Brevet FR3039443A1 — publié le 20170203

Procédé optimisé de soudage par friction malaxage La présente invention concerne un procédé de soudage par friction malaxage, pour l'assemblage de deux pièces d'acier, notamment réalisées en acier à haute limite d'élasticité. Plus particulièrement, ce procédé s'inscrit dans le domaine de la construction de structures mécaniques, par exemple pour des applications navales, aéronautiques, génie civil ou automobiles. Un procédé de soudage par friction malaxage (« Friction Stir Welding » en anglais) permet l'assemblage de deux pièces d'acier le long d'un plan de joint de soudure entre ces deux pièces, par déplacement d'un outil tournant le long de ce plan de joint. Un tel procédé est avantageux par rapport à un autre procédé de soudage classique, notamment en ce que : - le procédé de soudage par friction malaxage n'entraine pas d'émission de fumées, notamment de fumées toxiques, si bien que sa sécurité est meilleure, - le procédé ne nécessite pas l'utilisation de consommable tel qu'un matériau de soudage et/ou un gaz, - en l'absence de bain de soudure, le procédé peut être réalisé dans toute position envisageable, par exemple aussi bien horizontalement que verticalement, - le procédé peut être aisément automatisé, - le procédé forme une soudure présentant de bonnes caractéristiques mécaniques et un bon aspect, et ne nécessite que peu ou pas de retouches de finition après soudage. L'outil tournant comporte habituellement un pion mobile en rotation autour d'un axe de rotation, et s'étendant dans la direction de cet axe de rotation entre une extrémité libre et une extrémité liée à un épaulement. L'extrémité libre du pion est d'abord en contact avec les pièces à souder au niveau du plan de joint. Par rotation, l'extrémité libre du pion échauffe les bords des tôles à assembler jusqu'à ramollissement de la matière. Puis, une fois le ramollissement effectif, le pion est plongé jusqu'à ce que l'épaulement vienne affleurer les bords des tôles. En variante, le pion peut être plongé directement dans un trou préalablement réalisé, par exemple par perçage. L'épaulement permet de limiter la pénétration de l'outil dans les matériaux et d'éviter que les matériaux ne fluent vers le haut, et permet donc de conserver un bon aspect de la soudure. 3039443 2 Il est à noter qu'un procédé de soudage par friction malaxage classique donne généralement des résultats insatisfaisants lorsque les aciers à souder présentent une haute limite d'élasticité. L'invention a notamment pour but de remédier à cet inconvénient, en proposant un 5 procédé optimisé de soudage par friction malaxage, particulièrement adapté aux aciers à haute limite d'élasticité. A cet effet, l'invention a notamment pour objet un procédé de soudage par friction malaxage, pour l'assemblage de deux pièces d'acier le long d'une ligne de soudage entre ces deux pièces, par déplacement d'un outil tournant le long de cette ligne de soudage, 10 caractérisé en ce que : - l'outil tournant est mobile en rotation autour d'un axe de rotation avec une vitesse de rotation comprise entre 130 et 140 tours par minute, et - l'outil tournant se déplace sur la ligne de soudage avec une vitesse de déplacement inférieure à 110 millimètres par minute. 15 Alors qu'il est largement connu qu'un procédé de soudage par friction malaxage ne donne pas de bons résultats pour l'assemblage de deux pièces d'acier à haute limite d'élasticité, de manière surprenante, il apparaît que le procédé de soudage selon l'invention permet d'excellents résultats. Le procédé selon l'invention permet donc de souder des nuances d'acier 20 habituellement difficiles à souder. Un procédé de soudage selon l'invention peut comporter en outre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou selon toutes combinaisons techniquement envisageables. - L'acier présente une limite d'élasticité supérieure à 350 MPa. 25 - L'acier est choisi parmi les nuances suivantes : DH36, S690QL et HY100. - L'outil tournant comporte : un arbre s'étendant dans la direction d'un axe de rotation, et mobile en rotation autour de cet axe de rotation, une tête portée par l'arbre en extrémité de cet arbre, et un pion s'étendant en saillie depuis un épaulement de la tête, dans la direction de l'axe de rotation entre une extrémité libre et une extrémité liée à 30 l'épaulement, le diamètre du pion étant compris entre 10 et 20 mm, de préférence sensiblement égal à 16 mm, et le diamètre de l'arbre étant compris entre 20 et 50 mm, de préférence entre 25 et 38mm. - L'outil tournant est réalisé en Nitrure de Bore Cubique Polycristallin. - Les pièces sont maintenues en place au moyen de premières pinces de maintien 35 appliquant chacune une première force de maintien dans une direction parallèle à l'axe de 3039443 3 rotation de l'outil tournant, la somme des premières forces de maintien étant au moins égale à 200 kN, de préférence égale à 480 kN. - Les pièces sont maintenues l'une contre l'autre par des moyens de maintien appliquant des secondes forces de maintien dans une direction perpendiculaire à la 5 direction de déplacement de l'outil tournant. - L'outil tournant est appliqué contre la ligne de soudage avec une force, dans une direction parallèle à l'axe de rotation, comprise entre 70 et 90 kN, de préférence égale à 80 kN. - L'outil tournant tourne autour de l'axe de rotation avec une vitesse de rotation 10 égale à 135 tours par minute. - L'outil tournant se déplace sur la ligne de soudage avec une vitesse de déplacement supérieure à 90 millimètres par minute, par exemple sensiblement égale à 100 millimètres par minute. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, 15 donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue du dessus de deux pièces d'acier assemblées au moyen du procédé de soudage selon l'invention ; - la figure 2 est une vue de profil d'un outil tournant utilisé par le procédé de 20 soudage selon l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe d'un détail de la tête de l'outil tournant de la figure 2 ; - la figure 4 est un graphique représentant des résultats de tests de résistance à la fatigue effectués sur une soudure, réalisée par le procédé selon l'invention, entre deux 25 plaques d'acier de nuance DH36 ; et - la figure 5 est un graphique comparant des résultats de tests de résistance à la fatigue effectués sur des soudures, réalisées par le procédé selon l'invention, entre deux plaques d'acier de nuance DH36 d'une part, et entre deux plaques d'acier de nuance S690QL d'autre part. 30 On a représenté, sur la figure 1, deux pièces d'acier 10A, 10B agencées bord à bord pour définir entre eux une ligne de soudage 12. Dans l'exemple représenté, les pièces 10A, 10B sont des plaques rectangulaires, la ligne de soudage 12 étant formée par le contact des bords longs de ces plaques rectangulaires. Ces deux pièces d'acier 10A, 10B sont chacune réalisées en un acier présentant 35 une haute limite d'élasticité, c'est-à-dire une limite d'élasticité supérieure à 350 MegaPascal (MPa). 3039443 4 Par exemple, les aciers dont sont formées les deux pièces 10A, 10B sont identiques, les pièces 10A, 10B étant assemblées pour former une plaque de plus grande dimension. Chaque pièce 10A, 10B présente par exemple une épaisseur comprise entre 6 et 15 mm. 5 L'acier est par exemple choisi parmi les nuances suivantes : DH36, S690QL et HY100, ou tout équivalent de ces nuances. Les compositions de ces nuances d'acier sont les suivantes, en pourcentage massique. Pour la nuance DH36 : 0.18% de C, 0.50% de Si, 1.60% de Mn, 0.035% de P, et 0.035 de S. 10 Pour la nuance S690QL : 0.18% de C, 0.50% de Si, 1.60% de Mn, 0.020% de P, 0.010% de S, 0.015% de N, 0.005% de B, 0.8% de Cr, 0.50% de Cu, 0.70% de Mo, 0.062% de Nb, 0.05% de Ti, 0.10% de V, 2% de Ni et 0.15% de Zr. Pour la nuance HY100 : entre 2,25 et 3,50% de Ni, entre 1 et 1,80% de Cr, environ 0,25% de Cu, entre 0,20 et 0,60% de Mo, entre 0,15 et 0,35% de Si, entre 0,12 et 15 0,20% de C, entre 0,10 et 0,40% de Mn, environ 0,03% de V ; environ 0,025% de P, environ 0,025% de S et environ 0,020% de Ti. La limite d'élasticité de la nuance DH36 est de 355 MPa, celle de la nuance S690QL est de 690 MPa, et celle de la nuance HY100 est de 689 MPa. Les aciers S690QL et HY100 sont donc des aciers à haute limite d'élasticité. 