Brevet FR2962672A1 — publié le 20120120

L'invention porte sur un procédé de soudage à l'arc électrique de pièces en acier comprenant un revêtement surfacique à base d'aluminium, en particulier un revêtement d'aluminium et de silicium, mettant en oeuvre un gaz de protection formé d'azote et d'argon et/ou d'hélium et contenant en outre moins de 10% en volume de CO2 ou 02. Certains aciers revêtus d'aluminium ou d'un alliage à base d'aluminium, tel les aciers USIBORTM, présentent des caractéristiques mécaniques très élevées après emboutissage à chaud et sont, de ce fait, de plus en plus utilisés dans le domaine de la construction de véhicules automobiles, lorsqu'un gain de poids est recherché. En effet, ces aciers sont conçus pour être traités thermiquement puis trempés pendant l'opération d'emboutissage à chaud et les caractéristiques mécaniques qui en découlent permettent un allégement très significatif du poids du véhicule par rapport à un acier à haute limite d'élasticité standard. Ils sont principalement utilisés pour fabriquer des poutres de pare-chocs, des renforts de porte, des pieds milieu, des montants de baie... D'autres aciers revêtus d'aluminium ou d'alliage d'aluminium sont également utilisés pour leurs propriétés de résistance à la corrosion et à la chaleur. On peut citer notamment les aciers Aluzinc® utilisés pour les constructions extérieurs ou les coffrets électriques, Alusi® et Alupur®pour les pots d'échappement, les écrans thermiques, habillage de chaudières, conduits de cheminées, applications en centrale électrique ou en pétrochimie. En théorie, tous les procédés de soudage à l'arc conventionnels, tels les procédés de soudage MIG, MAG ou encore de brasage, peuvent être utilisés pour assembler ces aciers aluminiés. Toutefois, il a été observé en pratique qu'après une opération de soudage à l'arc de pièces revêtues d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium, une phase moins résistante en traction apparaissait en zone fondue de l'assemblage soudé. Cette phase est constituée de composés intermétalliques ou de ferrite delta. Dans le cas de l'Usibor, après analyse, il a été déterminé que cette phase contient un pourcentage non négligeable d'aluminium qui provoque la non-transformation austénitique de l'acier lors de son traitement avant emboutissage, c'est-à-dire que cette phase reste sous forme de ferrite Delta et il en résulte une dureté moindre que le reste de la pièce ayant subit une transformation martensitique/bainitique. Or, la phase non transformée peut entraîner, des fissures, voire une rupture de l'assemblage. En effet, ces zones contenant la phase ferrite Delta, ayant incorporé de l'aluminium, présentent une résistance de la soudure plus faible que celle du métal de base. Un procédé de soudage hybride laser-arc de pièces d'acier avec revêtement surfacique à base d'aluminium a déjà été proposé par le document EP-A-1878531. Bien que ce procédé donne de bons résultats dans certains cas, il est de mise en oeuvre compliquée car nécessite de combiner les effets d'un arc électrique à ceux d'un faisceau laser. De plus, il oblige à investir à la fois dans une source de soudage à l'arc et surtout dans une source de soudage laser, ce qui engendre un coût important et des opérations de maintenance supplémentaires pouvant nuire à la productivité globale du procédé. Et les applications visées en MIG sont le soudage de goujons, ou éléments divers en acier sur des tôles aluminiées, ou le soudage de deux tôles entre elle comme dans le cas de pots d'échappement. Le problème qui se pose est dès lors de proposer un procédé de soudage de mise en oeuvre simple permettant d'obtenir de bonnes propriétés mécaniques du joint soudé, en particulier de traction, lors d'une opération de soudage de pièces en acier revêtues d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium, et aussi d'obtenir un transfert stable du métal d'apport. La solution de l'invention est un procédé de soudage à l'arc électrique d'au moins une pièce acier comprenant un revêtement