Brevet FR3147727A1 — publié le 20241018

L’invention porte sur un pion (1) à souder, destiné à l’assemblage par soudage électrique par résistance d’une première tôle (40) et d’une deuxième tôle (80), le pion (1) comprenant une tête (2) et un corps longitudinal (3) en saillie de la tête (2) s’étendant jusqu’à une extrémité libre distale, caractérisé en ce que le corps (3) comprend une rainure (4) formant moyen de découplage thermique et qui s'étend jusqu'à l'extrémité distale du corps (3). Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1 PION A SOUDER L’invention s’inscrit dans le domaine de l’assemblage de tôles en matériaux différents par des pions soudés électriquement par résistance, et plus particulièrement dans le domaine de l’automobile. ART ANTERIEUR ET INCONVENIENTS DE L’ART ANTERIEUR Dans une optique d’économie de carburant, de réduction d’émission des gaz à effet de serre, d’augmentation de l’autonomie des véhicules électriques, et de réduction des risques engendrés par les collisions, l’allégement du poids des véhicules automobiles par l’utilisation de matériaux à base d’aluminium, de magnésium ou de matériaux thermoplastiques et composites, est désormais répandu. Ces alliages métalliques ou ces matériaux thermoplastiques ou composites, ou plus généralement les matériaux non ferreux, sous forme de tôles notamment en tant qu’élément de carrosserie, requièrent d’être assemblés à des éléments structurels ou de renfort en acier. La technique de soudage par point ou de soudage électrique par résistance est connue et devient de plus en plus commune ces dernières années pour l’assemblage de tôles en matériaux différents, par l’intermédiaire d’un insert qui vient s’enchâsser dans une lumière aménagée dans une tôle en matériau non ferreux, telle qu’en aluminium ou en alliage d’aluminium, et se prolonge au contact d’une tôle en acier. La tôle en matériau non ferreux est ainsi maintenue entre la tête de l’insert et la tôle en acier. De tels procédés ont été appliqués par exemple dans les documents US2009/0294410, US2018/272417, US2018/021883, US2020/14767 et FR 3 97 456. La méthode de soudage par résistance comprend une phase d’accostage des électrodes qui se placent l’une sur la tête de l’insert et l’autre sous la tôle en acier, exerçant tout d’abord une pression axiale au niveau de l’insert, puis une phase de soudage à proprement dit dans laquelle un courant électrique passe d’une électrode à l’autre, à travers l’insert et la tôle en acier, de manière à amener en fusion la zone de contact entre l’insert et la tôle en acier. Ce procédé est suivi par une phase de forgeage qui maintient la pression exercée par les électrodes pour garantir la qualité de la soudure, puis les fait revenir en position ouverte. La chaleur générée au point de fusion de l’insert et de tôle en acier se dissipe par conduction dans les matériaux assemblés et par convection et rayonnement au niveaux de leurs différentes surfaces. Cependant, compte tenu de leurs natures et de leurs propriétés différentes, les assemblages de multi-matériaux représentent des difficultés de mise en œuvre, notamment en termes de différence de conduction thermique, ainsi que de leur différence de point de fusion. Ces problématiques peuvent être limitées par des moyens de découplage des fonctionnalités électriques et thermiques qui limitent la transmission de la chaleur à la tôle en aluminium, en alliage d’aluminium ou en matériaux thermoplastiques ou composites, limitant sa dégradation. Les documents FR 3 065 895 et FR 3 118 591 décrivent des inserts comprenant une tête et un corps, la tête comprenant un rebord périphérique prolongé par une jupe en périphérie du corps, aménagement un espace entre la jupe et le corps en tant que moyen de découplage thermique. Un inconvénient de ces systèmes de l’art antérieur réside dans la complexité de la structure des inserts, qui en plus de leur coût de production relativement important, ont de par l’encombrement de leur structure complexe, un poids une masse relativement élevée. OBJECTIF DE L’INVENTION L’invention vise donc à proposer un pion à souder comprenant des moyens de découplage thermique, ayant une structure