20 Les pièces 10A, 10B sont maintenues en position au moyen de premières pinces de maintien 14 appliquant chacune une première force de maintien respective dans une direction perpendiculaire aux surfaces des plaques 10A, 10B. Cette première direction est par exemple une direction verticale. Les pièces 10A, 10B doivent être fermement maintenues lors du procédé de 25 soudage de ces pièces entre elles, et à cet effet, la somme des premières forces de maintien est au moins égale à 200 kiloNewton (kN), et de préférence égale à 480 kN. Plus particulièrement, par exemple, chaque pièce 10A, 10B est maintenue par huit premières pinces 14 respectives, chaque pince appliquant une première force de maintien égale à 30 kN. 30 En effet, généralement, des forces de soudage sont d'environ 50 kN, si bien qu'une somme de premières forces de maintien d'au moins 200 kN permet un facteur de sécurité de 2, en considérant que le coefficient de friction d'acier sur acier est de 0,5. Avantageusement, les premières pinces de maintien 14 sont dentelées afin d'assurer un maintien optimal des pièces l'une contre l'autre, et éviter leur séparation au 35 niveau de la ligne de soudage 12. De préférence, des secondes pinces additionnelles 16 3039443 5 à effet horizontal sont disposées sur les grands bords des pièces 10A, 10B pour maintenir ces pièces l'une contre l'autre. Les deux pièces d'acier 10A, 10B sont assemblées au moyen d'un procédé de soudage par friction malaxage, par déplacement d'un outil tournant 18 le long de la ligne 5 de soudage 12. L'outil tournant 18 est par exemple similaire à celui décrit dans la demande WO 01/85385, la demande WO 2010/019232 ou la demande WO 2010/019231. L'outil tournant 18 est représenté plus en détail sur la figure 2. Le matériau dans lequel est réalisé cet outil tournant 18 est avantageusement le Nitrure de Bore Cubique 10 Polycristallin (« polycrystalline cubic boron nitride », PCBN). Cet outil tournant 18 comporte un arbre 19 mobile en rotation autour d'un axe de rotation R, cet arbre 19 portant à son extrémité une tête 21 munie d'un pion 20 s'étendant dans la direction de l'axe de rotation R entre une extrémité 20B liée à la tête 21 et une extrémité libre 20A. 15 La tête 21 présente également un épaulement 22, entourant le pion 20, depuis lequel le pion 20 s'étend en saillie. Dans l'exemple décrit, le pion 20 présente une forme tronconique, mais il pourrait en variante présenter une forme cylindrique. De même, l'épaulement 22 est légèrement tronconique, mais il pourrait en variante être plan. 20 Le pion 20 présente, à son extrémité liée, un diamètre D1 compris entre 10 et 20 mm, de préférence sensiblement égal à 16 mm, par exemple 16,04 mm. La longueur de ce pion 20 est par exemple comprise entre 6 et 9 mm, plus particulièrement entre 7 et 8,5 mm. Cette longueur du pion 20 dépend de l'épaisseur des pièces d'acier. 25 Par ailleurs, l'arbre 19 présente un diamètre D2 compris entre 20 et 50 mm. Par exemple égal à 25mm, ou en variante égal à 38 mm. Le diamètre D2 sera préférentiellement choisi à 38 mm compte-tenu des efforts supportés par l'outil dans cette gamme d'épaisseur et de matériaux soudés; En particulier, il apparaît qu'un diamètre D2 important, notamment sensiblement 30 égal à 38 mm, permet de limiter l'échauffement de l'outil tournant 18 lors du procédé de soudage. En particulier, lors d'un procédé de soudage de nuances d'acier DH36 ou S690QL, la température de l'outil tournant 18 monte à 900°C, tandis que dans un procédé de soudage de la nuance d'acier HY100, pour lequel le diamètre D2 de l'arbre 19 est de 38 mm, la température de l'outil tournant est de 700°C. Il apparaît également que cette 35 température d'outil plus basse permet d'améliorer la durée de vie de l'outil, ainsi que la qualité de soudage. 