surfacique à base d'aluminium, mettant en oeuvre un gaz de protection, caractérisé en ce que le gaz de protection est constitué d'un mélange d'argon et/ou d'hélium, d'azote (N2) et d'un composé oxydant choisi parmi l'oxygène (02) et le dioxyde de carbone (CO2). Le mélange gazeux est donc formé d'argon, d'hélium ou les deux, additionné non seulement d'azote mais aussi de 02 ou CO2 de manière à constituer un mélange gazeux ternaire Ar/N2/CO2, Ar/N2/02, He/N2/02, He/N2/CO2, ou un mélange quaternaire Ar/He/N2/02 ou Ar/He/N2/CO2. Par ailleurs, il est à souligner que par «procédé de soudage à l'arc électrique », on entend un procédé de soudage dans le cadre duquel la fusion du métal est opérée uniquement par un arc électrique, ce qui exclut donc la présence de tout faisceau laser. Dit autrement, les procédés de soudage hybride arc/laser sont donc exclus. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le gaz de protection contient au moins 0,025% et au plus 30% en volume d'azote. - le gaz de protection contient au moins 3% en volume d'azote. - le gaz de protection contient moins de 10 % en volume d'azote. - le gaz de protection contient au moins 4 % en volume d'azote et/ou au plus 8% en volume d'azote. - le gaz de protection contient au plus 10% en volume d'oxygène ou de CO2. - le gaz de protection contient au plus 8% en volume d'oxygène ou de CO2. - le gaz de protection contient au moins 1% en volume d'oxygène ou de CO2. - le gaz de protection contient au moins 5% en volume d'azote et/ou au plus 7% en volume d'azote, de préférence de l'ordre de 6% d'azote. - la ou les pièces en acier comprennent un revêtement surfacique à base d'aluminium ayant une épaisseur comprise entre 5 et 100 µm, de préférence inférieure ou 5 égale à 50 µm. - la ou les pièces métalliques sont en acier avec un revêtement surfacique à base d'aluminium et de silicium. - la ou les pièces métalliques comprennent un revêtement surfacique à base d'aluminium et de silicium contenant une proportion d'aluminium entre 5 et 100 fois 10 supérieure à celle de silicium, par exemple une proportion d'aluminium de 90% en poids et une proportion de silicium de 10% en poids, soit une couche de revêtement surfacique comprenant 9 fois plus d'aluminium que de silicium. - il s'agit d'un procédé de soudage MIG avec fil d'apport fusible, par exemple un fil plein ou un fil fourré. 15 - la ou les pièces à souder sont un ou des éléments de véhicule automobile. - la tension de soudage est comprise entre 14 et 35 V. - l'intensité de soudage est comprise entre 80 et 300 A. - la ou les pièces à souder ont une épaisseur comprise entre 0.6 et 2.5 mm, de préférence entre 1 et 2 mm. 20 - la pression du gaz entre 2 et 15 bar, en particulier de l'ordre de 4 à 8 bar. - le débit du gaz est compris entre environ 15 et 20 Umin selon l'application considérée. Par ailleurs, l'invention porte également sur des mélanges gazeux ternaires ou quaternaires à base d'argon, d'hélium ou des deux, d'une part, et d'azote et de 02 ou de CO2, 25 d'autre part, utilisables dans un procédé de soudage selon l'invention, à savoir : L'invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante. La solution proposée est donc de réaliser un soudage des pièces aluminiées, c'est-à-dire comprenant un revêtement surfacique d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium, tel un alliage AI/Si, au moyen d'un arc électrique et d'un gaz de protection particulier. 30 Selon la présente invention, on met en oeuvre, pendant le soudage, un gaz de protection permettant d'obtenir une stabilisation de l'arc sur l'aluminium et de diminuer la mise en solution du revêtement à base d'aluminium dans la (ou les) pièce métallique à souder. Ce gaz de protection particulier est composé d'argon et/ou hélium avec une addition 35 volumique d'azote de 0.025% à 30%, de préférence de 3% à 10% d'azote, et de 2% d'oxygène ou de CO2. Ce mélange gazeux entraîne par réaction entre l'aluminium et l'azote, la formation de nitrures d'aluminium qui ont une meilleure émissivité électrique, diminuant