WO2015033074A1 - Method and appliance for the transparency friction stir welding of two metal materials or different metal alloys, and corresponding assembly - Google Patents

Method and appliance for the transparency friction stir welding of two metal materials or different metal alloys, and corresponding assembly Download PDF

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WO2015033074A1
WO2015033074A1 PCT/FR2014/052199 FR2014052199W WO2015033074A1 WO 2015033074 A1 WO2015033074 A1 WO 2015033074A1 FR 2014052199 W FR2014052199 W FR 2014052199W WO 2015033074 A1 WO2015033074 A1 WO 2015033074A1
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wall
pin
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pasty state
guide
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PCT/FR2014/052199
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Alain LOZACH
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Sominex
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Definitions

  • the present invention relates to the field of welding of two metallic materials or metal alloys, whose melting temperatures and / or whose mechanical strengths are different, by friction kneading by transparency.
  • the friction stir welding consists of moving in a continuous path located at the interface between the two materials, a rotary pin to bring the two metals to a pasty state or close to the pasty state (400 ° C for aluminum, 800 ° C for stainless steel). This operation is carried out using a pin of the thickness of the weld bead to be produced, having for example a three-facet shape with a slight taper and possibly a screw thread to force the first material towards the second
  • This pawn advances by pushing the material to the pasty state to bring it into the hole formed in its wake.
  • transparency is meant the fact that the rotating weld pin penetrates at its end in a first step only the first more malleable material, melting temperature and / or lower strength, crosses and reaches the second material under -Jacent, different process of friction stir welding of two materials put end to end.
  • Both materials are superimposed before welding, at least locally.
  • Friction stir welding was invented and patented in 1991 by Wayne Thomas, Welding Institute (TWI). From the outset, it has sought to overcome most of the defects inherent in fusion welding processes, mainly as regards the assembly of materials which are known to be difficult to weld, such as certain aluminum alloys. Friction-stir welding is now used more and more in various industrial fields, particularly in the aeronautical industry.
  • the direction of rotation of a probe of a connecting element is set to coincide with a direction of rotation R from the connecting element having a lower resistance to high temperature distortion to the connecting element having higher high temperature deformation resistance.
  • the rotating probe is then introduced into the contiguous part of the connecting elements. Said probe is advanced along the contiguous portion by being introduced into said contiguous portion to perform the friction stir bonding.
  • the resulting butt joint has a high bond strength.
  • the present invention proposes a process for welding two metallic materials or metal alloys by friction stirring by transparency, a rotary mixing friction punch which passes through the heating of a first material superimposed on a second material. , the first material becoming faster in the pasty state under the effect of the rotation of the punch.
  • the method comprises a preliminary step of producing within the second material a bottom wall (21) against which the pin is intended to push the first material to the pasty state during welding, and at least one lateral wall (22) for guiding the first material in the pasty state towards the bottom wall of the second material, and a step intended to create asperities on the bottom wall made in the second material,
  • the step of creating asperities on the bottom wall is carried out by driving the end of the rotary pin to a predetermined depth within the second material, the first material having a shape complementary to that forming the guide wall; and the bottom wall of the second material, the first and second materials being nested one inside the other by their complementary shapes prior to their friction stir welding.
  • the invention also relates to a friction stir welding apparatus for carrying out the above method, comprising a rotating pin provided with a prominent end.
  • the apparatus comprises means for positioning the end of the rotating pin with respect to the guide wall of the second material, so as to maintain the flank of the end of the rotary pin at a predetermined distance " d "of the guide wall.
  • the invention also relates to an assembly of two materials according to the above method, wherein the second material has in cross section a first shoulder between an upper wall and the guide wall, a second shoulder of width "d" corresponding to the gap between the side of the end of the punch and the guide wall, and a height "h” corresponding to the depth of insertion of the end of the pin in the second material, and a bottom wall with asperities, of the same width than the end of the rotating pawn.
  • the second material has in cross section two main portions of two different heights, separated by a discontinuity wall (31) constituting the guide wall, the upper wall (32) of the portion of lower height and close to the wall guide, constituting the bottom wall.
