FR3039782A1 - Procede d’assemblage bout a bout de deux pieces cylindriques de materiaux differents - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé d'assemblage bout à bout de deux pièces cylindriques métalliques de caractéristiques différentes, comprenant une opération d'assemblage par emboitement d'une portion d'extrémité mâle (21) de l'une des pièces dans une portion d'extrémité femelle (31) de l'autre pièce, et une opération d'assemblage par soudage par friction malaxage par transparence des pièces emboitées au moyen d'un pion (40) de friction malaxage rotatif, le soudage étant effectué en procédant à au moins deux passes successives du pion (40) sur toute la circonférence de la portion d'extrémité femelle (31), le pion (40) étant appliqué, à chaque passe, sur la portion d'extrémité femelle (31) de façon à pénétrer le matériau de la portion d'extrémité femelle (31) jusqu'à atteindre la portion d'extrémité mâle (21) de sorte à créer une zone malaxée (5) comprenant des intermétalliques, chaque passe étant décalée axialement avec la passe précédemment réalisée.
Description
PROCEDE D’ASSEMBLAGE BOUT A BOUT DE DEUX PIECES CYLINDRIQUES DE MATERIAUX DIFFERENTS
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
[001] L’invention concerne le domaine de l’assemblage par soudage de pièces de matériaux métalliques de caractéristiques physico chimiques différentes. Ces différences de caractéristiques ne permettent pas de réaliser des soudures bimétalliques par voie liquide. Un exemple de deux matériaux ayant des caractéristiques physico chimiques éloignées est celui du couple Acier Inoxydable/ Alliage d’aluminium. Ces deux matériaux ne sont pas soudables ensembles par voie liquide.
[002] L’invention concerne plus particulièrement un procédé d’assemblage par friction malaxage par transparence de deux pièces cylindriques en matériau métallique ou en alliage métallique présentant des caractéristiques différentes, lesdites pièces cylindriques étant disposées bout à bout.
[003] Le procédé selon l’invention est destiné notamment, mais non exclusivement, à la réalisation de structures tubulaires bi-composant.
ETAT DE LA TECHNIQUE
[004] De manière connue, la soudure par friction malaxage consiste à déplacer selon un chemin continu situé à l’interface entre les deux matériaux, un pion rotatif pour amener les deux métaux à un état pâteux ou proche de l’état pâteux (400°C pour aluminium, 800°C pour l’acier inoxydable). Cette opération est réalisée à l’aide d’un pion de l’épaisseur du cordon de soudure à réaliser, présentant par exemple une forme à trois facettes avec une légère conicité et éventuellement un pas de vis pour forcer les matériaux soudés vers le fond de soudure. Ce pion avance en poussant la matière à l’état pâteux pour l’amener dans le trou formé dans son sillage.
[005] Par friction malaxage par « transparence », on entend le fait que le pion rotatif de soudure pénètre par son extrémité dans un premier temps uniquement le premier matériau plus malléable, de température de fusion et/ou de résistance mécanique moindre, le traverse et atteigne le deuxième matériau sous-jacent. Les deux matériaux sont donc superposés avant la soudure, au moins localement.
[006] La thèse « Soudage par friction-malaxage ; Aluminium ; 2014 T6 ; 6061 T6»Date de publication soutenue le 13 décembre 2012 à l’université Catholique de Louvain « UCL - SST/IMMC/IMAP - Materials and process » par Bruno de Meester de Betzenbroeck, et Aude Simar accessible sous le lien internet http://dial.academielouvain.be/handle/boreal: 120112?site_name=UCL présente la technique de soudage par friction-malaxage. Son contenu est incorporé dans la présente demande de brevet par sa désignation.
[007] On connaît des demande W02015/033073 et W02015/033074 déposées par la Demanderesse, des procédés de soudage par friction malaxage par transparence de deux matériaux métalliques ou d’alliages métalliques différents. Les procédés décrits se rapportent cependant soit à l’assemblage de plaques (plaque d’acier et plaque d’aluminium), soit à l’assemblage d’une pièce tubulaire en aluminium avec une bordure périphérique en acier inoxydable ménagée à l’extrémité de celle-ci.
