Brevet FR2951102A1 — publié le 20110415

PROCEDE DE SOUDAGE DE PIECES REALISEES A PARTIR D'UN ALLIAGE D'ALUMINIUM La présente invention concerne un procédé de soudage d'au moins une pièce de faible épaisseur ou capsule à une pièce massive, ladite capsule et ladite pièce massive étant réalisées à partir d'un alliage d'aluminium, et ledit procédé comprenant une étape de soudage en une passe à l'arc avec une électrode. Il est connu que pour optimiser un tel procédé de soudage de l'aluminium, l'extrémité de l'électrode doit former une goutte de métal en fusion disposée au-dessus du bain de soudure dans lequel un métal d'apport est liquéfié afin de solidariser les pièces à souder elles mêmes localement en fusion. Toutefois, cette optimisation est délicate à mettre en oeuvre dans la mesure où la goutte formée ne doit pas dépasser un poids seuil. En effet, si la goutte formée est trop lourde, elle se détache de l'électrode et tombe dans le bain de soudure, où elle provoque une inclusion dans le cordon formé par le bain de soudure refroidi, constituant ainsi un défaut qui peut s'avérer grave de conséquences. La formation de gouttes trop lourdes est favorisée par un mauvais réglage des paramètres de soudage conduisant à un éclatement de l'électrode qui peut survenir lors de l'étape d'amorçage. Une mauvaise qualité de soudure n'est pas limitée à cette problématique d'inclusion dans le bain de soudure et peut découler d'autres problèmes, comme par exemple la rétractation de l'alliage des pièces soudées à l'issue de l'étape de soudage. De plus, une autre difficulté survient du fait que les alliages à base d'aluminium présentent une conductivité thermique élevée. Ainsi, la chaleur apportée pour le soudage est rapidement absorbée par l'ensemble de la pièce, réduisant localement l'efficacité de l'apport de chaleur et augmentant de ce fait la quantité d'énergie thermique nécessaire ainsi que la durée du soudage, et par conséquent, le risque de production d'oxydes dans le cordon de soudure. La qualité de la soudure ainsi obtenue est médiocre. Une autre difficulté majeure réside dans le soudage dans un volume fermé de la pièce de faible épaisseur à la pièce massive. Par soudage dans un volume fermé, on entend que le cordon de soudure suit intégralement le contour de la pièce de faible épaisseur. Il est connu que lors d'un tel soudage, le cordon est formé par soudage continu depuis un endroit donné du contour de la pièce de faible épaisseur, le long du contour, jusqu'au retour à ce même endroit. Toutefois, lors de ce procédé de soudage, les retraits de solidification font directement travailler la matière en traction. La moindre amorce de rupture crée alors une fissure, ce qui est inacceptable. De plus, le volume étant fermé après soudage, les problèmes de dégazage sont fréquents, et il n'est pas rare qu'une bulle de gaz soit formée et reste dans le cordon, constituant alors une porosité inacceptable. Toutes ces difficultés de qualité de soudure sont encore accentuées pour un soudage en une passe ou soudage monopasse qui implique un seul passage de l'électrode pour former le cordon de soudure. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de soudage d'au moins une capsule à une pièce massive, ladite capsule et ladite pièce massive étant réalisées à partir d'un alliage d'aluminium, la capsule comprenant une étape de soudage en une passe à l'arc avec une électrode, caractérisé en ce que l'étape de soudage comprend les étapes suivantes : soudage d'un premier cordon comprenant une portion en périphérie de la capsule le long d'une première partie du périmètre de ladite capsule, et soudage d'un second cordon comprenant une portion en périphérie de la capsule le long d'une seconde partie du périmètre de ladite capsule complémentaire de la première partie du périmètre de ladite capsule. L'invention sera décrite maintenant plus en détail en référence aux figures annexées données uniquement à titre d'exemple et dans lesquelles : -la figure 1 est une représentation schématique de l'évolution de l'intensité du courant d'alimentation d'une électrode de soudage au cours d'un procédé de soudage selon l'invention, - la figure 2a est une vue schématique de dessus d'une capsule à souder à une pièce massive conformément à une première variante de réalisation, lors 10 d'une