Brevet FR3019766A1 — publié le 20151016

PROCEDE DE SOUDAGE PAR FRICTION MALAXAGE DE DEUX MATERIAUX DIFFERENTS MIS BOUT A BOUT, A L'AIDE D'UN ELEMENT ISOLANT THERMIQUE Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine du soudage de deux matériaux métalliques ou d'alliages métalliques, dont les températures de fusion et/ou dont les résistances mécaniques sont différentes, et disposés bout à bout, par friction malaxage. La soudure par friction malaxage consiste à déplacer selon un chemin continu situé à l'interface entre les deux matériaux, un pion rotatif pour amener les deux métaux à un état pâteux ou proche de l'état pâteux (400°C pour aluminium, 800°C pour l'acier inoxydable). Cette opération est réalisée à l'aide d'un pion de l'épaisseur du cordon de soudure à réaliser, présentant par exemple une forme à trois facettes avec une légère conicité et éventuellement un pas de vis pour forcer les matériaux à se diriger vers le milieu et le fond de soudure. Ce pion avance le long de l'interface entre les deux matériaux mis bout à bout en poussant la matière à l'état pâteux pour l'amener dans le trou formé dans son sillage tout 25 en mélangeant les deux matériaux à l'état pâteux. Etat de la technique La demande de brevet internationale W0200404962 30 présente un procédé de fabrication de joint d'about par friction-malaxage. Elle concerne le soudage de deux matériaux de résistances à la déformation à haute température différentes qui sont posés bout à bout. Le sens de rotation du pion 35 rotatif de friction malaxage, est réglé de façon à coïncider avec un sens de rotation R partant du matériau présentant la plus faible résistance à la déformation à haute température vers le matériau ayant une résistance à la déformation à haute température plus élevée. Le pion rotatif est ensuite introduit dans la partie contiguë des éléments de liaison. Ledit pion est avancé le long de la partie contiguë en étant introduit dans ladite partie contiguë pour exécuter la liaison par friction-malaxage. Le joint d'about qui en résulte présente une force de liaison élevée. Inconvénients des solutions de l'art antérieur Cette solution de l'art antérieur présente néanmoins l'inconvénient d'une faible connaissance des 15 liaisons soudées en friction malaxage entre deux matériaux très hétérogènes. En effet, cette solution devient inutilisable pour le soudage de deux matériaux qui à une même température présentent des comportements empêchant toute soudure de 20 qualité. C'est le cas si à une même température, l'un des matériaux commence tout juste à se transformer à l'état pâteux alors que l'autre est proche de l'état liquide (cas respectivement de l'acier et de l'aluminium autour de 700°C). Si l'on procédait au soudage par friction malaxage de ces deux 25 matériaux mis bout à bout, la rotation du pion nécessaire à la transformation de l'acier à l'état pâteux l'échaufferait autour de 700°C, température transmise à l'aluminium adjacent qui se trouverait proche de l'état liquide et serait mal maitrisé dans l'interface de soudure lors du passage du pion. 30 Aucune soudure de bonne qualité ne pourrait alors être obtenue. Dans le document WO 2006 113 011, on prévoit de chauffer le matériau le plus résistant à sa température de passage à l'état pâteux, le long de l'interface avec le 35 matériau le moins résistant, mais à distance de cette interface, de façon à laisser subsister entre le lieu de chauffage et l'interface avec le matériau le moins résistant, une bande de matériau plus résistant. Cette bande de matériau est le siège d'un gradient de température décroissant. De 5 plus, l'interface entre les deux matériaux agirait comme une discontinuité de conduction thermique. Le gradient de température et la discontinuité de conduction thermique, agiraient de façon concomitante pour éviter que le matériau le moins résistant pourtant en contact avec le matériau plus 10 résistant et chauffé, n'atteigne un état proche de l'état liquide. Toutefois, la mise en oeuvre de ce procédé est relativement difficile puisque la distance à laquelle disposer la source de chaleur vis à vis de l'interface entre les deux 15 matériaux pour éviter la fusion du matériau le moins résistant, est nécessairement différente pour différents couples de matériaux, en fonction des impuretés qu'ils peuvent contenir, et de la puissance de la source de chaleur. 