[008] Les procédés décrits dans ces demandes ne permettent cependant pas de réaliser l’assemblage de pièces cylindriques positionnées bout à bout.
[009] L’invention vise à répondre à cette problématique en proposant un procédé permettant d’assembler bout à bout des pièces métalliques ou d’alliages métalliques de natures différentes de manière simple et rapide tout en réduisant la présence de défauts pouvant être par la suite à l’origine de fissures et/ou de ruptures.
[0010] Le procédé a également pour but de permettre la réalisation de structures, notamment tubulaires, étanches et présentant une résistance mécanique satisfaisante.
OBJET DE L’INVENTION
[0011] A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention propose un procédé d’assemblage bout à bout de deux pièces cylindriques en matériau métallique ou en alliage métallique de comportements différents, le procédé comprenant une opération d’assemblage par emboîtement d’une portion d’extrémité mâle de l’une des pièces dans une portion d’extrémité femelle de l’autre pièce, et une opération d’assemblage par soudage par friction malaxage par transparence des pièces emboîtées au moyen d’un pion de friction malaxage rotatif, la pièce recevant la portion d’extrémité mâle de l’autre pièce étant réalisée dans un matériau se transformant plus vite à l’état pâteux sous l’effet de la rotation du pion que le matériau de la pièce présentant la portion d’extrémité mâle, et le soudage étant effectué en procédant à au moins deux passes successives du pion sur toute la circonférence de la portion d’extrémité femelle, le pion étant appliqué, à chaque passe, sur la portion d’extrémité femelle de façon à pénétrer le matériau de la portion d’extrémité femelle jusqu’à atteindre la portion d’extrémité mâle de sorte à créer une zone malaxée comprenant des intermétalliques, chaque passe étant décalée axialement avec la passe précédemment réalisée.
[0012] Avantageusement, chaque passe du pion est réalisée de manière à ce que ce dernier chevauche partiellement la zone malaxée formée lors de la passe précédente du pion.
[0013] Avantageusement, chaque passe du pion est réalisée de manière à ce que ce dernier chevauche entre 5% et 20% de la zone malaxée formée lors de la passe précédente du pion.
[0014] Il peut être prévu également, préalablement à l’opération de soudage, une étape de préparation des pièces, comprenant la formation d’au moins une rainure d’accroche sur la portion d’extrémité mâle. Avantageusement, la portion d’extrémité mâle est arrangée pour présenter au moins deux rainures d’accroche s’étendant chacune sur toute sa périphérie, lesdites rainures étant décalées axialement l’une de l’autre.
[0015] Il peut être également prévu une opération de préparation des pièces, préalablement à l’opération de soudage, comprenant une opération de réalisation sur la portion d’extrémité femelle d’au moins un bourrelet de matière, ledit bourrelet étant agencé de façon à s’étendre en vis-à-vis de la rainure. Avantageusement, la portion d’extrémité mâle comporte autant de bourrelets de matière que de rainures d’accroche.
[0016] Avantageusement, l’une au moins des pièces est pourvue d’une encoche de retenue coopérant avec une saillie, de forme complémentaire à l’encoche, ménagée sur l’autre pièce.
