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Quelques procédés de soudage sans fusion utilisés dans l’industrie

Les quatre procédés de soudage suivants : par friction, par ultrasons, par diffusion et par explosion ont la particularité de ne pas faire intervenir la fusion des pièces à assembler. Ils offrent des avantages particuliers pour souder des métaux et alliages qu’il serait autrement impossible de souder par fusion, notamment à cause de problèmes métallurgiques. Voici un résumé de leurs caractéristiques essentielles.

Soudage par friction (procédé FW)

Procédé découvert simultanément aux États-Unis et en Union Soviétique en 1950, les machines de soudage par friction ne firent leur apparition dans l'industrie qu'en 1961.

Les pièces, généralement de révolution, sont serrées l'une contre l'autre ; l'une est mise en rotation de sorte que le frottement engendre à l'Interface la chaleur nécessaire au soudage. Quand la région du joint devient suffisamment plastique sous l'effet de l'élévation de température, on arrête la rotation et on augmente l'effort axial pour forger (figure 1).

En soudage par friction, les deux paramètres essentiels sont la pression et la vitesse de rotation. Pour l'acier doux, on choisit une vitesse circonférentielle de 75 à 150 m/mn indépendamment du diamètre de la pièce. Au-dessous de 30 cm/mn, toujours sur acier, le bourrelet est irrégulier, il est minimisé pour les vitesses maximales compatibles avec les pièces à souder. La pression est le paramètre prépondérant (sur acier elle est de l'ordre de 15 à 75 MPa), elle influe sur la température à l'interface et sur la valeur du couple résistant.

Quand la pression augmente, la déformation plastique est obtenue à température plus basse, la température de la région plastique à l’interface diminue et la valeur du couple résistant augmente.

Le soudage par friction, concurrent du soudage par étincelage, est largement utilisé en fabrication mécanique et forgée.

Les particularités de ce mode de soudage sans fusion ni dilution font qu'il permet l'assemblage de matériaux métalliques pour lesquels les autres procédés entraînent des difficultés d'ordre métallurgique. (Ex. : figure 2). À signaler enfin que le soudage par friction est applicable aux thermo-plastiques.

Soudage par ultrasons (procédé UW)

C'est en 1950 aux États-Unis, en cherchant à améliorer les conditions de soudage par résistance, par l'utilisation d'ultrasons que l'on découvrit que ces derniers pouvaient effectuer seuls l'assemblage.

Le soudage par ultrasons est un procédé de soudage à froid en phase solide où les atomes de l'interface à assembler se combinent entre eux grâce aux forces d'attractions inter-atomiques (figure 3).

L'assemblage se fait par recouvrement, les pièces sont serrées l'une contre l'autre entre une « enclume » et une « sonotrode » qui produit des vibrations transversales ainsi que des frictions localisées qui décapent les surfaces et élèvent la température jusqu'à la formation de la soudure.

L'installation a l'apparence d'une machine à souder par résistance et se compose :

1. d'un générateur électronique qui fournit l'énergie électrique HF pour la mise en vibration de la tête de soudage ;

2. d'une tête de soudage comportant : un transducteur, un amplificateur, une sonotrode.

Le transducteur transforme l'énergie électrique du générateur HF en énergie vibratoire. Les vibrations, trop faibles pour être utilisées en soudage, sont amplifiées par un amplificateur, pièce métallique en titane ou en duraluminium accordée sur la fréquence de l'émetteur.

Pendant le soudage, bien que les éléments à assembler restent apparemment froids, l'étude du mécanisme de liaison montre qu'un volume infime de métal se trouve porté à la température de recristallisation. C'est donc une soudure par friction à l'échelle pelliculaire.

Le soudage par ultrasons peut être exécuté sur métaux ou thermoplastiques avec des énergies de l'ordre de 50 W à 2 kW et des efforts sur sonotrode de 1 à 6000 N suivant les cas.

Il permet de réaliser de nombreuses associations de métaux grâce au fait que l'opération de soudage a lieu en quelques centièmes de seconde et il n'y a, pendant l’opération, ni temps suffisant de diffusion, ni fusion, ni surchauffe.

On note que l'élément à assembler côté enclume peut être d'épaisseur quelconque, alors que l'épaisseur de l'élément côté sonotrode est fonction de la puissance du générateur et de la nature du matériau.

Exemples d'applications :

• Soudage par points d'acier inoxydable de 0,2 à 0,4 mm d'épaisseur et de 0,3 mm d'épaisseur à la molette ;

• Soudage par points d'aluminium de 2 à 3 mm d'épaisseur et de 0,5 mm d'épaisseur à la molette avec une machine de 600 W à la vitesse de 10 m/mn ;

• Soudage à la molette de feuilles de cuivre (figure 4).

