FR3003491A1

FR3003491A1 - Soudage de feuillures aluminium par bossage.

Info

Publication number: FR3003491A1
Application number: FR1352498A
Authority: FR
Inventors: Thomas Lety; Joel Besnard; Philippe Brochard
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2014-09-26
Anticipated expiration: 2033-03-20
Also published as: FR3003491B1

Abstract

L'invention a pour objet un procédé de soudage par bossage d'un bord d'une première tôle en aluminium à une deuxième tôle en aluminium. Le procédé est remarquable en ce que le placement de bossages sur la première tôle permet en fin de compte de réduire la masse des pièces soudées. Ceci est réalisé par la diminution des zones de tolérances nécessaires à la localisation des points de soudures. L'invention a également pour objet une carrosserie automobile comprenant des éléments soudés à l'aide du procédé, ainsi qu'un véhicule automobile comprenant une telle carrosserie.

Description

SOUDAGE DE FEUILLURES ALUMINIUM PAR BOSSAGE L'invention a trait à un procédé de soudage par bossage. De manière plus spécifique, l'invention concerne un tel procédé pour joindre des pièces en aluminium et dans lequel les points de soudure sont définis par l'emplacement et la forme des bossages réalisés avant soudure. Le placement des points de soudure par rapport aux bords soudés et par rapport aux électrodes de soudage permet une réduction de masse au niveau des pièces soudées, ce qui est particulièrement souhaitable dans le domaine de la construction de véhicules automobiles. Le procédé de soudage est un procédé à chaud, sous pression et sans métal d'apport. Il consiste à échauffer localement les pièces à joindre par passage d'un courant électrique. La technique la plus utilisée est le soudage par résistance par points. Dans ce cas, les pièces à souder sont superposées et serrées localement entre deux électrodes et l'ensemble est traversé par un courant de soudage qui provoque une élévation de température. L'échauffement provoque la fusion localisée des deux pièces dans la zone située entre les deux électrodes, suivi de la formation d'un noyau de métal recristallisé. Il existe plusieurs procédés dérivés, dont le soudage par bossage. Les procédés utilisent l'effet Joule. Un conducteur parcouru par un courant électrique s'échauffe de manière proportionnelle à sa résistance électrique pour une intensité de courant donnée. Lors du soudage par bossage, une des pièces à joindre est pourvue d'au moins une protubérance appelée bossage, qui contacte la deuxième pièce et qui sert à focaliser l'effet du soudage. Pour des tôles en métal à grande conductivité thermique et présentant un bas point de fusion, tel que l'aluminium, il est difficile de maîtriser les dimensions des soudures et les effondrements, notamment en bord de tôle. En effet les soudures ont tendance à s'étendre fortement par rapport aux formes et dimensions des bossages initiaux. Cependant dans la construction automobile il est important de pouvoir assurer un assemblage de qualité de pièces en aluminium, qui est un métal préconisé en vertu notamment de sa légèreté.

Le document de brevet FR 2475442 décrit un procédé destiné à réaliser des bossages dans une tôle en aluminium en vue du soudage par résistance. Diverses formes de bossages sont décrites.

Le document de brevet US 6054668 décrit un procédé et un dispositif permettant de souder par bossages des feuilles non ferreuses superposées, en particulier des feuilles minces d'aluminium. L'une des feuilles présente une bosse, et les feuilles sont disposées de façon telle que l'extrémité de la bosse vient en contact d'une surface de l'autre feuille. Un ensemble à tête de soudage par bossages est disposé de manière que son électrode soit au contact de l'une des feuilles, et l'autre feuille est placée contre un renfort fixe ou une deuxième électrode. Le soudage est effectué en appliquant, en succession rapide, une série d'impulsions de courant électrique aux feuilles en contact.

Le document de brevet FR 2867740 décrit un toit de véhicule comportant un pavillon en aluminium ou en alliage d'aluminium relié sur chacun de ses bords longitudinaux à un arc de pavillon. Les feuillures sont reliées au rebord du pavillon par soudage.

Le document de brevet DE 3605115 décrit un procédé de soudage par résistance électrique par bossage. L'invention a pour objectif de proposer un procédé qui pallie au moins un des inconvénients sus mentionnés ou qui présente au moins une alternative aux procédés connus. Plus particulièrement, l'invention a pour objectif de proposer un procédé de soudage de tôles en aluminium, qui permet de réduire la masse des pièces soudées. L'invention a également pour objectif de proposer une carrosserie automobile ainsi qu'un véhicule comportant des éléments en aluminium soudés selon le procédé présenté.