[0017] L’invention concerne également un procédé pour réaliser une structure tubulaire bimétallique consistant à assembler bout à bout une première pièce cylindrique avec une deuxième pièce cylindrique en matériau métallique ou en alliage métallique de comportements différents selon le procédé précédemment décrit, la deuxième pièce étant réalisée dans un matériau se transformant plus vite à l’état pâteux sous l’effet de la rotation du pion que le matériau de la première pièce, et réaliser un tournage intérieur de sorte à former un alésage axial traversant.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0018] D’autres objets et avantages de l’invention apparaîtront au cours de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique en perspective d’un exemple de structure cylindrique bi-composant réalisée suivant le procédé d’assemblage selon l’invention ; - la figure 2 représente une vue en coupe selon l’axe II-II de la structure cylindrique de la figure 1 avant l’opération de soudage malaxage par transparence ; - la figure 3 représente une vue de l’une des pièces constituant la structure cylindrique illustrée sur la figure 2 ; - la figure 4 représente une vue de l’autre pièce constituant la structure cylindrique illustrée sur la figure 2 ; - la figure 5 représente une vue de détail des pièces des figures 3 et 4, lesdites pièces étant représentées décalées l’une par rapport à l’autre ; - les figures 6 et 7 représentent des vues partielles de la structure bi-composante de la figure 2, le pion de friction malaxage étant montré respectivement en position de réalisation d’un premier tour de soudage et en position pour réaliser un deuxième tour de soudage ; - la figure 8 présente une photographie d’une vue en coupe des pièces emboîtées de la structure bi-composant après l’opération de soudage malaxage par transparence ; - les figures 9 et 10 représentent respectivement des vues en coupe d’un autre exemple de structure cylindrique bi-composante réalisée suivant le procédé d’assemblage selon l’invention, respectivement avant l’opération de soudage malaxage par transparence et après l’opération de soudage malaxage.
[0019] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires des différents modes de réalisation sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.
DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES
[0020] En relation avec les figures 1 à 8, il est décrit un exemple de structure 1 cylindrique bi-composant ainsi que le procédé mis en œuvre pour réaliser l’assemblage des pièces constituant ladite structure.
[0021] Dans le mode de réalisation illustrée, la structure 1 est formée de deux pièces cylindriques 2, 3 réalisées en des matériaux métalliques ou des alliages métalliques de caractéristiques différentes. L’une des pièces (sur la figure 1, il s’agit de la pièce de droite désignée par la référence 3) est réalisée dans un matériau présentant une température de fusion et/ou une résistance mécanique moindre que le matériau de l’autre pièce (sur la figure 1, il s’agit de la pièce de gauche désignée par la référence 2). Selon un exemple particulier, la structure 1 est formé d’une pièce cylindrique 2 en aluminium et d’une pièce cylindrique 3 en acier inoxydable, l’aluminium constituant le matériau de température de fusion et/ou de résistance mécanique moindre au regard de l’acier inoxydable.
[0022] Les pièces 2, 3 sont arrangées de manière à pouvoir s’emboîter l’une dans l’autre par leur extrémité emboîtées comme illustré sur la figure 2.
[0023] Plus particulièrement, la pièce 2 comporte un corps cylindrique 20 prolongé par une portion d’extrémité cylindrique 21 de diamètre inférieur à celui du corps cylindrique. Le corps cylindrique 20 et la portion d’extrémité cylindrique 21 sont reliés entre eux par un épaulement 22. Comme on le comprendra plus loin, l’épaulement 22 constitue une paroi de guidage du pion rotatif d’un outil de friction malaxage. La pièce 3 présente une portion d’extrémité pourvue d’un alésage intérieur 30 de forme complémentaire à la portion d’extrémité 21 de la pièce 2. L’épaulement présente de préférence une hauteur au moins égale à la moitié du diamètre du pion 40.
[0024] Ainsi configurées, lesdites pièces 2, 3 sont emboîtables l’une dans l’autre, la portion d’extrémité cylindrique 21 de la pièce 2 pénétrant dans l’alésage intérieur 30 de la pièce 3 ménagé en extrémité. La portion d’extrémité cylindrique 21 définit ainsi une portion d’extrémité mâle, désignée également de portion d’extrémité « emboîtée » ou « emboîtable » 21 selon que les pièces 2, 3 sont assemblées ou non, tandis que la portion d’extrémité 31 de la pièce 3 délimitant l’alésage intérieur 30 définit une portion d’extrémité femelle, désignée également de portion d’extrémité « d’emboîtement » 31.
[0025] La pièce 3 recevant la portion d’extrémité de l’autre pièce 2 est la pièce réalisée dans le matériau se transformant plus vite à l’état pâteux sous l’effet de la rotation du pion que le matériau de l’autre pièce 2. En l’espèce, la pièce 3 est en aluminium tandis que la pièce 2 destinée à être emboîtée dans la pièce 3 est en acier inoxydable.