  • the second material comprises a second guide wall (41) of the first material in the pasty state towards the bottom wall (37) of the second material.
  • the second material has in cross section a flat shape provided with a groove (36, 37, 41) defining two opposite walls forming respectively the first and second guide walls of the first material, and a bottom wall. throat to which the first material in the pasty state is guided by the two guide walls.
  • the overlap zone between the first and the second material has a width equal to or greater than half the diameter of the end of the punch.
  • the guide wall is parallel to the blank of the solder pin.
  • the bottom wall is parallel to the bearing end of the solder pin.
  • the bottom wall and the guide wall form a right angle.
  • FIG. 1 represents a perspective view of a flange according to the invention
  • FIG. 2 represents a sectional and partial view of said flange
  • FIGS. 3 to 6 show schematic sectional views, respectively four embodiments of a weld according to the method of the invention
  • FIG. 7 is a diagrammatic sectional view of the bi-metallic flange according to the invention.
  • Figure 8 shows a scanning electron micrograph at the interface between aluminum and steel of the bi-metal flange according to the invention.
  • the process according to the invention allows the friction-stirring friction welding of two metallic materials or metal alloys, whose melting temperatures and / or whose mechanical strengths are different.
  • a rotational kneading friction punch presses its entire end on a first material superimposed locally on a second material, the first material having a lower melting temperature and / or mechanical strength than corresponding ones of the second material and transforming faster in the pasty state under the effect of the rotation of the punch, and being heated and traversed by the end of the punch.
  • the first material is pushed towards the solder bottom and thus to the second material with a higher melting temperature and / or mechanical resistance.
  • the first material of lower melting temperature and / or mechanical strength may be made of aluminum, while the second material is steel.
  • Aluminum is passed through to "brush" the surface of the steel and pull out steel particles that melt with the pasty aluminum.
  • the width of the weld is of the order of a few millimeters and its depth is less than one millimeter, it provides sealing and mechanical strength to a certain extent.
  • the method according to the invention provides, as illustrated in particular in Figure 2, to provide the material (3) melting temperature and / or mechanical strength the highest (in this case steel for the example used):
  • the first material ie aluminum in the illustrated example
  • the steel comprises, seen in section, a recess along its upper edge closest to the aluminum, a parallelepipedal recess defining a right angle between the guide wall (22 ) and the bottom wall (21).
  • the width of the bottom wall (21) is close to the radius of the cylindrical end (24) of the rotating pin.
  • the aluminum (4) comprises a shoulder 11 of complementary shape of the recess of the steel, and which is housed there.
  • the rotating peg (8) is applied at the beginning of the weld on the aluminum (4) above the shoulder 11 so that after its depression under the effect of the heating of the aluminum, at least half of its diameter bears on the bottom wall (21) formed in the steel (3).
  • the welding between the two materials takes place mainly at this interface.
  • the welding tool comes, after having passed through the aluminum in the pasty state, creating asperities on the bottom wall made in the second material.
  • the pin detaches by grinding by its rotation of steel chips, one end of which remains integral with the bottom wall. To do this, the end of the rotary peg penetrates the steel on a thin "h", ideally between 0.2 and 0.5 mm. Provision is made for this purpose that the end of the pin has a roughness sufficient to scratch the surface of the steel, during its rotation or detach the steel chips, a portion of which however retain an end secured to the bottom wall.
  • the asperities formed should project from a baseline of the bottom wall of the steel by at least 50 microns.
  • the aluminum in the pasty state will come, under the effect of the thrust of the end of the pin, to interfere between the asperities and the baseline of the bottom wall of the steel, so as to achieve times hardens, an anchoring or mechanical fastening between aluminum and steel.
  • the bottom wall may be provided with asperities, teeth, grooves or ribs, possibly in the form of a hook, or inclined, so as to be able to serve as means for locking the steel with respect to the aluminum.
  • the rotating pin will push the aluminum in the pasty state on the raised bottom wall of the steel without coming into contact therewith.
  • the height of the guide wall (22) is preferably at least half the diameter of the cylindrical end of the rotating pin.