3039443 6 L'épaulement 22 quant à lui présente un diamètre D3 généralement supérieur ou égal au diamètre D2 de l'arbre, et par exemple sensiblement égal à 38 mm. Au cours du procédé de soudage, l'outil tournant 18 est appliqué contre la ligne de soudage 12 avec une force, dans la direction verticale, comprise entre 70 et 90 kN, de 5 préférence égale à 80 kN. La présente invention définit un procédé de soudage par friction malaxage efficace pour l'assemblage de deux pièces d'acier, notamment à limite d'élasticité supérieure à 350 MPa. Le pion 20 est préalablement introduit dans les pièces 10A, 10B avec une vitesse 10 de rotation sensiblement égale à 1000 tours/minute. Ensuite, une fois le pion 20 introduit, l'outil tournant 18 tourne autour de son axe de rotation R avec une vitesse de rotation comprise entre 130 et 140 tours/minute par exemple 135 tours/minute. Par ailleurs, l'outil tournant 18 se déplace sur la ligne de soudage 12 avec une 15 vitesse de déplacement comprise entre 90 et 110 mm/minute, par exemple sensiblement égale à 100 mm/minute. Il est à noter que les pièces 10A, 10B sont considérées comme correctement soudées si elles répondent à des critères de validation, par exemple basés sur une inspection visuelle et sur des essais mécaniques. 20 Par exemple, l'inspection visuelle requiert une évaluation de dépôt flash, de la régularité de la pénétration, et l'examen de l'orifice de sortie de l'outil. Cette évaluation visuelle peut être macroscopique ou microscopique. Il apparait que l'inspection visuelle de la surface soudée grâce au procédé de l'invention présente d'excellents résultats, conformes aux attentes, la soudure étant 25 dépourvue de défaut tel que des flashs, des vides et des défauts de type tunnel. La largeur de la soudure est constante, ce qui indique une régularité de pénétration associée avec le contrôle de position utilisé pour la direction verticale. Un exemple d'essai mécanique consiste en un pliage à trois points, l'ensemble soudé étant étiré autour d'une poutre de pliage arrondie en poussant cette poutre de 30 pliage entre deux épaulements arrondis fixes, jusqu'à former un angle de 180° entre deux parties repliées de l'ensemble soudé. Ce pliage est effectué au niveau de la ligne de soudage 12. Suite à ces essais, il apparaît qu'après pliage, aucun défaut ou ouverture n'est généré par ce pliage, ce qui est conforme aux attentes. 35 Des tests de résistance à la fatigue ont également été effectués sur la ligne de soudure, conformément aux normes ISO 14345 (2012) et NF 03-405. 3039443 7 Les résultats de ces tests de résistance à la fatigue sont reportés sur les figures 4 et 5, par lesquelles il est possible de constater que ces résultats sont conformes aux attentes. Plus particulièrement, la figure 4 représente les résultats de tests de résistance à 5 la fatigue effectués sur la soudure, réalisée par le procédé selon l'invention, entre deux plaques d'acier de nuance DH36. On a représenté, de manière classique, en ordonnée l'amplitude des contraintes appliquées, et en abscisse le nombre de cycle d'application de contraintes. Chaque point indique, pour une amplitude donnée, le nombre de cycle nécessaire à la rupture de la soudure sous l'effet de la fatigue. Le point en losange non 10 rempli représente un échantillon n'ayant pas subi de rupture. La courbe en trait plein est une courbe de tendance obtenue à partir des points expérimentaux. La courbe en pointillés est une courbe 95% FAT. Suite à ces essais, on mesure, de manière connue