POSSIBILITÉSD’UTILISATION

POURAPPLICATIONSEXISTANTES ET

NOUVELLESLe texte ci-après reprendle principe du soudagepar friction ainsi que sesvariantes. Lespossibilités multiples dece procédé sontillustrées par quelquesapplications pratiques.

Par Koen FaesTraduction: M.C. Ritzen

INFO-SOUDAGE

SOUDAGE PAR FRICTION

Principe du soudage par friction (Figure 1), barres soudées (Figure 2), soudage par friction orbital (Figure 4), soudage parfriction linéaire (Figure 5)

Projet de recherche

L’Institut Belge de la Soudure veutdémarrer un projet de recherchecollective sur le soudage parfriction. Les projets de recherchecollective sont des études etrecherches axées surl’acquisition, le rassemblement etla transposition de connaissancestechnologiques en applicationsnovatrices et ce, au profit d’ungroupe d’industries. Les résultatsde la recherche doivent aboutirà une plus-value économique etécologique ou sociale pour lesentreprises participantes. Lesconnaissances acquises sontégalement mises à la dispositiond’autres entreprises du secteur.

Soudage par friction

Le soudage par friction est unprocédé de soudage multiple etnovateur qui trouve denombreuses applications dansdifférentes branches de

Figure 3: barres hexagonales soudéesFigure 6: Schéma de principe du rechargement avec le procédé de soudage parfriction

l’industrie. Les avantages dusoudage par friction sont:• des assemblages de hautequalité;• la rapidité du procédé parrapport aux procédés desoudage conventionnels;• la possibilité d’uneautomatisation complète duprocessus de telle sorte qu’unequalité constante est garantie.De plus, le procédé de soudagepar friction offre, dans le cadrede l’environnement, d’importantsavantages: pas de fumées desoudage, pas de rayonnementUV ou électromagnétiques. Autreavantage: pas de métal d’apportou de gaz de protection.De plus, l’utilisation du procédéde soudage par friction peutmener à une économie en coûtsignificative (matériaux etsalaires) en remplaçant, par ex.,des pièces forgées ou couléesonéreuses par des produitsstandards soudés par friction.

Principes du procédé desoudage par friction

Le soudage par friction est unprocédé de soudage mécanique

où la chaleur nécessaire pour lesoudage est fournie en frottantou en mettant en rotation l’unecontre l’autre les pièces àassembler sous une pressionaxiale. Le principe du soudagepar friction est présenté dans saforme la plus simple à lafigure 1. Supposons que deuxaxes ou tubes doivent êtresoudés bout à bout, onimmobilise alors une partietandis que l’autre est mise enrotation à une vitesse constante.Quand les deux pièces serréesl’une contre l’autre entrent encontact, les forces de frictionprovoquent un couple derésistance. L’énergie mécaniquecréée est transformée en chaleurdans la surface de contact. Lachaleur générée augmente latempérature en un tempsrelativement court jusqu’à latempérature de soudage(température de forgeage).Ensuite, la partie en rotation estdétachée du moteur, freinéejusqu’à l’arrêt. Une force deforgeage axiale est alorsexercée afin de réaliser unesoudure entre les deux pièces.Durant la phase d’échauffement

et la phase de soudage, unequantité de matière plastique estpoussée vers l’extérieur, sousl’influence de la force depression axiale, de telle sorteque le bourrelet de soudagecaractéristique du soudage parfriction est formé (figure 2).

Variantes

La variante la plus utilisée duprocédé est le soudage parfriction par rotation. On peutl’utiliser pour l’assemblage depièces symétriques en rotationcomme des tuyaux et des barres(figure 2), mais également pourcertaines géométries pluscomplexes, telle que présentée àla figure 3. D’autres variantesexistent encore. Le soudage parfriction orbital peut être utilisépour souder des pièces ayantune intersection symétrique maispas en rotation (figure 4). Deuxpièces sont serrées l’une contrel’autre et une partie exécute unpetit mouvement circulaire parrapport à l’autre. Ceci donneune vitesse tangentielle uniformesur toute la surface. Quand lemouvement s’arrête, les deux

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Essai destructif d’une couche rechargée au moyen du procédé de soudage par friction (figure 7), soudures de réparation à l’aide du procédé de soudage “friction stitch”(figure 8), principe de base du friction stir welding (figure 9), Friction stir welding de jantes de roue (figure 10)