[0026] Afin d’améliorer la tenue des deux pièces 1 et 2 l’une par rapport à l’autre, et d’éviter tout décrochage de la portion d’extrémité d’emboîtement 31, l’épaulement 22 annulaire sur lequel vient en butée la face d’extrémité 33 de la portion d’extrémité d’emboîtement 31 comporte au moins une encoche 23 s’étendant sur toute la longueur de l’épaulement 22, ladite face 33 d’extrémité de la portion d’extrémité d’emboîtement 31 présentant une forme complémentaire. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 5, l’encoche 23 et la face d’extrémité 33 de la portion d’extrémité d’emboîtement 31 présentent une forme en V.
[0027] En complément, il peut être prévu également une saillie circulaire périphérique ménagée sur la face d’extrémité de la portion d’extrémité emboîtée 21, ladite saillie 24 étant destinée à coopérer avec une encoche 34 de forme complémentaire ménagée sur la paroi 35 délimitant le fond de l’alésage 30. Dans le mode de réalisation illustré, l’encoche 34 et la saillie 24 présentent également une forme en V.
[0028] Avantageusement, les encoches 23, 34 sont formées pour présenter un angle d’ouverture comprise entre 70 et 80 degrés.
[0029] Une fois l’assemblage mécanique réalisé, il est procédé à la solidarisation de cet assemblage par une opération de soudure par friction malaxage par transparence des pièces 2, 3 entre elles au niveau de l’assemblage.
[0030] Pour ce faire, le pion 40 rotatif chauffant d’un outil de friction malaxage 4 est appliqué sur la surface extérieure 32 de la portion d’extrémité d’emboitement 31, dans l’exemple en aluminium, de façon à pénétrer et traverser l’aluminium devenu pâteux sous l’action du pion 40, jusqu’à entrer en contact avec la surface extérieure 22 de la portion d’extrémité emboîtée 21 en acier, comme illustré sur la figure 6. Au contact du pion 40 avec la surface 25 de la portion d’extrémité emboîtée 21 en acier, des particules d’acier sont arrachées de la surface 25 pour s’amalgamer, au voisinage de celle-ci, dans l’aluminium rendu pâteux, créant ainsi des aspérités sur la surface 25. Le pion 40 pénètre dans la surface 25 sur une distance comprise entre 0,1 et 0,5 millimètres. Sous l’effet de la poussée du pion, l’aluminium à l’état pâteux vient s’immiscer entre les aspérités de la surface 25 en acier, pour assurer, une fois durci, un ancrage ou accrochage mécanique avec l’acier. Il y aura également et très avantageusement présence d’une liaison de type ‘métallurgique’ entre les deux matériaux par l’intermédiaire des différentes couches de composées intermétalliques générées lors de la friction de l’extrémité du pion sur l’acier. La taille, la forme et l’état de ces composés intermétallique vont générer une continuité au niveau cristallographique entre les deux matériaux de base et ainsi pouvoir caractériser en grande partie le niveau de tenue mécanique et d’étanchéité de la soudure ainsi créée. Il peut être prévu cependant de créer les aspérités avant l’opération de soudage au cours d’une étape préliminaire de préparation de la pièce 2. Dans ce cas, le pion 40 viendra pousser l’aluminium à l’état pâteux sur la surface 25 de la portion d’extrémité emboîtée 21 mais sans entrer en contact avec celle-ci.
[0031] L’opération de soudage est débutée en positionnant le flanc du pion 40 contre l’épaulement 22. Elle est ensuite réalisée en procédant à au moins deux passes successives du pion 40 sur toute la circonférence de la portion d’extrémité d’emboitement 31, depuis l’épaulement 22. Par passe, on entend l’application du pion 40 sur l’aluminium et pénétration de celui-ci dans l’aluminium rendu pâteux jusqu’à venir frôler l’acier, et cela sur toute la circonférence de la portion d’extrémité d’emboîtement 31.
[0032] Chaque passe du pion 40 crée une zone malaxée 5 d’aluminium comprenant, au voisinage de la surface d’acier, des particules d’acier (intermétalliques). La zone ainsi malaxée définit la zone de soudure, la soudure s’opérant principalement à l’interface entre et la portion d’extrémité emboîtée 21 et la portion d’extrémité d’emboîtement 41.