en soi, une limite d'endurance sensiblement égale à 233 MPa, ce qui est conforme aux attentes et démontre l'efficacité 15 du procédé selon l'invention. La figure 5 compare des résultats de tests de résistance à la fatigue effectués sur la soudure, réalisée par le procédé selon l'invention, entre deux plaques d'acier de nuance DH36 (points en losange) d'une part, et entre deux plaques d'acier de nuance S690QL (points en triangle) d'autre part. 20 On constate sur cette figure 5 que le comportement à la fatigue est similaire pour ces deux nuances d'acier. Des essais ont également été effectués pour vérifier l'usure de l'outil suite au procédé de soudage selon l'invention. Il apparaît que l'usure de l'outil est minime compte tenu de la qualité de la soudure. 25 On notera que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation précédemment décrit, mais pourrait présenter diverses variantes. REVENDICATIONS1. Procédé de soudage par friction malaxage, pour l'assemblage de deux pièces (10A, 10B) d'acier le long d'une ligne de soudage (12) entre ces deux pièces (10A, 10B), par déplacement d'un outil tournant (18) le long de cette ligne de soudage (12), caractérisé en ce que : - l'outil tournant (18) est mobile en rotation autour d'un axe de rotation (R) avec une vitesse de rotation comprise entre 130 et 140 tours par minute, et - l'outil tournant (18) se déplace sur la ligne de soudage avec une vitesse de déplacement inférieure à 110 millimètres par minute. 2. Procédé de soudage selon la revendication 1, dans lequel l'acier présente une limite d'élasticité supérieure à 350 MPa. 3. Procédé de soudage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'acier est choisi parmi les nuances suivantes : DH36, S690QL et HY100. 4. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'outil tournant (18) comporte : - un arbre (19) s'étendant dans la direction d'un axe de rotation (R), et mobile en rotation autour de cet axe de rotation (R), - une tête (21) portée par l'arbre (19), en extrémité de cet arbre (19), - un pion (20) s'étendant en saillie depuis un épaulement (22) de la tête (21), dans la direction de l'axe de rotation (R) entre une extrémité libre (20A) et une extrémité (20B) liée à l'épaulement (22), le diamètre du pion (20) étant compris entre 10 et 20 mm, de préférence sensiblement égal à 16 mm, et le diamètre de l'arbre (19) étant compris entre 20 et 50 mm, de préférence entre 25 et 38mm. 5. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'outil tournant (18) est réalisé en Nitrure de Bore Cubique Polycristallin. 6. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les pièces (10A, 10B) sont maintenues en place au moyen de premières pinces de maintien (14) appliquant chacune une première force de maintien dans une direction parallèle à l'axe de rotation (R) de l'outil tournant (18), la somme des premières forces de maintien étant au moins égale à 200 kN, de préférence égale à 480 kN. 3039443 9 7. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les pièces (10A, 10B) sont maintenues l'une contre l'autre par des moyens de maintien (16) appliquant des secondes forces de maintien dans une direction 5 perpendiculaire à la direction de déplacement (R) de l'outil tournant (18). 8. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'outil tournant (18) est appliqué contre la ligne de soudage (12) avec une force, dans une direction parallèle à l'axe de rotation, comprise entre 70 et 90 kN, de 10 préférence égale à 80 kN. 9. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'outil tournant (18) tourne autour de l'axe de rotation (R) avec une vitesse de rotation égale à 135 tours par minute. 10. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'outil tournant (18) se déplace sur la ligne de soudage avec une vitesse de déplacement supérieure à 90 millimètres par minute, par exemple sensiblement égale à 100 millimètres par minute. 15 20