Les technologies de soudage des pièces en aluminium

Soudage MIG des alliages aluminium.

Soudage MIG des alliages aluminium.

Il existe de nombreuses technologies de soudage des pièces en aluminium. On distingue ainsi le TIG, le MIG, le soudage par résistance, le FSW (friction Stir Welding), le soudage laser… Cet article fait la synthèse de ces différentes technologies en rappelant leur principe, leurs avantages ou limitations respectives.

Le soudage MIG et TIG

Procédé de soudage MIG-source Easyweld.
Principe du procédé MIG-source Easyweld.

Le MIG (électrode consommable en aluminium sous protection de gaz neutre) et le TIG (électrode permanente en tungstène sous protection de gaz neutre) sont deux techniques très utilisées dans l’assemblage des tôles corroyées en aluminium. Ces technologies d’assemblage sont relativement simples. Afin de fondre la matière, un arc électrique est créé entre l’électrode et les pièces à assembler sous la protection d’un gaz inerte pour éviter la contamination. Dans le cas du MIG, l’électrode est fusible alors que pour le TIG, elle est permanente (tungstène). Du métal d’apport peut être apporté par fusion afin de combler l’espace de soudure. Pour le MIG, c’est directement l’électrode qui joue ce rôle alors qu’avec le TIG, cet apport se fait via une baguette de métal.

Le procédé TIG

Procédé de soudage TIG - source EasyWeld.
Principe du procédé TIG – source EasyWeld.

Le procédé TIG (Tungsten Inert Gas) peut utiliser un courant continu ou alternatif. Lorsque le courant est positif, l’aluminium est soudé par l’arc électrique. Lorsque le courant est négatif, il y a un décapage de la surface d’alumine mais le bombardement électronique échauffe l’électrode et risque de la détruire prématurément. Tirant le meilleur parti des deux modes, le courant alternatif est souvent utilisé en soudage TIG. Le procédé MIG (Metal Inert Gas) utilise quant à lui le courant continu négatif. Ainsi il y élimination de la couche d’oxyde et le fil-électrode s’échauffant et fondant permet l’apport de métal.

Etat de surface et préparation du joint avant le TIG et le MIG

Le procédé MIG n’est pas trop sensible à l’état de surface des pièces. Même si aucune préparation n’est indispensable, il est recommandé de dégraisser et décaper chimiquement ou mécaniquement la surface à souder. Ces recommandations deviennent indispensables dans le cas du procédé TIG. Le dégraissage par solvant est déconseillé afin d’éviter d’avoir des résidus dans les porosités des pièces. Le sablage est plus recommandé pour éliminer les résidus en surface de pièces moulés (poteyage, …). L’usinage doit être fait à sec pour ne pas piéger de résidus dans les porosités. Il est possible de souder directement deux surface non-usinées. Mais généralement, le joint à souder est préparé, notamment par la réalisation de chanfreins . Certaines formes permettent des assemblages de meilleure qualité. C’est le cas de la jonction en double V et en U qui sont meilleures que le simple V.

Épaisseur des pièces soudées

Selon l’épaisseur des pièces à assembler, certains procédés d’assemblage peuvent ne pas convenir. Le TIG permet de souder des épaisseurs très fines (de l’ordre de quelques dixièmes de millimètres) tandis que le MIG s’utilise avec des pièces plus épaisses (quelques millimètres). Pour la soudure MIG ou TIG, on cherche à joindre des pièces d’épaisseurs semblables. Une rectification de l’épaisseur la plus importante est conseillée pour avoir une bonne soudure.

Le soudage laser

Soudage laser - source Cookson CLAL.
Soudage laser – source Cookson CLAL.

Le procédés d’assemblage par laser consiste à fondre la zone à assembler par un faisceau laser monochromatique de forte puissance sous un gaz de protection type argon ou hélium. Il existe deux types de laser. Tout d’abord le laser CO2 où le milieu actif (zone de création du faisceau laser) est un mélange gazeux de dioxyde de carbone, d’azote et d’hélium sous pression réduite avec des puissances atteintes importantes (1,5 à 10 kW). Ensuite, le laser Nd/YAG (Neodyme dopé à l’yttrium et aluminium) où le milieu actif est solide. Les puissances atteintes sont alors plus faibles (max. 4 kW) mais le faisceau peut être transporté par fibre optique, ce qui permet de souder suivant des trajectoires complexes à l’aide de robots. Les paramètres à maitriser pour le soudage par laser sont la puissance du rayonnement (fonction de l’épaisseur des pièces à souder et de la pénétration voulue), la distance focale et la position du point focal (impact sur la largeur de la soudure et le profil de fusion) et enfin sur la vitesse de déplacement.