L'invention a pour objet un procédé de soudage par bossage d'un bord d'une première tôle en aluminium à une deuxième tôle en aluminium, comprenant les étapes de : - recouvrement de la zone de soudage des deux tôles, la première tôle présentant au moins un bossage dirigé vers la deuxième tôle dans la zone de soudage; - soudage des deux tôles à l'aide d'un dispositif de soudage comprenant une paire d'électrodes de soudage aptes à pincer axialement les deux tôles sur au moins la partie de la zone de soudage comprenant ledit bossage. Le procédé est remarquable en ce que la distance entre l'axe du bossage et l'extrémité du bord de la première tôle est supérieure à la distance entre l'axe des électrodes et l'extrémité du bord de la première tôle. L'axe du bossage est ainsi décalé par rapport à l'axe des électrodes de soudage. Dans le contexte de la présente invention la notion d'aluminium comprend, comme de coutume dans l'art, des alliages d'aluminium ainsi que le métal à l'état pur. La hauteur du bossage peut de préférence être comprise entre 0.4 mm et 1 mm.

Le profil en section du bossage peut être triangulaire, trapézoïdale, en forme de demi-cercle ou de forme alternative, pour autant que la pointe du bossage définisse une surface de contact restreinte par rapport à la deuxième tôle. De préférence, le bossage peut s'étendre sur une distance d'au moins 5 mm le long dudit bord. Le bossage a dans ce cas une forme allongée ou oblongue. De manière avantageuse, le bossage peut s'étendre sur 9 mm lorsque le diamètre des électrodes de soudage utilisées lors de l'étape de soudage est de 12 mm. La distance entre l'axe du bossage et l'extrémité du bord de la première tôle peut de préférence être comprise entre 6 et 8 mm. Avantageusement, lorsque le diamètre des électrodes de soudage utilisées lors de l'étape de soudage est de 12 mm, la distance entre l'axe du bossage et l'extrémité du bord de la première tôle peut être de 7.2 mm.

L'étape de soudage comprend une étape de passage de courant électrique entre les électrodes. L'intensité du courant peut de préférence être comprise entre 25 et 35 kA.

De préférence, le courant peut circuler entre les électrodes et à travers le bossage pendant une durée de temps comprise entre 80 et 160 ms. L'étape de soudage comprend l'application d'une force de pinçage aux deux électrodes. L'intensité de la force peut de préférence être comprise entre 1600 et 2500 N. Avantageusement, la première et la deuxième tôle en aluminium peuvent être des feuillures d'éléments de carrosserie automobile.

L'invention a également pour objet une carrosserie automobile comprenant au moins deux tôles en aluminium soudées à l'aide du procédé de soudage conforme à l'invention.

L'invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant une carrosserie conforme à l'invention. Le procédé selon la présente invention permet de réduire la masse et les dimensions des pièces métalliques jointes par soudage. Le procédé trouve son utilité dans le soudage de feuillures de pièces en aluminium, et particulièrement dans le soudage de telles feuillures dans le domaine de la construction automobile. Le gain de masse est réalisé en utilisant un procédé de soudage par bossage, et en décalant l'emplacement des points de bossages le long du bord d'une feuillure à joindre par rapport à l'axe des électrodes de soudage. Cette technique requiert une zone de recouvrement plus restreinte des pièces à joindre par rapport à des techniques connues. Le bossage marque le lieu auquel le soudage est initié. Il devient ainsi moins contraignant de respecter des zones de tolérances prédéfinies dans lesquelles les points de soudures doivent être réalisés. Le placement exact et la géométrie des points de soudure deviennent reproductibles. Selon le même raisonnement, si le procédé selon l'invention est mis en oeuvre, les dimensions de ces zones de tolérance peuvent être réduites. En utilisant le procédé selon l'invention, il devient possible de réduire la masse des carrosseries automobiles comprenant des éléments structurels en aluminium ou en alliages d'aluminium. Ceci engendre une réduction des coûts de production. De manière indirecte, les véhicules résultants sont plus légers et consomment moins de carburant que des véhicules comparables qui ne profitent pas du gain de masse engendré par le procédé selon l'invention.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l'aide de la description et des dessins parmi lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement l'application d'un procédé de soudage connu ; - la figure 2 illustre schématiquement un point de soudage obtenu par un procédé de soudage connu ; - la figure 3 illustre schématiquement l'application d'une réalisation préférentielle du procédé de soudage selon l'invention ; - la figure 4 illustre les principales étapes du procédé de soudage selon l'invention. La figure 1 illustre deux tôles en aluminium 1, 2 qui sont sur le point d'être soudées le long de leur bord. Il s'agit par exemple de deux feuillures d'éléments structurels faisant partie d'une carrosserie automobile. Les deux tôles se recouvrent sur l'étendue de la zone prévue au soudage. Le procédé illustré est un procédé de soudage par résistance connu. De manière connue, deux électrodes 5, 7 reliées à un dispositif de soudage non-illustré, pincent dans un premier temps les deux tôles l'une contre l'autre. Dans un deuxième temps, un courant électrique traverse les électrodes et les interfaces première électrode- première tôle, première tôle-deuxième tôle, deuxième tôle-deuxième électrode. Les résistances de contact s'opposent au courant électrique et produisent un chauffage des tôles dans la zone de contact des électrodes. Le soudage des deux pièces s'effectue sous l'effet de la chaleur générée. La figure 2 illustre de manière schématique la zone de contact 50 entre l'électrode 5 et la tôle 1. La soudure se réalisé de manière aléatoire sur une partie de 51 ou 52 de la zone de contact 50. En effet le soudage est initié aléatoirement à un point quelconque de la zone 50. Sous l'effet de la chaleur la résistance en ce point augmente et la région avoisinante s'échauffe sous l'effet du courant passant.