Production de boulons à crochet (figure 11), soudage de tiges de piston (figure 12), soudage de roues dentées d’une boîte de vitesse (figure 13), soudage d’une tige depiston à un connecteur avec filet de vis (figure 14), fixation d’une bride à une valve hydraulique (figure 15), assemblage de l’aluminium à de l’acier (figure 16)

parties sont rapidement alignéesl’une par rapport à l’autre et laforce de forgeage est appliquéeafin de former la soudure. Lorsdu soudage par friction linéaire(figure 5), la chaleur nécessaireest créée par unmouvement de va-et-vient des pièces àsouder. Ce procédépermet de souder despièces à sectionrectangulaire. Leprocédé par frictionpeut également êtreutilisé pour déposerdes couches derechargement(cladding - figure 6)ou pour réaliser desréparations à l’aide du procédéde soudage “friction stitch”(figure 8). Lors du soudage par frictionmalaxage (friction stir welding),un outil rotatif constitué d’un pionprofilé et d’un épaulement estenfoncé dans la matière jusqu’àce que l’épaulement touche la

surface du matériau à souder(figure 9). La matière est doncchauffée par friction à destempératures où elle estfacilement déformable. Lorsquel’outil avance, la matière

s’écoule de l’avantvers l’arrière du pionpour former le jointsoudé. Un système declamage performantest nécessaire pourobtenir de bon joints.Les problèmesinhérents auxprocédés de soudagepar fusion d’alliagesd’aluminium à hauterésistance comme lesfissures, la porosité

ainsi que la diminution derésistance de la zone affectéethermiquement ne sont pasrencontrés en friction stirwelding.De plus, le retrait des oxydes quiconstitue une grande partie dutemps de préparation des jointsà souder ainsi qu’une protection

gazeuse ne sont pas nécessaires.Le procédé de friction malaxagen’est pas limité à la soudure desalliages d’aluminium: desrésultats encourageants ont étéobtenus avec des alliages detitane, de cuivre, de nickel, demagnésium ainsi qu’avec l’acier,l’acier inoxydable, desthermoplastiques, MMC (metal-matrix composites),…

Avantages

• Assemblages de haute qualitéayant une bonne structuremétallurgique comme le matériaun’est pas porté à fusion.• Pas de préparation spécialedes pièces. • Le procédé de soudage estbeaucoup plus rapide que lesprocédés de soudageconventionnels.• Peu de déformations aprèssoudage en raison des temps desoudage courts et des faiblestempératures maximales.• Possibilité d’assembler des

pièces de sections fortementdifférentes à condition deprendre certaines mesures deprécaution.• Économique: le soudage parfriction permet de réaliserd'importantes économies sur lecoût des pièces soudées(économie en temps, enmatériau).• Des matériaux dissemblablespeuvent être assemblés, commel’aluminium ou le cuivre à del’acier.• Très bonne reproductibilité etpossibilités d’automatisation.• Métaux d’apport pasnécessaires• Soucieux de l’environnement:pas de gaz de protection, pasde fumées de soudage ourayonnement.• Moins de bruit: les souduresne doivent pas être meulées• Pas de nécessité de soudeursagréés.

Applications

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LE SOUDAGE PARFRICTION EST UN

PROCÉDÉ DESOUDAGE MULTIPLE

ET NOVATEURTROUVANT DENOMBREUSES

APPLICATIONS DANSL'INDUSTRIE

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Assemblage de l’aluminium à du cuivre (figure 17), soudage de la tige de soupapeà la base (figure 18), exemples d’assemblages bimétalliques: connecteursélectriques aluminium/cuivre et extrémités de robinets titane/cuivre (figure 19),piston d’un moteur diesel (figure 20)

Remplacement de pièces forgées ou coulées par des profilés standards soudés par friction (figure 21), pièce d’un turbo (figure 22), partie d’une boîte de vitesse(figure 23), partie d’un amortisseur: tube soudé à une pièce compressée (figure 24), partie d’un cric hydraulique: le tube à double paroi est soudé en une fois (figure 25),soudage par friction de tuyaux avec disque intermédiaire rotatif (figure 26)