[0033] A chaque passe, il est procédé à un déplacement axial du pion sur la portion d’extrémité d’emboîtement 31. On définit le terme « axial » en référence à la structure 1. Ainsi, chaque passe forme une zone malaxée 5 disposée de manière adjacente avec la zone malaxée 5 précédemment formée.
[0034] Chaque passe du pion 40 est réalisée de sorte que ce dernier chevauche partiellement la zone malaxée 5 formée lors de la passe précédente du pion 40. La figure 6 montre le chevauchement 6 du pion 40 sur la zone 5 venant d’être malaxée, ledit pion étant en position pour débuter la deuxième passe. L’avantage de procéder à un chevauchement des zones malaxées permet de renforcer l’étanchéité entre les deux pièces 2, 3 afin d’assurer la formation d’intermétalliques sur toute la largueur de la zone malaxée. Avantageusement, chaque passe du pion 40 est réalisée de manière à chevaucher entre 5% et 20% de la zone malaxée formée lors de la passe précédente du pion 40. Cette plage de valeurs permet de garantir l’étanchéité de la soudure sans détériorer la zone d’intermétalliques de la zone malaxée adjacente créée lors de la passe précédente.
[0035] La figure 8 montre une photographie d’une vue en coupe des parties emboîtées de la structure bi-composant après l’opération de soudage malaxage par transparence. Comme on peut le voir, l’opération de soudure a été réalisée en procédant à six passes successives (PI à P6) du pion sur toute la circonférence de la portion d’extrémité d’emboîtement 31.
[0036] Une fois le soudage effectué, et les pièces 1, 2 assemblées l’une à l’autre solidairement et de manière étanche, il est procédé à une opération de tournage intérieur pour former un alésage axial traversant de part en part les deux pièces 1 et 2 et ainsi obtenir une structure tubulaire ouverte à chacune de ses extrémités.
[0037] Les figures 9 et 10 illustrent un autre exemple de structure 10 bi-composant dans laquelle la portion d’extrémité emboîtée 21 comporte sur sa surface extérieure 25 deux rainures d’accroche 7 circulaires s’étendant chacune avantageusement sur toute la circonférence de la portion d’extrémité emboîtée 21. Ainsi, lors l’opération de soudage, les rainures d’accroche 7 sont remplies d’aluminium rendu pâteux, créant ainsi des points d’accroche de la portion d’extrémité d’emboîtement 31 en aluminium sur la portion d’extrémité emboîtée 21 n acier inoxydable. Cela permet ainsi d’éviter un glissement des pièces 2, 3 l’une par rapport à l’autre après soudage.
[0038] Afin de compenser le défaut de matière présent sur la portion d’extrémité emboîtée 21 du fait de la présence de rainures 7, la portion d’extrémité d’emboîtement 31 comporte avantageusement sur sa surface extérieure 32 des bourrelets de matière8 de forme sensiblement complémentaire aux rainures 7 de la portion d’extrémité emboîtée 21. Dans l’exemple illustré, les bourrelets forment des colliers de matière. Les bourrelets sont agencés de manière à s’étendre en vis-à-vis des rainures 7.
[0039] Ainsi, à l’issue de l’opération de soudage, les pièces en aluminium et en acier inoxydable 2, 3 présentent un diamètre extérieur sensiblement égal, le surplus d’aluminium présent sur la portion d’emboîtement ayant été déporté dans les zones malaxées d’aluminium pour compenser l’aluminium malaxé inséré dans les rainures 7 (figure 9).
[0040] Il est bien entendu évident que l’invention ne se limite pas à deux rainures d’accroche et bourrelets de matière, un nombre différent de rainures et de bourrelets pouvant être prévu sans sortir du cadre de l’invention.