20 Solutions apportée par l'invention Afin de remédier à cet inconvénient, la présente invention propose un procédé de soudage par friction malaxage de deux matériaux métalliques ou d'alliages métalliques le 25 long d'une interface entre les deux matériaux, une extrémité d'un pion de friction malaxage rotatif venant s'appliquer sur la surface des deux matériaux au niveau de leur interface, le premier matériau se transformant plus vite à l'état pâteux sous l'effet de la rotation du pion que le deuxième. 30 Selon l'invention, le procédé comprend une étape de chauffage du deuxième matériau à une température prédéterminée à l'interface avec le premier matériau, alors qu'un élément isolant thermique est disposé à l'interface entre les deux matériaux, l'élément isolant étant remplacé par le premier et 35 le deuxième matériau à l'état pâteux lors de la soudure. Selon d'autres caractéristiques intéressantes de l'invention : - l'élément isolant thermique est de l'air, les 5 deux matériaux étant séparés l'un de l'autre d'une distance prédéterminée au niveau de leur interface. - le deuxième matériau est chauffé à une température à laquelle il présente sensiblement les mêmes caractéristiques mécaniques que le premier matériau lors de la 10 soudure par friction malaxage. - Le procédé comprend une étape de transfert d'une partie du premier matériau et d'une partie du deuxième matériau à l'interface, de façon à remplacer l'élément isolant thermique, lors de la soudure. 15 - l'étape de transfert est effectuée par le pion rotatif qui présente une forme favorisant le transfert d'une partie du premier et du second matériau en partie basse de l'interface lors de sa rotation. - l'étape de chauffage consiste à élever la 20 température du deuxième matériau le long de l'interface par une source de chaleur localisée, telle qu'un rayonnement laser, qui est déplacée le long de l'interface, du côté opposé de la soudure réalisée par le pion rotatif suivant le sens de déplacement du pion rotatif le long de l'interface. 25 L'invention concerne également un outil rotatif pour soudure par friction malaxage, comprenant un corps principal cylindrique et une extrémité (ou pion) faisant saillie de la base du corps, la base du corps principal et l'extrémité en saillie définissant un épaulement annulaire. 30 Selon l'invention, l'épaulement annulaire et le flan de l'extrémité en saillie sont pourvus d'au moins une nervure en saillie ou d'au moins une rainure en profondeur cheminant vers la tête plate de l'extrémité en saillie et présentant une forme apte à diriger une partie du premier et/ou du deuxième 35 matériau vers l'axe du pion rotatif. - Avantageusement, la nervure ou la rainure est hélicoïdale et centrée autour de l'axe de l'extrémité en saillie. - De préférence, l'outil comprend plusieurs 5 nervures ou rainures convergeant depuis le bord latéral de l'épaulement vers le bord latéral de l'extrémité en saillie, selon un profil concave. - Selon une autre caractéristique, l'épaulement comprend un renfoncement conique ou torique centré sur l'axe 10 de l'extrémité en saillie, de façon à diriger le matériau à l'état pâteux vers l'axe du pion rotatif. L'invention concerne également un appareil à soudage par friction malaxage, comprenant un outil ci-dessus, une source de chaleur localisée, et des moyens de déplacement 15 du pion et de la source de manière à maintenir entre le pion et la source, une distance et un angle prédéterminés le long du chemin de soudure. Description détaillée d'un exemple non limitatif de 20 réalisation La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant un exemple non limitatif de l'invention, se référant aux dessins annexés où : 25 - la figure 1 représente une vue en perspective illustrant schématiquement le procédé selon l'invention - les figures 2 à 4 représentent un premier mode de réalisation d'un pion rotatif selon l'invention par 30 respectivement, une vue en perspective avec arrachement, une vue de dessous, et une vue de côté, - les figures 5 à 7 représentent un deuxième mode de réalisation d'un pion rotatif selon l'invention par respectivement, une vue en perspective avec arrachement, une 35 vue de dessous, et une vue de côté, - les figures 8 à 10 représentent un troisième mode de réalisation d'un pion rotatif selon l'invention par respectivement, une vue en perspective avec arrachement, une vue de dessous, et une vue de côté, - les figures 11 à 13 représentent un quatrième mode de réalisation d'un pion rotatif selon l'invention par respectivement, une vue en perspective avec arrachement, une vue de dessous, et une vue de côté. Le procédé selon l'invention, tel qu'illustré sur la