étape de soudage d'un premier cordon de soudure, - la figure 2b est une vue schématique de dessus de la capsule et de la pièce massive de la figure 2a, lors d'une étape de soudage d'un second cordon de soudure, - la figure 3a est une vue schématique de dessus d'une capsule à souder à 15 une pièce massive conformément à une seconde variante de réalisation, lors d'une étape de soudage d'un premier cordon de soudure, - la figure 3b est une vue schématique de dessus de la capsule et de la pièce massive de la figure 3a, lors d'une étape de soudage d'un second cordon de soudure, 20 -la figure 4 est une coupe transversale de la capsule et de la pièce massive de la figure 3a avant soudage, et - la figure 5 est une coupe transversale en détail de la zone V de la figure 4 après soudage. L'invention concerne un procédé de soudage, référencé en 10 sur la figure 1, de 25 pièces réalisées à partir d'un alliage d'aluminium, en particulier d'une nuance Al 5754 H 111, dénommée AG3. Le procédé de soudage 10 comprend une étape de soudage 12 à l'arc avec une électrode en une passe ou monopasse. Le procédé de soudage 10 selon l'invention est particulièrement adapté à un soudage TIG (acronyme de Tungsten Inert bas) dont l'électrode est en tungstène préférentiellement pur. Le procédé de soudage 10 comprend une étape d'amorçage 14 préalable à l'étape de soudage 12 au cours de laquelle l'électrode subit une élévation de température, ainsi qu'une étape d'évanouissement 16 qui suit l'étape de soudage. Au cours de l'étape de soudage 12, un arc électrique est établi entre l'extrémité de l'électrode et les pièces à souder, sous la protection d'un gaz inerte. Un métal d'apport, avantageusement de type AlMg5, est mis en fusion par la chaleur dégagée par l'arc électrique, et forme un bain de soudure qui, en se refroidissant, constitue un cordon de soudure dont la qualité est primordiale. Comme visible aux figures 2a, 2b et 3a, 3b, le procédé selon l'invention s'applique au soudage d'une pièce de faible épaisseur 18, appelée capsule dans la suite de la description, à une pièce massive 20. Par faible épaisseur, on entend une épaisseur de coefficient 1, et par pièce 15 massive on entend que l'épaisseur de cette pièce est d'au moins trois fois celle de la pièce de faible épaisseur. Dans le mode de réalisation illustré aux figures 2a et 2b, la capsule 18 a une forme de patatôide dont le contour est destiné à être entouré par un cordon de soudure, tandis que selon la variante présentée aux figures 3a et 3b, elle 20 présente un contour circulaire. L'invention n'est bien entendu pas limitée à ces formes et s'applique à tout type de pièce de faible épaisseur. Comme représenté aux figures 2a, 2b et 3a, 3b, l'étape de soudage 12 comprend les étapes suivantes : - soudage d'un premier cordon 22a comprenant une portion 24a en 25 périphérie de la capsule 18 le long d'une première partie 26a du périmètre 28 de la capsule 18, et - soudage d'un second cordon 22b comprenant une portion 24b en périphérie de la capsule 18 le long d'une seconde partie 26b du périmètre 28 de la capsule 18 complémentaire de la première partie 26a du périmètre 28 de la capsule 18. Cette étape de soudage 12 en deux opérations distinctes permet de réduire les contraintes thermomécaniques des cordons de soudure puisque d'une part, le premier cordon refroidit sans contrainte du fait que la capsule n'est soudée que partiellement et que d'autre part le second cordon est réalisé lorsque le premier cordon est déjà réalisé, c'est-à-dire que le bain de soudure est solidifié et présente déjà une forte résistance mécanique. A l'issue de l'étape de soudage, la capsule est intégralement entourée par les portions périphériques 24a et 24b des cordons de soudure 22a et 22b, la portion 22a étant disposée dans un premier chanfrein 30 formé entre un premier bord 32 de la capsule 18 et un premier bord 34 de la pièce massive 20, et la portion 24b étant disposée dans un second chanfrein 36 formé entre un second bord 38 de la capsule 18 et un second bord 40 de la pièce massive 20. Selon une caractéristique de l'invention, l'étape d'amorçage 14 préalable à l'étape de soudage 12 de chacun des cordons 22a et 22b est réalisée dans une zone 42a, 42b de la pièce massive 20 distincte de la périphérie 28 de la capsule 18 et l'étape d'évanouissement 