simplifiée et une masse moins élevée que ceux de l’art antérieur. À cet effet, l’invention vise un pion à souder, destiné à l’assemblage par soudage électrique par résistance d’une première tôle et d’une deuxième tôle, le pion comprenant une tête et un corps longitudinal en saillie de la tête s’étendant jusqu’à une extrémité libre distale, caractérisé en ce que le corps comprend une rainure formant un moyen de découplage thermique et qui s'étend jusqu'à l'extrémité distale du corps. Selon une caractéristique, la rainure s'étend longitudinalement depuis la tête jusqu’à l’extrémité distale du corps. Selon une caractéristique complémentaire, le corps est une pièce de révolution cannelée comprenant au moins deux rainures. Ajoutons que deux rainures consécutives sont séparées par une nervure ayant une face radiale convexe. De préférence, la rainure présente une surface radiale concave. De manière avantageuse, le rapport entre le périmètre total du corps et un périmètre découpant formé par la somme des longueurs de secteurs angulaires formés par les faces radiales des nervures est compris entre 2 et 4. Notons que l’extrémité distale du corps comprend une face plane ou conique destinée à être soudée à la deuxième tôle. Selon une caractéristique supplémentaire, l'extrémité distale du corps comprend une face de pénétration bordant la périphérie de la face plane ou conique. Ajoutons également que la tête comprend une face proximale destinée à recevoir une électrode de soudage et une face distale destinée à venir en appui de contact contre la surface supérieure de la première plaque, la face proximale et la face distale étant parallèle. L'invention vise également un procédé d’assemblage d’une première tôle et d’une deuxième tôle en matériau conducteur, par au moins un pion selon l'invention, comprenant les étapes suivantes : poinçonnage du pion à travers la première tôle, superposition de la première tôle sur la deuxième tôle, et soudage électrique par résistance du pion à la seconde tôle. PRESENTATION DES FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées parmi lesquelles : La représente une vue en perspective d'un pion selon un premier mode de réalisation de l'invention. La représente une vue en perspective d'un pion selon un second mode de réalisation de l'invention. La représente une portion d'image schématique du poinçonnage de la première tôle par le pion selon l'invention. La représente une vue frontale de dessous de l'enchâssement du corps dans la première tôle. La représente une vue de dessus du pion enchâssé dans la première tôle. La représente une vue schématique en coupe de la première tôle assemblée à la deuxième tôle par le pion selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION Il est tout d’abord précisé que sur les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments quelle que soit la figure sur laquelle elles apparaissent et quelle que soit la forme de représentation de ces éléments. De même, si des éléments ne sont pas spécifiquement référencés sur l’une des figures, leurs références peuvent être aisément retrouvées en se reportant à une autre figure. Il est également précisé que les figures représentent essentiellement deux modes de réalisation de l’objet de l’invention mais qu’il peut exister d’autres modes de réalisation qui répondent à la définition de l’invention. L’invention porte sur un pion 1 à souder pour l’assemblage de deux tôles 40, 80 en matériaux différents, à savoir une première tôle 40 en matériau non ferreux, tel qu’en aluminium, en alliage d’aluminium ou en matériaux thermoplastique ou composites, et une deuxième tôle 80 en matériau ferreux, tel que l’acier. Cet assemblage est réalisé par un procédé conventionnel de soudage électrique par résistance par l’intermédiaire d’électrodes qui viennent s’accoster d’une part à la partie proximale du pion 1 et à la deuxième tôle 80, l’extrémité distale du pion 1 venant se souder à la deuxième tôle 80, la première tôle 40 étant enserrée entre la partie proximale du pion 1 et la deuxième tôle 80. En référence aux figures, le pion 1 selon l’invention comprend une tête 2 en partie proximale et un corps 3 faisant