L’assemblage de deux pièces d’aluminium moulées par soudage laser peut se faire facilement avec un fil d’apport. Toutes les nuances soudables par les procédés MIG et TIG le sont également par laser (sauf les nuances au zinc, susceptible de se vaporiser). L’avantage de la soudure par laser par rapport au MIG et TIG réside dans la focalisation de l’énergie de soudure sur une zone plus restreinte. En apportant sur cette zone une intensité de chaleur plus importante, les temps de chauffage sont plus courts et les effets thermiques moindres. La santé matière des pièces n’a donc pas besoin d’être aussi bonne que pour les procédés MIG et TIG. Un dégraissage de la pièce est essentiel avant son assemblage afin de se débarrasser des souillures et corps gras. L’usinage de la surface n’est pas forcément nécessaire. Un grenaillage peut suffire si le jeu entre les pièces ne dépasse pas 10% de la profondeur de la fusion ou de l’épaisseur à souder. Les fournisseurs de soudage par laser conseillent d’usiner la surface car un jeu de plus de un dixième de millimètre peut favoriser la création de porosités dans le joint de soudure.

Le soudage par laser est adapté à de nombreuses géométries d’assemblage lorsqu’il s’effectue via des robots équipés de fibres optiques. Cependant, la buse d’amenée de gaz de protection limite l’approche près de la pièce. Or, il est nécessaire d’être assez proche de la surface pour souder correctement (l’adaptation de la distance focale peut néanmoins faciliter les choses). Il n’est donc pas envisageable de souder dans un puits avec cette technique. Par ailleurs, la largeur du faisceau laser permet de limiter les dimensions de la soudure. Mais une diminution trop importante de la zone fondue limite la qualité de la liaison.

Le soudage par résistance

Soudage par résistance - source Fronius.
Soudage par résistance – source Fronius.

Le principe du soudage par résistance est d’imposer un courant sur les pièces à souder afin de créer un point de fusion par effet Joule. Les électrodes imposent en même temps un serrage mécanique jusqu’au refroidissement quasi complet du matériau. Un flux d’eau continu permet de contrôler la thermique des électrodes (généralement en cuivre). Il existe quatre procédés de soudage par résistance. Tout d’abord le soudage par points où l’électrode est circulaire. Ensuite le soudage à la molette dans lequel les électrodes sont des disques qui permettent des soudures par recouvrement, continues et donc étanches. Ensuite le soudage par bossages. Dans cette technologie, une protubérance (ponctuelle, annulaire, fils en croix) sur la pièce à souder permet la concentration du courant. Il est possible d’en souder plusieurs en même temps si les bossages sont dans le même plan. Enfin, le soudage en bout par étincelage où une étincelle se crée entre les deux pièces à assembler, elles sont ensuite rapprochées brutalement pour les souder par plasticité.

Le cycle typique d’une soudure par résistance est court (quelques secondes à peine). Il se décompose en trois phases : l’accostage (les électrodes viennent serrer les pièces à souder), le soudage proprement dit (le courant passe, permettant la fusion à l’interface des pièces) puis le « forgeage » (un effort est maintenu pour assurer le bon assemblage). Ces procédés d’assemblage sont automatisables. Une attention particulière doit être portée sur l’état des électrodes, un nettoyage régulier est obligatoire (au moins tous les 1000 points).

Le soudage par résistance permet d’assembler des pièces de nature différente. Il est envisageable, par exemple de souder de l’aluminium et de l’acier. L’assemblage de matériaux différents peut créer des phases intermétalliques fragiles. Il est conseillé de dégraisser la surface pour éviter les défauts dans la soudure et de décaper la couche d’oxyde pour avoir une couche uniforme. Le décapage mécanique ou chimique de la couche d’oxyde permet également de diminuer la résistance de surface entre l’électrode et la pièce.

Le soudage par résistance permet dans certains cas d’obtenir des assemblages étanches. En soudage par points, l’étanchéité n’est pas assurée car l’assemblage est discontinu. Une colle (ou un joint) peut être utilisée afin de pallier ce problème. La soudure à la molette permet d’avoir une soudure continue. Il est possible d’obtenir une soudure discontinue en réglant différemment les paramètres du cycle de soudage. La soudure par bossages peut également être étanche ou non, dépendant de la forme de l’assemblage. Dans le cas d’un simple bossage, l’assemblage n’est pas étanche. Dans le cas d’une bride sur une plaque, la soudure est étanche. Enfin le soudage en bout par étincelage est étanche.

Les épaisseurs assemblées par les procédés de soudage par résistance sont assez faibles. Généralement, il s’agit de pièces de quelques millimètres d’épaisseur. Il est possible d’assembler des épaisseurs différentes si leur rapport ne dépasse pas ¼. Dans ce cas-là, il faudra prendre soin de placer la pièce la plus fine au-dessus et d’affiner correctement le réglage.

Le soudage FSW (par friction ou friction-malaxage)

Soudage par FSW - Friction Stear Welding
FSW – Friction Stir Welding.