  • the guide wall (22) is parallel to the blank of the punch. This guide wall (22) is located at a short distance from the outer generator of the welding tool, ideally between 0.01 and 0.2 mm. The bottom wall is also parallel to the bearing end of the punch.
  • the steel of the assembly resulting from this weld has in cross section a first shoulder between its upper wall and the guide wall, a second shoulder of width "d" corresponding to the gap between the sidewall of the end of the punch. and the guide wall, and a height "h” corresponding to the depth of depression of the end of the punch in the steel, and a bottom wall with asperities, the same width as the end of the rotary pin .
  • the peripheral edge (3) has holes (5) for the connecting bolt passage with a complementary flange. It also has a knife (6) adapted to seal with a complementary flange when interacting with a malleable intermediate seal.
  • the core (4) of aluminum is engaged in the peripheral portion (3) of stainless steel.
  • This mechanical engagement can be achieved by screwing, the core (4) and the peripheral edge (3) then having complementary threads. It can also be achieved by a force assembly type "hooping".
  • the assembly is then performed with machining tolerances, which prohibit its assembly by hand or even the press, by heating the peripheral edge (3) to cause a temporary expansion to put it on the heart by aluminum (4).
  • the aluminum core (4) can also be cooled with liquid nitrogen or dry ice to contract it and engage it in the hoop. It can also be achieved by a conventional mechanical bolting or riveting between the core (4) and the periphery (3).
  • the pin (8) is moved over an area overlapping the annular shoulder (11) with a depression exceeding the bottom of the annular groove (10), a depth of about 0.30 millimeters.
  • the upper shoulder of the kneading friction tool (8) also penetrates into the flat surface at the junction between aluminum and steel, a thickness of about 0.10 millimeters, in order to constrain the to fill the hole left in its wake and to promote the heating of the pawn.
  • the pin (8) is described by way of non-limiting example. Simpler pawns also work, but with a risk of lack of material in the weld bottom. This can be corrected by giving an angle to the pawn, which however complicates the machining.
  • the axis of rotation of the pin (8) may have a slight angle relative to the normal to the treated surface. This angle is between 2 and 4 °.
  • the pin optionally has an inverted screw thread pitch to "push" the material and not leave material gaps in the bottom of the weld.
  • the weld bead produced has a width substantially equal to the radius of the cylindrical end of the rotary pin since the overlapping surface of the two materials, and on which this end is applied, has a width coinciding with the radius of this end.
  • the friction stir welding completes a first step of mechanical assembly of the two components, but when such constraints do not exist, or when it is possible to make overlapping the two materials over a wider width than the radius of the cylindrical end of the rotating pin, it is possible to use only the friction stir welding as a means of attachment to one another of the two components.
  • the two components to be welded have, in cross-section, a plate shape, the aluminum plate 26 resting on the steel plate 27 which has two adjacent portions 28, 29 of two heights different H1, H2, separated from each other by a discontinuity wall 31 constituting the guide wall according to the invention, the upper wall 32 of the lower-height portion 29 and adjacent to the guide wall 31, constituting the bottom wall.
  • the aluminum plate 26 covers the entire surface of the steel plate and has complementary, two contiguous portions of different heights and a planar upper surface.
  • the weld is carried out above the discontinuity wall 31 on a surface of a width approximately equal to the diameter of the cylindrical end of the rotary pin, and thus having a higher mechanical strength.
  • the two aluminum plates 26 and steel plates 27 are not superimposed on one another with walls of complementary shape in contact, but contiguous to each other. other by their frontal edges which present complementary forms.
  • the front edge of the steel comprises an upper recess 34 defining for the steel plate an L-shaped cross section whose inner wall of the vertical branch constitutes the guide wall 36, and the inner wall of the horizontal branch, the bottom wall 37.
  • the front edge of the aluminum comprises a shoulder 38 (which has been crossed by the end of the punch in Figure 4) of complementary shape of the recess formed in the steel plate, and coming to cover the bottom wall 37 on a width corresponding to the diameter of the cylindrical end of the rotating pin.