16 est également réalisée dans une zone 44a, 44b de la pièce massive 20 distincte de la périphérie 28 de la capsule 18. Ainsi, l'amorçage et l'extinction de l'électrode ont lieu hors de la zone de soudure, ce qui évite les éclats de tungstène et assure la préservation de l'intégrité de la capsule. Dans le mode de réalisation illustré aux figures 2a et 2b, et 3a et 3b, chacun des cordons 22a, 22b comprend une première portion rectiligne 46a, 46b qui s'étend depuis la zone 42a, 42b d'amorçage jusqu'à une zone d'approche 48 de la périphérie 28 de la capsule 18, la portion en périphérie 24a, 24b et une dernière portion 50a, 50b rectiligne s'étendant depuis une zone 52 d'éloignement de la périphérie 28 de la capsule 18 jusqu'à la zone 44a, 44b d'évanouissement. Selon la variante illustrée aux figures 3a et 3b, chacun des deux cordons 22a, 22b présente une forme de fi : les portions rectilignes 46a, 46b et 50a, 50b sont sensiblement tangentes au périmètre 28 de la capsule 18 au niveau respectivement de la zone d'approche 48 et de la zone d'éloignement 52 et les portions périphériques 24a et 24b sont chacune de la forme d'un demi-cercle. Comme visible aux figures 2a, 2b, 3a et 3b, les cordons de soudure sont croisés au moins dans la zone d'approche 48 et dans la zone d'éloignement 52, ce qui a pour effet de limiter la présence éventuelle de défauts volumiques, notamment des porosités, dans ces zones de recouvrement des cordons de soudure 22a et 22b. Selon une autre caractéristique de l'invention illustrée aux figures 2 à 5, la capsule 18 comprend une gorge de dégagement 54 dans la périphérie 28 de la capsule 18, et l'étape de soudage de la portion périphérique 24b du second cordon 22b se termine au niveau de la gorge de dégagement. Cette gorge 54 sert d'une part de trou de dégazage, dans la mesure où elle évite aux volumes emprisonnés dans un plan de joint issu du soudage des pièces de perturber directement les cordons de soudure lors de l'échauffement des gaz. Elle permet d'autre part d'éviter que le plan de joint constitue une amorce de rupture qui engendrerait une fissure lors de la solidification du bain de soudure. En effet, la gorge de dégagement 54 réduit le facteur d'entaille en pointe des cordons, et permet au cordon de se rétracter au niveau de sa pointe, limitant de ce fait les tensions internes. Comme visible à la figure 5, la zone comprise entre la pointe du chanfrein et la gorge de dégagement, appelée talon 56, est entièrement recouverte par le cordon de soudure. Le talon forme une zone d'épaisseur plus faible, ce qui permet de limiter la diffusion thermique et d'atteindre plus rapidement le point de fusion de la zone à souder, le talon permettant du côté de la pièce massive d'uniformiser l'épaisseur à souder à celle de la capsule de faible épaisseur. Comme visible à la figure 4, la pièce massive comprend deux bords 58a et 58b, disposés de part et d'autre de la zone des cordons de soudure 22a, 22b, de manière à former un caniveau circulaire 60 pour réduire l'usinage des cordons de soudure, qui aurait pour effet de fragiliser les cordons de soudure. Comme visible à la figure 1, l'électrode est alimentée par un courant avantageusement alternatif dont l'intensité évolue au cours du procédé de soudage selon l'invention. Pendant l'étape de soudage 12, l'intensité de soudage a une valeur nominale donnée, sensiblement constante, encore appelée valeur de soudage, et référencée In sur la figure 1. Avantageusement, l'intensité In de soudage est comprise entre 200A et 300A et est avantageusement plus élevée pour le soudage du second cordon 22b que pour le soudage du premier cordon 22a. Le courant d'alimentation de l'électrode est au début de l'étape d'amorçage 14 15 d'une valeur la comprise entre 70% et 85% de ladite valeur de soudage In , puis augmente jusqu'à atteindre ladite valeur de soudage In en un temps de l'ordre de deux secondes, de manière à éviter toute fragilisation de l'électrode. Ainsi l'électrode n'est pas fragilisée au cours de son chauffage pendant l'étape d'amorçage, ce qui réduit notablement la possibilité qu'une goutte tombe dans le 20 bain de soudage. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, et comme illustré à la figure 1, le courant d'alimentation de l'électrode est au début de l'étape d'amorçage 14 d'une valeur la sensiblement égale à 79% de In . Avantageusement, et comme déjà expliqué, l'amorçage est réalisé en pleine 25 matière avant que l'électrode ne soit dirigée dans la zone a souder, ce qui permet de réduire encore la possibilité de formation d'inclusion de goutte dans le cordon de soudure. Selon une autre caractéristique de l'invention, le courant d'alimentation au cours de l'étape d'évanouissement 16 diminue jusqu'à atteindre une valeur le comprise entre 25% et 15% de la valeur de soudage en 4 secondes, de manière à réduire la formation de microporosités dans la masse des pièces soudées au cours de leur solidification. Ainsi, des microporosités ne se forment qu'en surface et sont facilement éliminées par un ponçage, ce qui permet d'améliorer la qualité de soudure. Préférentiellement, comme illustré à la figure 1, le courant d'alimentation de l'électrode diminue pendant l'étape d'évanouissement 16 jusqu'à atteindre une valeur de l'ordre de 20% de la valeur de soudage. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé de soudage comprend une étape de préchauffage de la totalité d'au moins la pièce massive 20 préalablement à l'étape d'amorçage 14 et la température de préchauffage dans le chanfrein 30, 36 est comprise entre 120°C et 150°C. Préférentiellement, la totalité de la capsule 18 et de la pièce 20 est préchauffée au cours de cette étape de préchauffage. On entend par « température de préchauffage » la température minimale dans le 20 chanfrein 30, 36 immédiatement avant l'étape de soudage 12. Cette étape de préchauffage comprend les étapes suivantes : - isolation des pièces 18 et 20, - chauffage des pièces 18 et 20 isolées et contrôle de la température desdites pièces 18 et 20 pendant le chauffage, 25 -contrôle distinct de la température dans le chanfrein 30, 36, - homogénéisation de la température dans les pièces 18, 20 isolées par arrêt du chauffage. L'étape de préchauffage permet d'augmenter l'efficacité du soudage, et donc de réduire la durée du soudage et la quantité d'oxydes produits, améliorant de ce fait la qualité du cordon de soudure. L'isolation est réalisée par exemple à l'aide d'un tissu en laine de céramique qui couvre au moins partiellement les pièces 18, 20 à préchauffer. Cette isolation assure que la montée en température lors du préchauffage se fasse de manière homogène dans les pièces 18, 20 ainsi isolées. Des résistances électriques enrobées dans de la laine de céramique sont disposées autour de la pièce 20, en vis-à-vis des endroits les plus massifs. Une cale de support est disposée directement sur chaque résistance afin de garantir une zone tampon entre la table et la pièce 20. De préférence, les résistances sont pilotées par au moins une voie de régulation, et de préférence par quatre voies de régulation, à l'aide d'un thermocouple disposé à l'interface entre chaque cale et la pièce 20. Cet agencement assure que la température des pièces 18 et 20 isolées soit contrôlée afin d'atteindre la température souhaitée de préchauffage sans la dépasser. A titre d'exemple, la durée de préchauffage d'une capsule de 22 mm de diamètre et de 4 mm d'épaisseur est de l'ordre de 30 minutes et le préchauffage d'une pièce massive de dimensions 1300 mm*700 mm*100 mm de l'ordre de 5 heures. Lorsque la température souhaitée de préchauffage est atteinte, le chauffage est coupé pendant une durée déterminée de l'ordre de 1 heure, ce qui permet de limiter les contraintes dues à la dilatation thermique. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'étape de préchauffage comprend une étape d'élimination de traces d'humidité préalablement à l'étape de chauffage des pièces autrement appelée étape de dégourdissage. La réduction de l'humidité, qui est une source de formation de soufflures, grâce à cette étape de dégourdissage, améliore la qualité de soudure obtenue. On note qu'un préchauffage optimal est celui pour lequel la température de préchauffage est la plus haute possible et uniforme, limitant les pertes calorifiques par conductivité thermique, de sorte que l'énergie de soudage soit affectée le plus possible à la fusion du bain de soudure. Le refroidissement lent piloté limite les contraintes dues aux dilatations thermiques. Le procédé de soudage selon l'invention assure une très grande qualité de soudure, ce qui