ainsi les mouvements d'arc et la taille du spot cathodique, donc conduisant à une stabilisation de l'arc de soudage. De plus, les nitrures d'aluminium surnagent à la surface du bain, empêchant ainsi la mise en solution de l'aluminium présent à la surface de la pièce. Il en résulte une suppression ou au moins une diminution notable de l'incorporation d'aluminium dans la soudure, donc une amélioration de la résistance en traction du fait d'une disparition totale ou quasi-totale de la phase sous forme de ferrite Delta ou de composés intermétalliques habituellement observée. En outre, la présence d'un composé oxydant, à savoir 02 ou CO2, en faible 10 proportion permet d'augmenter la stabilisation de l'arc et d'améliorer la fusion du métal d' apport. Le mélange gazeux utilisé peut être réalisé soit directement sur site par mélange des constituants du mélange dans des proportions désirées au moyen d'un mélangeur de gaz, soit être sous forme pré-conditionnée, c'est-à-dire réalisé en usine de conditionnement puis 15 ensuite acheminé sur son lieu d'utilisation dans des récipients de gaz adéquats, telles des bouteilles de gaz de soudage. Exemples Le procédé de l'invention a donné de bons résultats lors d'une opération de soudage à l'arc MIG manuel de pièces Usibor 1500TM, c'est-à-dire de pièces en acier revêtu d'une 20 couche de 30 µm d'un alliage aluminium/silicium en proportions respectives de 90% et de 10% en poids. Les pièces soudées ont une épaisseur de 1.2 mm. Dans le cadre des essais réalisés, le gaz employé qui est distribué à un débit de 20 1/min et à une pression de 4 bar, est : 25 - Essai A (comparatif) : argon pur. - Essai B (comparatif) : mélange formé d'argon et de 2% en volume d'azote (N2). - Essai C (comparatif) : mélange formé d'argon et de 4% de N2. - Essai D (comparatif) : mélange formé d'argon et de 6% de N2. - Essai E (comparatif) : mélange formé d'argon et de 8% de N2. 30 - Essai F (comparatif) : mélange formé d'argon et de 8% en volume de CO2. - Essai G : mélange selon l'invention formé d'argon, de 6 % de N2 et de 8% en volume de CO2. - Essai H : mélange selon l'invention formé d'argon, de 6 % de N2 et de 1% en volume de CO2. 35 La torche utilisée est une torche MIG de référence Dinsee alimentée par un fil d'apport de type Nertalic 88 (ER 100 SG: AWS, A 5.28) de 1.2 mm de diamètre, qui est délivré à une cadence de 2,8 à 3,5 m/min. La tension de soudage de 15 V environ et l'intensité d'environ 128 A qui sont obtenues grâce à un générateur de type Digi@wave 400 (Arc court/Arc court +) en mode synergique (EN 131) commercialisé par Air Liquide Welding France. La vitesse de soudage atteinte est de 20 cm/min. Les pièces à souder forment entre elles un angle de 45° environ et le plan de joint formé par le sommet de l'angle Les résultats obtenus montrent que la présence de N2 dans l'argon conduit à de bien meilleurs résultats que l'utilisation d'argon seul. En effet, avec l'argon seul (Essai A), l'arc est instable et le transfert erratique (grosses gouttes). Les assemblages réalisés sous argon ont tous un aspect dégradé. On peut notamment remarquer un manque de mouillage en lisière des cordons et ceux-ci présentent une surépaisseur importante. De plus, durant le soudage, on assiste à la formation de grosses projections de gouttelettes de métal en fusion, ainsi que de beaucoup fumées. A l'inverse, avec les mélanges Ar/N2, on assiste à une amélioration notable des résultats, qui augmente proportionnellement à la teneur en N2 dans le mélange. Ainsi, avec le mélange Ar/N2 à 2% de N2 (Essai B), le transfert de métal est plus stable que dans l'Essai A mais le cordon n'est pas totalement exempt de tout défaut. En effet, la stabilité d'arc peut encore être ponctuellement perturbée, bien que les ruptures d'arc soient très peu présentes, voire inexistantes. Le phénomène de formation de grosses gouttes pendant le soudage diminue également. L'addition de 2% d'azote à l'argon améliore en fait surtout le mouillage haut/bas du cordon. En augmentant l'addition d'azote à 4% dans