  • the weld is carried out directly above the discontinuity wall 31 over a surface of a width approximately equal to the diameter of the cylindrical end of the rotary pin, and thus having superior mechanical strength. .
  • the front edges of the two steel and aluminum plates are also of complementary shapes in order to define a guiding wall of the aluminum in the pasty state and a supporting bottom wall, but in addition define a second guide wall 41 of the aluminum in the pasty state, opposite the first.
  • This second wall is formed by a portion of the front edge of the steel plate, hook-shaped in cross section, defining a U-shaped gallery whose opening is turned towards the upper wall, and in which is housed a hook of complementary shape defined in the front edge of the aluminum plate (the cylindrical end of the punch being shown as having passed through the hook portion of the aluminum plate in this Figure 6).
  • the height H on which the second guide wall extends is preferably greater than half the diameter of the cylindrical end of the rotary pin, being smaller than that of the first guide wall 36 which is approximately equal to the diameter of the the end of the rotating pin.
  • the lateral gap existing between the end of the rotary pin and each guide wall 36, 41 is between 0.01 and 0.2 mm.
  • the mechanical threading assembly 51 of the flange 3 and the core 4 can be made for example over a distance of 15 mm
  • the steel shoulder 52 on which the aluminum to the pasty state is pushed can extend over a width of 2 mm
  • the vertical wall of steel 53 perpendicular to the shoulder can extend over a length of 2.5 mm.
  • This vertical wall (but which can be inclined) 53 serves to guide the aluminum in the pasty state on the steel shoulder 52 to force the pasty aluminum to be inserted between the steel asperities created when the rotary peg rubs the surface of the steel shoulder 16.
  • the peg penetrates for example to a depth of 0.35 mm in the steel after passing through a height of 3 mm of aluminum.
  • FIG. 8 shows, by a photograph taken by a scanning microscope, the formation of intermetallics 54 at the interface between steel and aluminum, aluminum particles having interfered with each other between the steel asperities. created to form with these particles of steel a new phase.
  • the method according to the invention thus makes it possible to assemble an alloy of aluminum / stainless steel, both mechanically resistant and sealed, identically to a traditional TIG weld.
  • Sealing is achieved through the mechanical attachment resulting from the shape of the interface surface and the presence of a thin layer of intermetallic existing on the entire interface between the two materials.
  • the steel again has two aluminum-guiding walls in the pasty state towards the bottom wall, but these are made by means of a groove formed of from the upper surface of the parallelepipedal steel plate and the two opposite walls of which form the guide walls 36, 41, and the perpendicular intermediate wall, the bottom wall 37.
  • the aluminum plate has a complementary shape and thus a T-shaped cross-section, the central part of which fills the groove (it is represented by the cylindrical end of the rotating peg) and whose side parts are thinner. (About 2 to 4 mm thick, covers the upper surface of the steel plate.
  • the end of the rotary pin penetrates a depth of between 0.2 and 0.5 mm into the steel plate.
  • the clearance between this end and the guide wall or walls made in the steel is between 0.01 and 0.2 mm, in order to guarantee the guiding effect of the aluminum in the pasty state, while avoiding friction. between the steel and the end of the punch.
  • the height of the main guide wall is preferably greater than the diameter of the cylindrical end of the punch, and that of the secondary guide wall, when it is provided, is less than the height of the wall of the main guide and greater than half the diameter of the cylindrical end of the rotating pin.
  • the complementary shapes of the aluminum and steel plates are obtained by machining milling type for plates or turning type for flanges.

Abstract

The invention relates to a method for welding two metal materials or metal alloys (3, 4), the melting temperatures and/or the mechanical resistances of which are different, by means of transparency friction stir welding, a rotary friction stir welding pin (11) passing through, and heating, a first material (4) which superposes a second material (3), the first material (3) having a melting temperature and/or a mechanical resistance lower than those of the second material (4) and transforming more rapidly into a pasty state under the effect of the rotation of the welding pin. According to the invention, the method comprises a preliminary step of producing, in the second material (4), a bottom wall (21) whereon the pin (11) is to rub during the welding, and at least one side wall (22) for guiding the first material (3) in the pasty state towards the bottom wall of the second material (4). The application also relates to an associated appliance (8, 11) and assembly.