saillie de la tête 2, et s’étendant jusqu’à une extrémité libre distale. Selon le mode de réalisation illustré sur la , la tête 2 se présente sous la forme d'un cylindre, mais il pourrait en être autrement : en référence à la , la tête 2 est un polyèdre, et en particulier un hexaèdre. La forme en hexaèdre de la tête 2 lui permet de coopérer avec un outil de type clef plate. Ainsi, lorsque le pion 1 est déjà soudé à la tôle considérée 80, il est possible de désolidariser ledit pion 1 de la tôle 80 en exerçant sur la tête 2 une force de torsion en utilisant la clef plate. La tête 2 comprend une face supérieure ou proximale 21 destinée à l'accostage d'une première électrode et une face inférieure ou distale 22 destinée à être mise au contact de la surface supérieure de la première tôle 40. La face supérieure 21 et la face inférieure 22 de la tête (2) sont avantageusement planes et agencées parallèlement. Le corps 3 étant en saillie de la tête 2, il s'étend le long d'un axe orthogonal à la face distale 22. La face distale 22 est ainsi constituée d'un anneau dans le cadre d’une tête se présentant sous la forme d’un cylindre ou d’un polyèdre, pour contraindre la première tôle 40 contre la deuxième tôle 80 notamment lors la phase de forgeage. Le corps 3 est destiné à être enchâssé dans un orifice agencé dans la première tôle 40, l'extrémité distale du corps 3 étant destinée à être soudée à la surface supérieure de la deuxième tôle 80. Le pion 1 selon l'invention est de préférence destiné au poinçonnage de la première tôle 40, tel que décrit plus en détail dans la suite de la description. L'orifice précédemment cité est avantageusement créé par le poinçonnage de la première tôle 40 et l'évacuation d'une contre forme du corps 3. De manière conventionnelle, la périphérie latérale du corps 3 est au contact de la paroi intérieure de l'orifice de la première tôle 40 dans lequel il est enchâssé. L'étape de soudage à proprement dit du pion 1 à la deuxième tôle 80 engendre la montée inhérente en température du pion 1 nécessaire à son soudage, qui est à fortiori transmise par conduction thermique par la périphérie latérale du corps 3 à la première tôle 40. Pour limiter la transmission de chaleur à la première tôle 40 et, d'une part limiter la dégradation du matériau constitutif de la première tôle 40, le pion 1 comprend un moyen de découplage thermique. Selon l’invention et en référence aux figures, le corps 3 comprend ainsi au moins une rainure 4 s'étendant de la tête 2, à savoir de la base du corps 3, à savoir à partir de la face inférieure 22 de la tête 2, jusqu’à l'extrémité distale du corps 3. Selon les modes de réalisation illustré, le corps s'étend selon un axe longitudinal, la rainure 4 est ainsi longitudinale. Cette rainure 4 permet de réduire notamment la surface de contact du corps 3 du pion 1 à la première tôle 40. Selon le mode de réalisation illustré à la , le corps 3 comprend quatre rainures 4 réparties de manière régulière le long de sa périphérie, en opposition deux à deux, mais il pourrait en être autrement, le corps 3 comprend une, deux, trois, cinq ou plus rainure(s) 4, avantageusement régulièrement réparties le long de la périphérie latérale du corps 3. Selon une caractéristique avantageuse, le corps 3 est ainsi une pièce de révolution cannelée. Selon un mode de réalisation préférentiel représenté sur la , le corps 3 comprend trois rainures 4. Une rainure 4 est donc délimitée par deux nervures 5 faisant parties intégrantes du corps 3. La face radiale ou latérale 51 d'une nervure 5 correspondant à la périphérie latérale du corps 3, tel qu'énoncé précédemment, est de préférence convexe. La forme convexe de la face latérale 51 d'une nervure longitudinale 5 est destinée à favoriser le poinçonnage de la première tôle. Selon une caractéristique supplémentaire, la face radiale d'une rainure 4 est concave. De préférence, et de manière à assurer la double fonction de découplage thermique et de poinçonnage de la première tôle 40, le rapport entre le périmètre total Pt du corps 3 et le périmètre découpant Pd – c’est-à-dire la somme des longueurs Pdx des secteurs angulaires formés par les faces latérales 51 des