l'argon (Essai C), sans changer les autres paramètres, notamment électriques, on constate une amélioration générale de l'aspect de surface et un mouillage acceptable en lisière haut/bas du cordon, ainsi qu'une amélioration de l'aspect de surface du cordon : faibles stries de solidification et surépaisseur peu importante au centre. Ces résultats sont satisfaisants et reproductibles. La fusion du fil est bonne avec un transfert correct et plus stable. Les résultats d'assemblage en angle présentent un mouillage acceptable en lisière haut/bas du cordon. Le bain reste par contre encore un peu « froid » et peut être difficile à manier dans certaines conditions. L'augmentation de l'addition d'azote à 6% (Essai D) conduit à une amélioration générale et encore plus notable de l'aspect de surface et un bon mouillage en lisière haut/bas du cordon. La surface du cordon présente uniquement de très légères stries ainsi qu'une très faible surépaisseur centrale. Dans l'Essai E, l'argon est additionné de 8% d'azote. La rugosité de la surface du cordon a encore diminué, le mouillage est bon et il y a peu de projections adhérentes. D'un point de vue opératoire, l'addition de 8 % d'azote dans l'argon permet d'obtenir un transfert stable avec une bonne fusion du fil. Il est intéressant de noter qu'avec ce mélange, on obtient une réelle « souplesse » opératoire car il permet un réglage de paramètres (variation de vitesse fil ou variation de tension) qui n'est pas possible sous argon pur et pas forcément aussi aisé avec les autres mélanges argon/azote testés. Dans l'Essai F, l'addition de 8% de CO2 dans l'argon seul engendre une stabilité d'arc nécessaire pour réaliser l'assemblage mais l'aspect de cordon est dégradé et il subsiste des plages de ferrite Delta néfaste aux propriétés mécaniques de l'assemblage. L'addition de CO2 seul dans l'argon ne permet donc pas de résoudre le problème lié à la formation de ferrite Delta mais permet par contre de stabiliser l'arc et d'améliorer la soudabilité. Par contre, l'Essai G montre que l'addition de 8% de CO2 dans un mélange d'argon additionné de 6% d'azote permet d'éliminer les plages de ferrite delta et donne une stabilité d'arc améliorée par rapport à l'essai E. En revanche, l'aspect de cordon est dégradé. L'Essai H montre que l'addition de 1% de CO2 dans un mélange d'argon additionné de 6% d'azote permet d'éliminer les plages de ferrite delta, d'améliore la stabilité d'arc par rapport à l'essai E et permet d'obtenir un bon aspect de cordon. L'addition de CO2 dans un mélange Ar/N2 permet donc de résoudre le problème lié à la formation de ferrite Delta tout en conduisant à une bonne stabilité d'arc. Ces résultats montrent clairement qu'une addition d'azote et d'un composé oxydant en faibles proportions, en particulier CO2 ou 02, dans de l'argon permet d'améliorer fortement la qualité du soudage des aciers revêtus d'une couche surfacique d'alliage aluminium/silicium. L'amélioration est d'autant plus notable que la teneur en azote augmente, ce qui inciterait à utiliser au moins 8% d'azote dans l'argon. Toutefois, des contrôles radiographiques réalisés en parallèle ont montré que cette teneur en azote ne devait pas être excessive lorsque l'on souhaite également éviter la 25 formation de porosités dans le métal déposé. En effet, les contrôles radiographiques effectués sur les cordons obtenus dans les Essais B à E montrent que pour des teneurs en azote allant jusqu'à 6% environ, le taux de porosités est acceptable, c'est-à-dire conforme aux préconisations de certaines normes, telles les normes NF-EN 287-1, NF EN ISO 5817, EN 462-1 W10. 30 Par contre, à partir d'une addition de 8% d'azote dans l'argon (essai E), on rencontre parfois des porosités en début des cordons de soudure. Ces porosités font que les assemblages réalisés avec ce pourcentage peuvent être non conformes à la norme. Il est donc préférable de limiter la teneur en azote à 6% ou prévoir des appendices de début et fin de cordon, là où les porosités ont été rencontrées. 