Description

PROCEDE ET APPAREIL DE SOUDAGE PAR FRICTION MALAXAGE PAR TRANSPARENCE DE DEUX MATERIAUX METALLIQUES OU D'ALLIAGES METALLIQUES DIFFERENTS ; ASSEMBLAGE CORRESPONDANT  METHOD AND APPARATUS FOR FRICTION WELDING MIXING BY TRANSPARENCY OF TWO METALLIC MATERIALS OR DIFFERENT METAL ALLOYS; CORRESPONDING ASSEMBLY
Domaine de 1 ' invention Field of the invention
La présente invention concerne le domaine du soudage de deux matériaux métalliques ou d'alliages métalliques, dont les températures de fusion et/ou dont les résistances mécaniques sont différentes, par friction malaxage par transparence. The present invention relates to the field of welding of two metallic materials or metal alloys, whose melting temperatures and / or whose mechanical strengths are different, by friction kneading by transparency.
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 le premier matériau vers le deuxième  The friction stir welding consists of moving in a continuous path located at the interface between the two materials, a rotary pin to bring the two metals to a pasty state or close to the pasty state (400 ° C for aluminum, 800 ° C for stainless steel). This operation is carried out using a pin of the thickness of the weld bead to be produced, having for example a three-facet shape with a slight taper and possibly a screw thread to force the first material towards the second
Ce pion avance en poussant la matière à l'état pâteux pour l'amener dans le trou formé dans son sillage.  This pawn advances by pushing the material to the pasty state to bring it into the hole formed in its wake.
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, procédé différent de la soudure par friction malaxage de deux matériaux mis bout à bout.  By "transparency" is meant the fact that the rotating weld pin penetrates at its end in a first step only the first more malleable material, melting temperature and / or lower strength, crosses and reaches the second material under -Jacent, different process of friction stir welding of two materials put end to end.
Les deux matériaux sont donc superposés avant la soudure, au moins localement.  Both materials are superimposed before welding, at least locally.
Etat de la technique State of the art
Le soudage par friction-malaxage a été inventé et breveté en 1991 par Wayne Thomas, au Welding institute (TWI). Il a eu, dès le départ, pour objectif de pallier la plupart des défauts inhérents aux procédés de soudage par fusion, principalement en ce qui concerne 1 ' assemblage de matériaux réputés difficilement soudables, comme certains alliages d'aluminium. Le soudage par friction-malaxage est aujourd'hui de plus en plus utilisé dans divers domaines industriels, et notamment dans l'industrie aéronautique. Friction stir welding was invented and patented in 1991 by Wayne Thomas, Welding Institute (TWI). From the outset, it has sought to overcome most of the defects inherent in fusion welding processes, mainly as regards the assembly of materials which are known to be difficult to weld, such as certain aluminum alloys. Friction-stir welding is now used more and more in various industrial fields, particularly in the aeronautical industry.
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  The thesis "Friction stir welding; Aluminum; 2014 T6; 6061 T6 »Date of publication supported on 13 December 2012 at the Catholic University of Louvain" UCL - SST / IMMC / IMAP - Materials and process "by Bruno de Meester of Betzenbroeck, and Aude Simar accessible under the web link
http : / /dial . académielouvain . be/handle/boréal : 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. http: / / dial. académielouvain. be / handle / boreal: 120112? site_name = UCL presents the technique of friction stir welding. Its contents are incorporated in this patent application by its designation.
La demande de brevet internationale WO200404962 présente un procédé de fabrication de joint d'about par friction-agitation .  International Patent Application WO200404962 discloses a method of making friction-butt joint.