• Soudage de tubes pour pâte dentifrice après remplissage ;

• Soudage des chiffres sur cadran de montre.

Soudage par diffusion (procédé DFW)

Technique développée par l’ancienne URSS, le soudage par diffusion a pris naissance suite à l'observation d'incidents rencontrés dans les engins aérospatiaux où des soudages involontaires se sont produits dans le vide spatial (figure 5).

Dans ce procédé opérant en phase solide de manière statique, contrairement au soudage par friction ou par ultrasons, les pièces sont maintenues en contact sous un effort donné et sont portées à une température définie pendant un temps contrôlé. Ces conditions opératoires conduisent, par déformations plastiques locales des surfaces, à un contact intime de celles-ci et à une diffusion des atomes entre les éléments à assembler permettant ainsi d'obtenir la continuité de la matière. La diffusion a lieu en volume dans le métal suivant un processus faisant intervenir les lacunes du réseau cristallin, ou le long des joints de grains.

Le succès d'une opération de soudage par diffusion est liée à 4 facteurs :

1. précision et propreté des surfaces à assembler ;

2. choix de la température, voisine de la recristallisation (0,6 à 0,7 fois la température de fusion des métaux) qui doit permettre d'opérer dans un temps limité pour un maximum de qualité et avec un minimum de déformation ;

3. le temps de soudage qui s'exprime en minutes ou en heures et qui impose de travailler fréquemment sous vide et parfois en atmosphère protectrice contrôlée (le vide permet le dégazage des surfaces) ;

4. l'effort à exercer sur les pièces qui peut être tout juste défini pour permettre un contact intime entre les surfaces.

Le soudage par diffusion convient particulièrement bien aux métaux et alliages qui dissolvent leurs propres oxydes, et aux métaux nobles en général.

Le soudage par diffusion a été utilisé sur de l'acier d'épaisseur 50 mm. La possibilité de souder entre eux des métaux de natures différentes ou à des matériaux non métalliques est une des caractéristiques les plus intéressantes de cette technique (ex. : Kovar + verre où l'agent de diffusion essentiel est l'oxyde du métal, laiton + acier au carbone, cuivre + inox, cuivre + titane).

En règle générale, les travaux de soudage par diffusion correspondent à des réalisations à caractère assez exceptionnel sur des pièces de petites dimensions (ex. : figure 6).

Soudage par explosion (procédé EXW)

Découvert fortuitement en 1957 au cours d'opérations de formage par explosion, le soudage par explosion (figure 7) utilise l'énergie libérée par une charge d'explosif pour provoquer entre deux surfaces à assembler une collision dirigée de telle sorte que la ligne de contact se déplace régulièrement pendant l'explosion. Micrographie de la soudure : figure 8.

La charge d'explosif, d'épaisseur uniforme, recouvre le placage disposé, soit en parallèle, soit en dièdre vis-à-vis du support. (Le tir en dièdre ne peut être utilisé pour les grandes longueurs à cause de l'écartement trop important obtenu rapidement, qui conduit à des soudures de moins bonne qualité.)

L'explosion projette violemment le revêtement sur le support et un mince jet de métal plastifié jaillit en précédant le front de contact. Ce jet de métal arrache les oxydes pouvant contaminer les surfaces et assure ainsi une propreté parfaite nécessaire à l'obtention d'un joint de qualité.

Afin de protéger le placage contre une détérioration superficielle lors du tir, on interpose entre l'explosif et ce dernier un amortisseur en caoutchouc ou en chlorure de poly-vinyle.

Le soudage par explosion est surtout utilisé pour la fabrication des matériaux plaqués, le soudage des tubes sur plaques tubulaires et la fabrication d'éléments bimétalliques.

Plus coûteux que le colaminage, le placage par explosion ne s'applique qu'aux liaisons difficiles :

• métaux métallurgiquement très dissemblables (AI - acier)

• métaux altérables à chaud (Ti -Ta - Zr)

• pièces ne supportant pas le laminage, soit à cause de leur forme, soit à cause de la fragilité du support.

Les surfaces plaquées ou à souder peuvent être planes, cylindriques ou gauches et peuvent avoir des dimensions variant de quelques centimètres carrés à quelques mètres carrés, les limites supérieures dépendant des problèmes de sécurité posés par l'utilisation de charges explosives importantes.

Photos et texte d’après le document « Procédés de soudage, Série D », par A. Thiriot, de la Série des « Aides visuelles à la formation » des Publications du Soudage et ses Applications. Représentant exclusif ISQ.

Vous pouvez joindre Claude Michel de l’Institut de Soudage du Québec (ISQ)
au (450) 446-1369 ou par courriel à isq@sympatico.ca.