35 En outre, des contrôles micrographiques ont également été réalisés de manière à visualiser la structure des cordons après soudage. Ces contrôles ont fait apparaître pour les cordons obtenus dans le cadre de l'Essai A, une phase ductile sous forme de plages blanches due à la mise en solution d'aluminium et de silicium provenant de la couche Al/Si recouvrant les pièces. Ces plages contiennent de la ferrite Delta qui nuit aux propriétés mécaniques des assemblages soudés. A l'inverse, après examen des cordons obtenus dans le cadre des essais B à E, il apparaît que les plages de ferrite Delta sont significativement diminuées par l'ajout d'azote dans le gaz de protection. A partir de 4% d'azote, les plages de ferrite Delta n'apparaissent plus en zone fondue. Ceci démontre l'intérêt de l'ajout d'azote dans l'argon lorsqu'on souhaite éviter la formation de plages de ferrite delta dans les cordons de soudure réalisés sur des pièces en acier revêtues d'une couche AI/Si, tels les aciers de type Usibor. Il est à noter que des essais complémentaires ont montré que tout ou partie de l'argon pouvait être remplacé par de l'hélium, sans perte des bénéfices résultants de l'addition d'azote. De là, on utilise une proportion d'azote inférieure à 10% en volume, de préférence entre 4 et 8% en volume, avantageusement entre environ 5 et 7% en volume, et plus particulièrement de l'ordre de 6% en volume, le reste étant de l'argon et/ou de l'hélium. En outre, concernant la présence d'oxygène ou de CO2, on peut dire que l'influence de ces composés est notable en ce qui concerne l'amélioration de la stabilité d'arc et de la soudabilité. REVENDICATIONS1. Procédé de soudage à l'arc électrique d'au moins une pièce métallique comprenant un revêtement surfacique à base d'aluminium, mettant en oeuvre un gaz de protection, caractérisé en ce que le gaz de protection est constitué d'un mélange d'argon et/ou d'hélium, d'azote et d'un composé oxydant choisi parmi l'oxygène (02) et le dioxyde de carbone (CO2). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz de protection 10 contient au moins 0,025% et au plus 30% en volume d'azote. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz de protection contient au moins 3% en volume d'azote ou moins de 10 % en volume d'azote. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz de protection contient au moins de 4 % en volume d'azote et au plus 8% en volume d'azote. 20 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz de protection contient de 5 à 7% en volume d'azote. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les pièces métalliques comprennent un revêtement surfacique à base d'aluminium ayant 25 une épaisseur comprise entre 5 et 100 µm, de préférence inférieure ou égale à 50 µm. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les pièces métalliques sont en acier avec un revêtement surfacique à base d'aluminium et de silicium. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les pièces métalliques comprennent un revêtement surfacique à base d'aluminium et de silicium contenant une proportion d'aluminium entre 5 et 100 fois supérieure à celle de silicium. 35 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un procédé de soudage MIG avec fil d'apport fusible. 15 30 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les pièces à souder sont un ou des éléments de véhicule automobile. 11. Mélange gazeux constitué d'argon et/ou d'hélium, de 2 à 10% en volume 5 d'azote et moins de 10% en volume de CO2 ou 02. 12. Mélange gazeux selon la revendication 1l, caractérisé en ce qu'il contient au moins 4 % en volume d'azote, de préférence au moins 5 % en volume d'azote. 10 13. Mélange gazeux selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il contient moins de 8% en volume d'azote, de préférence moins de 7 % en volume d'azote. 14. Mélange gazeux selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce 15 qu'il contient au moins 1% de 02 ou CO2. 15. Mélange gazeux selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce qu'il contient au plus 8% de 02 ou CO2.