendication précédente caractérisé en ce que le plot de soudage métallique(10) est mobile par rapport au faisceau d'ions 20 (20) à une vitesse, VD, comprise entre 0,1 mm/s et 1000 mm/s. 3. Procédé de traitement selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'une même zone du plot de soudage (10) est déplacée sous le faisceau d'ions (20) selon 25 une pluralité, N, de passages à la vitesse VD. 4. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le faisceau est produit par une source RCE (résonance cyclotronique électronique) 30. 5. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le plot de soudage métallique(l0) est constituée d'un métal ou d'un alliage de ce métal, où le métal est du cuivre (Cu). 6. Procédé de soudage de tôles caractérisé en ce qu'il utilise au moins un plot de soudage traité selon l'une quelconque des revendications précédentes. 7. Procédé de soudage de tôles selon la revendication précédente caractérisé en ce que la tôle est faite dans une 10 nuance d'acier quelconque. 8. Procédé de soudage de tôles selon la revendication précédente caractérisé en ce que la tôle a fait l'objet d'un traitement anticorrosion à base de zinc. 15 20 25