La création d'un point de soudage 51, 52 de positionnement largement aléatoire, ainsi que l'importante conductivité thermique de l'aluminium nécessitent de prévoir des zones de tolérances symétriques autour de l'emplacement prévu du point de soudage. En référence à la figure 1, ceci se traduit de façon générale par une première zone de tolérance 6 s'étendant de l'extrémité du bord de feuillure 4 à l'axe principal 9 des électrodes, et par une deuxième zone de tolérance 8 qui s'étend de l'axe 9 vers l'intérieur de la tôle. Dans un exemple concret impliquant des électrodes d'un diamètre de 12 mm, la somme des largeurs des deux zones 6 et 8 est de 14,4 mm. La figure 3 illustre deux tôles en aluminium 10, 20 qui sont sur le point d'être soudées le long de leur bord. Il s'agit par exemple de deux feuillures d'éléments structurels faisant partie d'une carrosserie automobile. Les deux tôles se recouvrent sur l'étendue de la zone prévue au soudage. Le procédé illustré est une réalisation préférée du procédé de soudage par bossage selon l'invention. La première tôle 10 comprend un bossage 12 qui est caractérisé par son emplacement par rapport à l'extrémité du bord de tôle 14. Cet emplacement est illustré par la position de l'axe du bossage 19. Deux électrodes de soudage 30, 32 reliées à un dispositif de soudage non-illustré, pincent dans un premier temps les deux tôles l'une contre l'autre. Le premier point de contact est la pointe du bossage 12. Dans un deuxième temps, un courant électrique traverse les électrodes et les interfaces première électrode- première tôle, première tôle-deuxième tôle, deuxième tôle-deuxième électrode. Comme la surface de contact définie par la pointe du bossage 12 est nettement réduite par rapport à l'exemple de la figure 1, la résistance de contact à l'interface entre les deux tôles est augmentée. Les résistances de contact s'opposent au courant électrique et produisent un chauffage des tôles dans la zone de contact des électrodes. Comme la résistance de contact à l'interface des deux tôles est accrue, le soudage des deux pièces est initié d'abord au point de contact défini par le bossage 12.

Le bossage s'effondre généralement sous l'effet de la force de pinçage appliquée par les électrodes 30, 32 lors du soudage. Le point de soudage finalement obtenu dépasse généralement les dimensions du bossage 12 initial.

Néanmoins, le bossage 12 permet de positionner l'emplacement du point de soudage de manière reproductible, ce qui permet de réduire les zones de tolérances 16, 18 nécessaires autour du point de soudage. Afin d'éviter que le point de soudure résultant ne contacte l'extrémité du bord de tôle 14, l'emplacement du bossage est choisi tel que lors du soudage, la distance 16 entre l'extrémité du bord de tôle 14 et l'axe du bossage 19 est supérieure à la distance 36 entre l'extrémité du bord de tôle 14 et l'axe des électrodes 39. Il est clair que pour un emplacement préalablement donné du bossage, le procédé est mis en oeuvre par un décalage approprié des électrodes 30, 32.