Les procédés par friction sont différents de ceux vus jusqu’à présent. Pour ces technologies d’assemblage, les matériaux ne sont pas soudés par fusion mais par déformation plastique. Il existe deux types de procédés : le soudage par friction et le FSW. Le soudage par friction est le procédé le plus ancien. Il consiste à donner un mouvement (généralement circulaire) à une pièce tout en la rapprochant et en la compressant à une autre pièce fixe. Ce procédé est bien adapté aux pièces de révolution (tubes).

Le soudage par friction-malaxage (couramment appelé Friction Stir Welding) se développe fortement depuis une quinzaine d’années. Il consiste à apporter le mouvement nécessaire au soudage plastique sous la forme d’un outil en rotation se déplaçant le long du joint entre les pièces à assembler. Un épaulement permet d’éviter un reflux de matière vers le haut. Le FSW est donc applicable à des pièces de tout type.

Autres procédés de soudage

Hybrid laser GMAW - source LincolnElectric.
Hybrid laser GMAW – source LincolnElectric.

Il existe de très nombreux autres procédés de soudage, dérivés pour certains des procédés traditionnels : le soudage linéaire (LFW pour Linear Friction Welding), le soudage par faisceau d’électrons (sous vide), le soudage par explosion, le soudage par ultrasons, le soudage par impulsion magnétique, …. Le soudage plasma (PAW ou Plasma Arc Welding), considéré comme une évolution du soudage TIG, s’en distingue néanmoins par le fait que l’arc est contraint mécaniquement (constriction mécanique) ou pneumatiquement, générant ainsi une densité d’énergie supérieure.

Les innovations du soudage hydride

Le soudage hybride est la combinaison de deux procédés de soudage. Ont été étudiés en particulier le laser + TIG (Tungsten Inert Gaz), le laser + plasma ou le laser + GMAW (Gaz Metal Arc Welding). Le fait de combiner deux procédés permet de conserver certains de leurs avantages et à contrario d’éliminer leurs inconvénients tout en augmentant la productivité. Ces procédés hybrides sont cependant encore au stade de développement et sont peu matures industriellement.

La fabrication additive par soudage

Certains procédés de fabrication additive métallique utilisent le soudage pour la réalisation de pièces avec le principe de fabrication couche par couche. C’est en particulier le cas du WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) qui est basé sur le soudage TIG + robot 6 axes ou le laser cladding (laser + poudre). Ces nouvelles technologies additive sont en pleine évolution et offrent un fort potentiel d’innovations.

Facilité de soudage selon les procédés de fonderie

Le passage à l’état liquide dans la ZAT du cordon de soudure nécessite de ne pas avoir de porosités gazeuses dans la pièce. Si la soudure de pièces issues de moulage en sable, en coquille ou en cire perdue ne pose pas de problème particulier, la fonderie sous pression limite la soudabilité des pièces. Les pièces injectées ne seront soudables qu’avec l’apport de technologies de sous vide qui limitent très fortement la quantité de porosités internes. Seuls le soudage par résistance et le FSW, où il n’a pas passage à l’état liquide sont compatibles avec l’ensemble des process de fonderie.

Le soudage de pièces métalliques de natures différentes

On peut être amené à vouloir souder une pièce en aluminium sur une pièce métallique d’une autre nature (acier, fonte, …). Le mélange des 2 nuances d’alliages (aluminium / acier) dans la zone liquide de la ZAT va créer des phases intermétalliques qui rendront l’assemblage fragile. En évitant le passage à l’état liquide, le FSW et le soudage par friction permettent de souder des alliages de nature hétérogènes.

La simulation numérique du soudage

Simulation du procédé de soudage - source EC2-modelisation.
Simulation du procédé de soudage – source EC2-modelisation.

Les procédés de soudage peuvent être optimisés par simulation numérique, en amont de la fabrication par de nombreux codes de simulation. La simulation numérique vise à prédire les contraintes et déformations dans les joints soudés et les risques de défauts (criques, …).

Le choix d’une technologie de soudage

S’il existe de nombreuses techniques de soudage, elles sont utilisé dans l’industrie automobile de manière très diverses qui peuvent dépendre de leurs performances intrinsèques, mais aussi de la possibilité de réaliser des assemblages multi matériaux (acier/aluminium) ou de leur coût par pièce (prix des installations, automatisation, temps de cycle, consommable, …). Le soudage laser est de ce point de vue assez onéreux, même s’il permet une forte automatisation en production automobile alors que le soudage par résistance est sans doute le moins couteux (pas de consommable, …). Le MIG et le TIG sont deux procédés matures de loin les plus répandus. Enfin, le FSW est en forte croissance et offre de nombreux avantages (pas de passage en phase liquide, assemblage bi-matière).

Pour la mise au point de nouveaux procédés (WAAM, ….) ou l’optimisation des procédés existants, la caractérisation micrographique des joints soudés, les essais destructifs sur assemblages et la compréhension des phénomènes métallurgiques (présence de phases intermétalliques, …) en œuvre s’avère souvent indispensable.

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