Le procédé de soudage parfriction peut être utilisé pour denombreuses applications. Il estainsi utilisé, par ex., dansl’aviation et la navigationspatiale pour le soudage deboulons à crochet (figure 11),pour la fabrication de tiges depiston légères (figure 12) oupour des éléments de boîtes devitesse (figure 13).Le soudage par friction estégalement utilisé dans lapétrochimie, par ex. pour lesoudage de brides à des valveshydrauliques (figure 15) ou pourle soudage de tiges de forage.Les soudures par friction sontsuffisamment fortes pour résisteraux couples élevés durant leforage.De plus, le soudage par frictionpermet d’assembler desmatériaux ne pouvant êtreassemblés avec des procédésconventionnels. Exemples:l’aluminium à l’acier (figure 16)ou le titane au cuivre. Cettepossibilité permet de faire deséconomies par une conceptionjudicieuse de telles pièces: despièces en un matériau trèsonéreux peuvent être remplacéspar des pièces soudées où lesmatériaux onéreux ne sont utilisésque localement où c’estnécessaire.Exemple: conception d’unesoupape d’un moteur àcombustion (figure 18). Lesbases en matériau réfractairesont soudés à la tige desoupape fabriquée en unmatériau résistant à l’usure.D’autres exemples d’assemblagesbimétalliques sont présentés à lafigure 19.Le soudage par friction estégalement très utilisé lors de laproduction d’éléments pour truckset véhicules agricoles (figures 20et 21). Une économie notable encoût peut être réalisée par le

remplacement de piècescomplètement forgées par depetites pièces forgées soudées àdes barres ou des tubes.Par ex., pour la production de lapièce à la figure 21, la piècecoulée a été remplacée par untube en acier soudé par frictionà un bloc et à une tôle en acier.Ceci permet une réduction descoûts de 25% et de plus, larésistance à la fatigue est 7 foisplus élevée. Le soudage parfriction est utilisé pour laproduction de pièces dansl’industrie automobile comme desstabilisateurs, des soupapes, destiges de piston, des pompes àeau,...

Appel

L’Institut Belge de la Soudure aune très longue expérience enmatière de soudage par friction.Les années passées ont été

consacrées à la recherche sur leprocédé de soudage par frictionpar rotation classique et unprojet de recherche estactuellement en cours pour ledéveloppement d’un procédé desoudage innovant pourl’assemblage de tuyaux (© DenysN.V.). Pour ce faire, une nouvellevariante du procédé de soudagepar friction a été mise au point,en l’occurrence le soudage parfriction avec un disqueintermédiaire rotatif (figure 26).L’IBS dispose d’une machine desoudage par friction ayant unepuissance de 160 kW. L’IBS mène aussi actuellementune recherche collective sur leprocédé de soudage par frictionmalaxage. Le but de ce projetest d’avoir une connaissance debase sur le procédé de soudagepar friction malaxage.L’IBS recherche des partenairesde projet pour:

• Recherche contractuelle surmesure: recherche confidentiellequi doit satisfaire à des besoinsspécifiques d’une entreprisedéterminée. L’IBS peut mener unerecherche sous contrat pourl’industrie. Les projets novateurssont subsidiés par les autorités.• Projet de recherche collective:formation de réseau etcollaboration dans une sphèrenon concurrentielle entre desfournisseurs, producteurs, clientset utilisateurs. La recherchecollective est égalementsubsidiée par les autorités.La possibilité d’utilisation duprocédé de soudage par frictionsera recherchée pour desapplications existantes etnouvelles. En raison de laconcurrence sans cessecroissante dans le secteur, noussommes persuadés de lanécessité de remplacer lesprocédés de soudage manuelsintensifs par des procédés desoudage automatisés novateurs.Le soudage par friction répondbien à cet objectif:• C’est un procédé automatiqueoù la qualité ne dépend pas del’opérateur ce qui est trèsimportant en raison desexigences de qualité de plus enplus strictes qui ne sontpratiquement plus possibles àatteindre avec des procédés desoudage manuels.• Il y a trop peu de soudeursexpérimentés. Cette tendances’intensifie au niveauinternational. L’automatisation estdonc la seule solution.• Les exigences toujours plussévères en matièred’environnement• La nécessité de travailler plusrapidement et plus efficacementpour diminuer les coûts.(Les personnes intéresséespeuvent s’adresser à l’IBS, Prof.ir. A. Dhooge ou ir. K. Faes) o

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