figure 1, permet le soudage par friction malaxage de deux matériaux métalliques ou d'alliages métalliques disposés bout à bout, matériaux dont les températures de fusion et/ou dont les résistances mécaniques sont différentes. Dans l'exemple illustré, le premier matériau est de l'aluminium et le deuxième matériau est de l'acier. Le soudage par friction malaxage de ces deux matériaux disposés bout à bout en contact l'un de l'autre posait problème sur le lieu de la soudure au niveau de leur interface car pour transformer l'acier à l'état pâteux afin de procéder à la soudure, le pion rotatif de friction malaxage devait le chauffer à l'interface avec l'aluminium autour de 700°C, température transmise par conduction thermique à l'aluminium en contact avec l'acier, et qui le transformait à un état proche de l'état liquide, empêchant toute soudure correcte. L'idée à la base de l'invention a été d'isoler thermiquement l'aluminium vis à vis de l'acier par un élément isolant interposé entre les deux matériaux à leur interface, de porter ainsi uniquement l'acier à une température élevée en le chauffant, tandis que l'aluminium thermiquement isolé de l'acier restait bien en dessous de cette température et en tout état de cause, en dessous de la température de passage à l'état liquide, et d'appliquer le pion rotatif lorsque l'acier a atteint ladite température élevée, l'aluminium, sous l'effet de la rotation du pion, étant transformé à l'état pâteux et se mêlant à l'acier préalablement transformé à l'état pâteux afin d'assurer la soudure. La température élevée à laquelle est portée 5 l'acier, est celle à laquelle il présente les mêmes propriétés mécaniques que l'aluminium, en l'occurrence 650°C. L'acier chauffé à cette température, et l'aluminium épargné de cette température par l'élément isolant, sont ensuite transformés en même temps à l'état pâteux sous l'effet de la rotation du 10 pion. L'élément isolant interposé entre les deux matériaux étant en outre de l'air, il est simplement remplacé par les deux matériaux à l'état pâteux lors de la rotation du pion. 15 A cet effet, la distance séparant les deux plaques de matériaux sera inférieure à une valeur de seuil, et l'extrémité du pion présentera un profil favorisant le transfert d'une partie des bords des plaques de matériaux à souder, dans l'interstice d'air les séparant. 20 Plus précisément, comme visible sur la figure 1, deux plaques parallélépipédiques, l'une d'aluminium 1, l'autre d'acier 2 sont disposées côte à côte sur une table de travail, en étant séparées l'une de l'autre d'une distance « d ». La distance « d » séparant la plaque d'aluminium 1 25 de la plaque d'acier 2, est prévue inférieure au diamètre de l'extrémité du pion divisé par 4 pour assurer la possibilité de combler l'interstice par les matériaux à l'état pâteux, et supérieure à 0,5 mm pour assurer l'isolation thermique des deux matériaux durant le chauffage de l'acier. 30 Pour des couples acier/aluminium de nuances différentes, comme pour d'autres couples de matériaux, il sera possible de déterminer la distance optimale de séparation des deux matériaux par de l'air, par des tests empiriques : la distance la plus courte à laquelle il est possible de chauffer 35 le matériau le plus résistant mécaniquement pour le rapprocher des propriétés mécaniques du matériau le moins résistant, sans que le matériau le moins résistant n'atteigne l'état pâteux, pourra être retenue. L'air circulant naturellement entre les deux parois latérales opposées des deux plaques de matériaux 1, 2 suffit à suffisamment les isoler thermiquement l'une de l'autre, pour éviter que l'aluminium ne soit transformé à l'état pâteux avant la soudure, alors que l'acier est chauffé autour de 600°C. On peut prévoir d'insuffler de l'air comprimé à l'interstice entre les deux plaques 1, 2, ou de simplement laisser l'air circuler par convection naturelle. L'outil de soudure tel qu'illustré sur la figure 1 comprend un corps principal de forme générale cylindrique 3 pourvu dans sa partie haute, d'un pan coupé 6 servant de prise pour assurer sa rotation R, et un pion 7 en saillie au centre de sa base, le pion 7 définissant avec la base, un épaulement 8. Il est disposé d'un côté de l'interstice d avant la 20 mise en oeuvre du procédé. Une source de chaleur très localisée 11, telle que celle émise par un rayon laser, chauffe initialement un point précis de l'extrémité gauche du bord de la plaque d'acier pour le rendre dans un état mécanique similaire à l'aluminium lors 25 du