[0041] L’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que l’homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention sans pour autant sortir du cadre de l’invention.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Procédé d’assemblage bout à bout de deux pièces (1, 2) cylindriques en matériau métallique ou en alliage métallique de caractéristiques différentes, le procédé comprenant : - une opération d’assemblage par emboîtement d’une portion d’extrémité mâle (21) de l’une des pièces (2) dans une portion d’extrémité femelle (31) de l’autre pièce (3), et - une opération d’assemblage par soudage par friction malaxage par transparence des pièces (1,2) emboîtées au moyen d’un pion (40) de friction malaxage rotatif, la pièce (3) recevant la portion d’extrémité mâle (21) de l’autre pièce (2) étant réalisée dans un matériau se transformant plus vite à l’état pâteux sous l’effet de la rotation du pion que le matériau de la pièce (2) présentant la portion d’extrémité mâle (21), et le soudage étant effectué en procédant à au moins deux passes successives du pion (40) sur toute la circonférence de la portion d’extrémité femelle (31), le pion (40) étant appliqué, à chaque passe, sur la portion d’extrémité femelle (31) de façon à pénétrer le matériau de la portion d’extrémité femelle (31) jusqu’à atteindre la portion d’extrémité mâle (21) de sorte à créer une zone malaxée (5) comprenant des intermétalliques, chaque passe étant décalée axialement avec la passe précédemment réalisée.
- 2. Procédé d’assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque passe du pion (40) est réalisée de manière à ce que ce dernier chevauche partiellement la zone malaxée formée lors de la passe précédente du pion.
- 3. Procédé d’assemblage selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque passe du pion (40) est réalisée de manière à ce que ce dernier chevauche entre 5% et 20% de la zone malaxée (5) formée lors de la passe précédente du pion (40).
- 4. Procédé d’assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de préparation des pièces (2, 3), préalablement à l’opération de soudage, comprenant une opération de formation d’au moins une rainure d’accroche (7) sur la portion d’extrémité mâle (21).
- 5. Procédé d’assemblage selon la revendication 4, caractérisé en ce que la portion d’extrémité mâle (21) est arrangée pour présenter au moins deux rainures d’accroche (7) s’étendant chacune sur toute sa périphérie, lesdites rainures (7) étant décalées axialement l’une de l’autre.
- 6. Procédé d’assemblage selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de préparation des pièces (2, 3), préalablement à l’opération de soudage, comprenant une opération de formation sur la portion d’extrémité femelle (21) d’au moins un bourrelet de matière (8), ledit bourrelet étant agencé de façon à s’étendre en vis-à-vis de la rainure (7).
- 7. Procédé d’assemblage selon la revendication 6, caractérisé en ce que la portion d’extrémité mâle (31) comporte autant de bourrelets de matière (8) que de rainures d’accroche (7).
- 8. Procédé d’assemblage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’une au moins des pièces (1,2) est pourvue d’une encoche (23, 34) de retenue coopérant avec une saillie (33, 24), de forme complémentaire à l’encoche associée, ménagée sur l’autre pièce (2, 3).
- 9. Procédé pour réaliser une structure tubulaire bimétallique consistant à : - assembler bout à bout une première pièce (2) cylindrique avec une deuxième pièce (3) cylindrique en matériau métallique ou en alliage métallique de caractéristiques différentes selon l’une quelconque des revendications précédentes, la deuxième pièce (3) étant réalisée dans un matériau se transformant plus vite à l’état pâteux sous l’effet de la rotation du pion (40) que le matériau de la première pièce (2), et - réaliser un tournage intérieur de sorte à former un alésage axial traversant.
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| US20040155094A1 (en) * | 2002-09-20 | 2004-08-12 | Kazutaka Okamoto | Joint of metallic materials connected at a joining zone |
| US20060231595A1 (en) * | 2005-04-14 | 2006-10-19 | James Florian Quinn | Method for friction stir welding of dissimilar materials |
| JP2009269058A (ja) * | 2008-05-08 | 2009-11-19 | Nippon Light Metal Co Ltd | 摩擦攪拌接合方法 |
| JP2011115801A (ja) * | 2009-12-01 | 2011-06-16 | Calsonic Kansei Corp | 摩擦攪拌接合方法、および摩擦攪拌接合部材 |
-
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