peut être primordial pour de nombreuses applications où l'apparition de défauts de soudure engendre de lourdes conséquences. REVENDICATIONS1. Procédé de soudage d'au moins une pièce de faible épaisseur ou capsule (18) à une pièce massive (20), ladite capsule (18) et ladite pièce massive (20) étant réalisées à partir d'un alliage d'aluminium, ledit procédé comprenant une étape de soudage (12) en une passe à l'arc avec une électrode, caractérisé en ce que l'étape de soudage comprend les étapes suivantes : - soudage d'un premier cordon (22a) comprenant une portion (24a) en périphérie de la capsule (18) le long d'une première partie (26a) du périmètre (28) de ladite capsule (18), et - soudage d'un second cordon (22b) comprenant une portion (24b) en périphérie de la capsule (18) le long d'une seconde partie (26b) du périmètre (28) de ladite capsule (18) complémentaire de la première partie (26a) du périmètre de ladite capsule (18). 2. Procédé de soudage selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'amorçage (14) préalable à l'étape de soudage (12) dans une zone (42) de la pièce massive (20) distincte de la périphérie de la capsule (18). 3. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'évanouissement (16) à l'issue de l'étape de soudage (12) dans une zone (44) de la pièce massive (20) distincte de la périphérie de la capsule (18). 4. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la capsule (18) comprend une gorge de dégagement (54) dans la périphérie (28) de la capsule (18), et en ce que l'étape de soudage de la portion périphérique (24b) du second cordon (22b) se termine au niveau de ladite gorge de dégagement (54). 5. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cordons de soudure (22a, 22b) sont croisés au moins dans une zone d'approche (48) de la périphérie de la capsule (18) et dans une zone d'éloignement (52) de la périphérie de la capsule (18). 6. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce massive (20) comprend deux bords (58a, 58b) de part et d'autre des cordons de soudure, de manière à former un caniveau (60). 7. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le courant d'alimentation de ladite électrode est au début de ladite étape d'amorçage d'une valeur (la) comprise entre 70% et 85% de ladite valeur de soudage (In ), puis augmente jusqu'à atteindre ladite valeur de soudage (In) en un temps de l'ordre de deux secondes, de manière à éviter toute fragilisation de l'électrode. 8. Procédé de soudage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le courant d'alimentation de ladite électrode est au début de ladite étape d'amorçage (14) d'une valeur (la) sensiblement égale à 79% de la valeur de soudage (In ). 9. Procédé de soudage selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'au cours de l'étape d'évanouissement (16), le courant d'alimentation de ladite électrode diminue jusqu'à atteindre une valeur (le) comprise entre 25% et 15% de la valeur de soudage en 4 secondes, de manière à éviter toute formation de défauts dans la masse des pièces soudées au cours de leur solidification. 10. Procédé de soudage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, au cours de l'étape d'évanouissement (16), le courant d'alimentation deladite électrode diminue jusqu'à atteindre une valeur (le) de l'ordre de 20% de la valeur de soudage. 11. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de préchauffage de la totalité d'au moins la pièce massive (20) à souder préalablement à l'étape d'amorçage (14). 12. Procédé de soudage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape de préchauffage comprend les étapes suivantes - isolation des pièces (18, 20) à souder, -chauffage des pièces (18, 20) et contrôle de la température des pièces (18, 20) pendant le chauffage, - contrôle distinct de la température dans au moins un chanfrein (30, 36), et - homogénéisation de la température dans lesdites pièces isolées (18, 20) 15 par arrêt du chauffage. 16. Procédé de soudage selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que l'étape de préchauffage comprend une étape d'élimination de traces d'humidité préalablement à l'étape de chauffage des pièces (18, 20). 17. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes, caractérisé en ce que la valeur de soudage est comprise entre 200A et 300A.