passage du pion de soudure par friction malaxage (dans l'exemple illustré, on le chauffe autour de 650°C), puis avance à une vitesse prédéterminée, vers l'extrémité droite de l'interstice. L'aluminium suffisamment isolé thermiquement de 30 l'acier par l'interstice d'air les séparant, n'est pas porté à cette température mais reste à une température inférieure, sans ainsi jamais passer à l'état liquide. Lorsque le rayon de la source de chaleur a avancé sur la plaque d'acier d'une distance prédéterminée (par 35 exemple 2 cm), l'outil de soudure est engagé dans l'interstice formé entre les deux plaques, son pion rotatif s'enfonçant dans l'interstice et entrant en contact avec l'acier chauffé et avec l'aluminium qu'il échauffe par friction, jusqu'à ce que l'épaulement de l'outil entre en contact avec les surfaces supérieures des deux plaques, et chauffe par friction l'aluminium qui se mêle à l'acier préalablement chauffé sous l'effet de la rotation de l'outil. Les formes du pion et de l'épaulement sont étudiées pour permettre lors de la rotation de l'outil sur application du pion et de l'épaulement à cheval sur les deux plaques, un transfert d'une partie de l'aluminium à l'état pâteux du fait de la rotation et d'une partie de l'acier à l'état pâteux du fait du chauffage préalable, dans l'interstice séparant les deux plaques de matériaux. Et les vitesses d'avance du point P du rayon laser sur la plaque d'acier, et de l'outil de soudure, sont synchronisées de façon à maintenir entre ce rayon et l'outil, une distance prédéterminée, avec laquelle l'acier n'a pas le temps de se refroidir outre mesure avant le passage de l'outil. L'essentiel étant qu'il conserve un état dont les caractéristiques mécaniques sont proches de celles de l'aluminium sous l'effet de la friction, lorsque l'outil entre à son contact. Un cordon de soudure 12 est réalisé en aval de 25 l'outil rotatif sur le chemin de soudure depuis l'extrémité gauche jusqu'à l'extrémité droite. Il présente une largeur sensiblement égale au diamètre de l'épaulement de l'outil. Les figures 2 à 13 représentent des propositions de formes de l'outil facilitant le transfert de matière dans 30 l'interstice entre les plaques lors de la soudure : Dans l'exemple des figures 2 à 4, la base 16 du corps cylindrique est plane et le pion présente une forme de demi-caténoïde 17 (caténoïde dont la partie disposée d'un côté du plan de symétrie z=0 aurait été ôtée) dont la portion 35 évasée serait disposée dans le prolongement de cette base. -10- Comme visible sur les figures 2 et 3, une rainure 18 en forme de spirale centrée sur l'axe A de l'outil parcourt la surface de l'épaulement et le flan du pion. Elle forme une gorge dirigeant l'aluminium et l'acier à l'état pâteux et situés en partie haute des bords des deux plaques, vers l'extrémité du pion et facilite ainsi leur transfert vers le fond de l'interstice pour le combler et procéder ainsi à la soudure. La profondeur de la rainure est d'au moins 250 ffl. De façon différente, dans l'exemple des figures 5 à 7, ce n'est pas une mais plusieurs rainures qui parcourent la surface de la base 16 et du pion 17 convergeant depuis le bord latéral 21 de l'épaulement vers le bord latéral 22 de la tête plate du pion, selon un profil concave dont la partie bombée pointe dans le sens de rotation de l'outil. Dans ces exemples où l'épaulement est plan, le pion en forme de demi-caténoïde peut être une pièce séparée du corps principal cylindrique et fixé à la base plane de ce corps. La ou les rainures pourra ou pourront être réalisées avant ou après la fixation. Il est autrement possible que l'outil soit réalisé d'une seule pièce. Dans l'exemple des figures 8 à 13, on retrouve le même type de rainure unique et hélicoïdale (pour les figures 8 25 à 10) et multiples et convergeant vers l'axe de l'outil (figures 11 à 13). Mais l'épaulement 23 ne présente plus une forme plane et comprend un renfoncement définissant une portion annulaire conique périphérique 24 centrée autour du pion 10 et 30 incliné de façon à définir un angle aigu 0 avec l'axe de l'outil, et diriger ainsi vers l'axe de l'outil, l'acier et l'aluminium à l'état pâteux. Cet anneau 24 est prolongé par une portion supérieure de tore 26 assurant la liaison avec un pion à 35 profil conique 27, toujours dans l'objectif de diriger l'acier et l'aluminium à l'état pâteux depuis les bords des plaques 1, 2 vers l'interstice les séparant, de façon à le combler. La rainure hélicoïdale 18 ou les rainures convergentes 19 s'étendent