nervures 5 – est compris entre 2 et 4. A titre d’exemple, pour un pion 1 à quatre rainures 4, ce rapport doit être inférieur à 2,5 tandis que pour un pion 1 à trois rainures 4, ce rapport est supérieur ou égal à 3,5. Le pion 1 à trois rainures 4 de la est un mode de réalisation préférentiel car il offre une surface de contact minimale entre la tôle 40 et les faces latérales 51 des nervures 5. Le découplage thermique est ainsi optimal. Dans l’exemple de réalisation du pion tel que représenté en , la tête 2 présente un rayon de 6 mm, le corps 3 présente un rayon de 3,5 mm, et le secteur formant la face latérale 51 de chaque rainure 4 présente un rayon de 3 mm. Enfin, la surface plane 31 de l’extrémité distale du corps 3 présente un rayon de l’ordre de 2 mm, et une surface de l’ordre de 12 mm². Cette aire réduite de la surface plane 31 permet de générer un point de contact de surface réduite avec l’électrode, ce qui facilite le soudage du pion 1 à la tôle 80. En outre, dans une variante de réalisation et de manière à encore réduire la surface de contact avec l’électrode, la surface à l’extrémité distale du corps 3 peut être conique ou tronconique. Ainsi, la profondeur d'une rainure 4 n'est avantageusement pas trop importante, pour conserver une bonne efficacité de poinçonnage, afin que le corps 3 joue le rôle d'un emporte-pièce conforme à la forme générale du corps 3, tel qu'illustré à la qui montre que la pièce emportée 41 est de section circulaire. En effet, lors du poinçonnage du pion 1, le corps 3 est enchâssé dans la première tôle 40, un espace doit être formé entre le fond de la rainure 4 et la surface interne de l'orifice. L'extrémité distale du corps 3, destinée à être soudée à la surface supérieure de la deuxième tôle 80, comprend une surface plane 31. De manière alternative, la surface 31 est conique ou tronconique. La face plane 31 est bordée à sa périphérie d'une face de pénétration 32, s'étendant de la périphérie extérieure de la face plane 31 à la face latérale du corps 3. La face de pénétration 32 est un chanfrein, de telle sorte que l'extrémité distale du corps 3 soit en forme d'ogive. Il est entendu que l'extrémité distale du corps 3 comprend la face plane 31 et la face de pénétration 32. Lors du soudage de la face plane 31 à la surface supérieure de la deuxième tôle 80, l'extrémité distale du corps 3 peut avoir tendance à fondre, permettant également le soudage d'au moins une partie de la face de pénétration 32 à la deuxième tôle 80, augmentant ainsi la surface de soudage. Ainsi, le procédé d'assemblage d'une première tôle 40 en matériau non ferreux et d'une deuxième tôle 80 en matériau ferreux, par au moins un pion 1, comprend une première étape de poinçonnage de la première tôle 40, résultant en l'enchâssement du corps 3 dans un orifice, contre forme résultante du poinçonnage, de la première tôle 40. La illustre ainsi l'empreinte de l'extrémité distale du corps 3 dans la première tôle 40, provoquant un cisaillement circulaire ou sensiblement circulaire de la première tôle 40 à la forme générale de la périphérie circulaire du corps 3, n'engendrant pas de prise de matière a contact des rainures 4. L’effort de la presse pour réaliser le poinçonnage de la première tôle 40, qui par exemple est en alliage d’aluminium avec une épaisseur de 2mm et une résistance mécanique de 225 MPa, atteint une valeur maximale de l’ordre de 10000 N. Par ailleurs, l’effort de retrait du pion 1 après poinçonnage, c’est-à-dire la force devant être exercée sur l’extrémité distale du corps 3 du pion 1 pour l’extraire du trou traversant réalisé dans la tôle 40, est de l’ordre de 250 N. Ceci garantit une bonne tenue du pion 1 dans la tôle 40 avant l’opération de soudage à proprement parlé, même lorsque les tôles 40 comprenant des pions enchâssés 1 après poinçonnage sont transportées dans des conditions sévères, c’est-à-dire avec chocs et vibrations. La seconde étape du procédé consiste en la superposition usuelle de la première tôle 40 au-dessus de la deuxième tôle, suivit de l'accostage des deux électrodes, l'un sur la surface proximale de la tête 2, l'autre agencée en opposition au contact de la surface inférieure de la