La première zone de tolérance 16 s'étend de l'extrémité du bord de feuillure 14 à l'axe principal 19 du bossage. La deuxième zone de tolérance 18 s'étend de l'axe 19 vers l'intérieur de la tôle. Dans un exemple concret impliquant des électrodes d'un diamètre de 12 mm, la somme des largeurs des deux zones 16 et 18 est de 12,4 mm. Par rapport à l'exemple donné en relation avec le procédé illustré par la figure 1, le procédé selon l'invention permet donc un gain de masse d'aluminium de plus de 13%. Le diagramme de la figure 4 résume les principales étapes du procédé selon l'invention. L'étape 100 correspond à la mise en place des deux tôles en aluminium de façon à ce que la pointe du bossage sur la première tôle contacte la deuxième tôle. L'étape 200 correspond à l'étape de soudage décrite. Le bossage peut de préférence présenter une section de profil triangulaire, trapézoïdale ou en demi-cercle. Des formes alternatives sont envisageables. D'une part, la pointe du bossage présente de préférence une surface de contact restreinte par rapport à la deuxième tôle, ce qui augmente la résistance de contact et ce qui permet de mieux focaliser le point d'initiation du soudage.

D'autre part, la structure du bossage doit être telle que le bossage résiste au mieux au serrage avant le soudage sans s'effondrer. Des formes de tels bossages, ainsi que des procédés et dispositifs qui permettent de les réaliser sont en soi connu et seront à la portée de l'homme du métier.

De manière avantageuse, le bossage s'étend le long du bord de tôle à souder sur une longueur d'au moins 5 mm. Lorsque des électrodes de soudage d'un diamètre de 12 mm sont utilisées, le bossage peut avoir une longueur allant jusqu'à 9 mm pour une hauteur de pointe de 1 mm.

Le procédé décrit permet d'utiliser des dispositifs de soudage comparables à ceux utilisés pour le soudage de ferrages. Comme le bossage augmente la résistance de contact à l'interface des tôles à souder, l'intensité de courant appliquée n'est généralement pas plus importante que lors d'un soudage de ferrages. De préférence et de manière non limitative, le procédé utilise un courant d'intensité allant de 25 à 35 kA lors d'une durée comprise entre 80 et 160ms. A titre exemplaire, la force de pinçage appliquée aux tôles par les électrodes est de préférence comprise entre 1600 et 2500 N. Des dispositifs de soudage permettant l'application de telles contraintes sont connus dans l'art et seront à la portée de l'homme du métier. Le procédé selon l'invention est particulièrement avantageux dans l'assemblage d'éléments structurels en aluminium faisant partie d'une carrosserie automobile. Le procédé permet de s'affranchir au moins en partie des tolérances liées aux procédés de mise en conformité géométrique, et de réduire les largeurs de feuillure. Le gain de masse obtenu en appliquant le procédé résulte dans des véhicules allégés assemblés à cout réduit.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de soudage par bossage d'un bord d'une première tôle (10) en aluminium à une deuxième tôle (20) en aluminium, comprenant les étapes de : - recouvrement de la zone de soudage des deux tôles, la première tôle (10) présentant au moins un bossage (12) dirigé vers la deuxième tôle (20) dans la zone de soudage (100); - soudage des deux tôles à l'aide d'un dispositif de soudage comprenant une paire d'électrodes de soudage (30,32) aptes à pincer axialement les deux tôles sur au moins la partie de la zone de soudage comprenant ledit bossage (200); caractérisé en ce que la distance entre l'axe du bossage (19) et l'extrémité du bord de la première tôle (16) est supérieure à la distance entre l'axe des électrodes (39) et l'extrémité du bord de la première tôle (36). Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur du bossage (12) est comprise entre 0.4 mm et 1 mm. Procédé selon une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le bossage s'étend sur une distance d'au moins 5 mm le long dudit bord. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la distance entre l'axe du bossage et l'extrémité du bord de la première tôle (16) est comprise entre 6 et 8 mm. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape de soudage comprend une étape de passage de courant électrique entre les électrodes, l'intensité du courant étant comprise entre 25 et 35 kA. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le courant électrique circule pendant un durée de temps comprise entre 80 et 160 ms. 10 15
2. 203. 4. 25 5. 30 6.7. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape de soudage comprend l'application d'une force de pinçage aux deux électrodes, l'intensité de la force étant comprise entre 1600 et 2500 N. 8. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la première et la deuxième tôle en aluminium sont des feuillures d'éléments de carrosserie automobile. 9. Carrosserie automobile comprenant aux moins deux tôles en aluminium soudées à l'aide du procédé selon une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Véhicule automobile comprenant une carrosserie selon la revendication 9.