à la fois sur l'anneau 24, la 5 portion torique 26 et le pion conique 27. Dans ces exemples où l'épaulement comprend un renfoncement torique, le pion conique peut être une pièce séparée du corps principal dont la base sera usinée pour former le renfoncement torique, et une partie plane de 10 fixation du pion. La ou les rainures pourra ou pourront être réalisées avant ou après la fixation. Il est autrement possible que l'outil soit réalisé d'une seule pièce. L'invention n'est pas limitée à la soudure 15 d'aluminium et d'acier, donnée uniquement à titre d'exemple mais concerne tout type de matériaux métalliques ou non, l'essentiel étant que l'un des matériaux atteigne l'état pâteux alors que l'autre reste à l'état solide sous l'effet d'une même contrainte (la friction en l'occurrence). 20 L'invention concerne ainsi la soudure de deux matériaux de températures de fusion et/ou de résistances mécaniques différentes. REVENDICATIONS1. Procédé de soudage par friction malaxage de deux matériaux métalliques ou d'alliages métalliques le long d'une interface entre les deux matériaux, une extrémité d'un pion de friction malaxage rotatif venant s'appliquer sur la surface des deux matériaux au niveau de leur interface, le premier matériau se transformant plus vite à l'état pâteux sous l'effet de la rotation du pion que le deuxième, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de chauffage du deuxième matériau (2) à une température prédéterminée à l'interface avec le premier matériau (1), alors qu'un élément isolant thermique (5) est disposé à l'interface entre les deux matériaux, l'élément isolant étant remplacé par le premier et le deuxième matériau à l'état pâteux lors de la soudure. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément isolant thermique est de l'air, les deux matériaux étant séparés l'un de l'autre d'une distance (d) prédéterminée au niveau de leur interface. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le deuxième matériau (2) est chauffé à une température à laquelle il présente sensiblement les mêmes caractéristiques mécaniques que le premier matériau (1). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de transfert d'une partie du premier matériau et/ou d'une partie du deuxième matériau à l'interface, de façon à remplacer l'élément isolant thermique, lors de la soudure. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'étape de transfert est effectuée par le pion rotatif (7) qui présente une forme favorisant le transfert d'une partie du premier et/ou du second matériau en partie basse de l'interface lors de sa rotation. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en 35 ce que l'étape de chauffage consiste à élever la température-13- du deuxième matériau (2) le long de l'interface par une source de chaleur localisée (11), telle qu'un rayonnement laser, qui est déplacée le long de l'interface, du côté opposé de la soudure réalisée par le pion rotatif suivant le sens de déplacement du pion rotatif le long de l'interface. 7. Outil rotatif pour soudure par friction malaxage, comprenant un corps principal (4) et un pion (7) faisant saillie de la base du corps, la base du corps principal et le pion en saillie définissant un épaulement annulaire (8), caractérisé en ce que l'épaulement annulaire et le flan du pion en saillie sont pourvus d'au moins une nervure en saillie ou d'une rainure en profondeur (18, 19) cheminant vers la tête du pion et présentant une forme apte à diriger une partie du premier et du deuxième matériau à l'interface entre les deux matériaux lors de la soudure. 8. Outil selon la revendication 7, caractérisé en ce que la nervure ou la rainure (18) est hélicoïdale et centrée autour de l'axe du pion. 9. Outil selon la revendication 7, caractérisé en 20 ce qu'il comprend plusieurs nervures ou rainures (19) convergeant depuis le bord latéral de l'épaulement vers le bord latéral de la tête du pion, selon un profil concave. 10. Outil selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'épaulement comprend un renfoncement de 25 profil conique (24) et/ou torique (26) centré sur l'axe du pion, de façon à diriger le matériau à l'état pâteux vers l'axe du pion rotatif. 11. Appareil à soudage par friction malaxage, comprenant un outil selon l'une quelconque des revendications 30 7 à 10, une source de chaleur localisée, et des moyens de déplacement de l'outil et de la source de manière à maintenir entre l'outil et la source, une distance et un angle prédéterminés le long du chemin de soudure.