deuxième tôle 80, les deux tôles 40, 80 étant mise sous contraintes par les électrodes. La troisième étape du procédé consistant à la procédure de soudage à proprement dit du pion 1 à la deuxième tôle 80 par soudage électrique par résistance. Le courant électrique étant concentré en direction de l'extrémité distale du corps 3 due à la limitation de perte de charge électrique en direction de la périphérie latérale du corps, en direction de la périphérie intérieur de l'orifice dans lequel le corps 3 est enchâssé. Enfin, la quatrième étape du procédé consiste en une étape de forgeage au cours de laquelle la pression des électrodes est maintenue contre le pion 1 et la deuxième tôle 80, tandis que le courant électrique ne circule plus entre les électrodes. Le pion 1 est soudé avec une intensité de l’ordre de 10 kA, pour un temps de soudage de l’ordre de 100 ms et un temps de forgeage de l’ordre de 200 ms. Dans ces conditions, la résistance de l’assemblage entre une plaque d’aluminium de 2 mm formant première tôle 40 et une plaque d’acier de même épaisseur formant deuxième tôle 80 est supérieure à 10000 N. Ainsi, de par la réduction de contact de la périphérie latérale du corps 3 à la première tôle 40, de par la présence d'au moins une rainure 4 formant moyen de découplage thermique, la limitation de dispersion de chaleur engendre la limitation de la dégradation éventuelle du matériau constitutif de la première tôle 40. En outre, le pion 1 selon l'invention, de par la présence de rainures 4, a une structure résultante allégée, résultant en un poids global inférieur à un pion plein ou de structure complexe. Cet allégement de matière n'est pas négligeable dans la réduction du poids global d'un véhicule automobile étant donné le nombre important de pions à souder dans l'assemblage de la structure d'un véhicule. Pion (1) à souder, destiné à l’assemblage par soudage électrique par résistance d’une première tôle (40) et d’une deuxième tôle (80), le pion (1) comprenant une tête (2) et un corps longitudinal (3) en saillie de la tête (2) s’étendant jusqu’à une extrémité libre distale, caractérisé en ce que le corps (3) comprend une rainure (4) formant moyen de découplage thermique et qui s'étend jusqu'à l'extrémité distale du corps (3). Pion (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la rainure (4) s’étend longitudinalement depuis la tête (2) jusqu’à l’extrémité distale du corps (3). Pion (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le corps (3) est une pièce de révolution cannelée comprenant au moins deux rainures (4). Pion (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que deux rainures (4) consécutives sont séparées par une nervure (5) ayant une face radiale (51) convexe. Pion (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la rainure (4) présente une face radiale concave. Pion (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rapport entre le périmètre total (Pt) du corps (3) et un périmètre découpant (Pd) formé par la somme des longueurs des secteurs angulaires formés par les faces radiales (51) des nervures (5) est compris entre 2 et 4. Pion (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’extrémité distale du corps (3) comprend une face plane ou conique (31) destinée à être soudée à la deuxième tôle (80). Pion (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'extrémité distale du corps (3) comprend une face de pénétration (32) bordant la périphérie de la face plane ou conique (31). Pion (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête (2) comprend une face proximale (21) destinée à recevoir une électrode de soudage et une face distale (22) destinée à venir en appui de contact contre la surface supérieure de la première tôle (40), la face proximale (21) et la face distale (22) étant parallèle. Procédé d’assemblage d’une première tôle (40) et d’une deuxième tôle (80) en matériau conducteur, par au moins un pion (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes : Poinçonnage du pion (1) à travers la première tôle (40), Superposition de la première tôle (40) sur la deuxième tôle (80), Soudage électrique par résistance du pion (1) à la seconde tôle (80).