Elle concerne deux éléments de liaison de résistance à la déformation à haute température différente sont posés bout à bout. Le sens de rotation d'une sonde d'un élément de liaison est réglé de façon à coïncider avec un sens de rotation R partant de l'élément de liaison présentant une plus faible résistance à déformation à haute température vers l'élément de liaison ayant une résistance à la déformation à haute température plus élevée. La sonde tournante est ensuite introduite dans la partie contiguë des éléments de liaison. Ladite sonde est avancée le long de la partie contiguë en étant introduite dans ladite partie contiguë pour exécuter la liaison par friction-agitation. Le joint d'about qui en résulte présente une force de liaison élevée. Inconvénients des solutions de l'art antérieur It relates to two different elements of resistance to deformation at different high temperature are laid end to end. The direction of rotation of a probe of a connecting element is set to coincide with a direction of rotation R from the connecting element having a lower resistance to high temperature distortion to the connecting element having higher high temperature deformation resistance. The rotating probe is then introduced into the contiguous part of the connecting elements. Said probe is advanced along the contiguous portion by being introduced into said contiguous portion to perform the friction stir bonding. The resulting butt joint has a high bond strength. Disadvantages of the solutions of the prior art
Les solutions de l'art antérieur présentent néanmoins l'inconvénient d'une faible connaissance des liaisons soudées en friction malaxage entre deux matériaux très hétérogènes, d'une résistance mécanique insuffisante pour supporter les efforts appliqués sur l'assemblage. The solutions of the prior art nevertheless have the disadvantage of a poor knowledge of friction stir welded connections between two highly heterogeneous materials, of insufficient mechanical strength to withstand the forces applied to the assembly.
En raison des problèmes de rémanence et de migration du carbone que posent les pièces en acier, il est apparu souhaitable de passer à des pièces en aluminium, qui présentent toutefois des problèmes de soudage en raison de la formation d'alumine (oxyde d'aluminium) et de la présence résiduelle d'humidité créant des hétérogénéités et fissures.  Due to the problems of persistence and carbon migration posed by steel parts, it appeared desirable to switch to aluminum parts, which however have problems of welding due to the formation of alumina (aluminum oxide ) and the residual presence of humidity creating heterogeneities and cracks.
La réalisation d'assemblages bimétalliques acier/ aluminium selon les techniques connues de brasage ou de friction pure ne sont pas totalement adaptées car l'aluminium se dilate plus que l'acier.  The realization of bimetallic steel / aluminum assemblies according to the known techniques of soldering or pure friction are not fully adapted because aluminum expands more than steel.
Solutions apportée par l'invention Solutions brought by the invention
Afin de remédier à cet inconvénient, la présente invention propose un procédé de soudage de deux matériaux métalliques ou d'alliages métalliques, par friction malaxage par transparence, un poinçon de friction malaxage rotatif venant traverser en le chauffant un premier matériau superposé à un deuxième matériau, le premier matériau se transformant plus vite à l'état pâteux sous l'effet de la rotation du poinçon . In order to remedy this drawback, the present invention proposes a process for welding two metallic materials or metal alloys by friction stirring by transparency, a rotary mixing friction punch which passes through the heating of a first material superimposed on a second material. , the first material becoming faster in the pasty state under the effect of the rotation of the punch.
Selon l'invention, le procédé comprend une étape préliminaire de réalisation au sein du deuxième matériau d'une paroi de fond (21) contre laquelle le pion est destiné à pousser le premier matériau à l'état pâteux lors de la soudure, et d'au moins une paroi latérale (22) de guidage du premier matériau à l'état pâteux vers la paroi de fond du deuxième matériau, et - une étape visant à créer des aspérités sur la paroi de fond réalisée dans le deuxième matériau, According to the invention, the method comprises a preliminary step of producing within the second material a bottom wall (21) against which the pin is intended to push the first material to the pasty state during welding, and at least one lateral wall (22) for guiding the first material in the pasty state towards the bottom wall of the second material, and a step intended to create asperities on the bottom wall made in the second material,
le premier matériau venant, sous l'effet de la poussée de l'extrémité du pion, s'immiscer entre les aspérités et la paroi de fond de façon à réaliser une fois durci, un ancrage entre le premier et le deuxième matériau.  the first material coming, under the effect of the thrust of the end of the pin, to interfere between the asperities and the bottom wall so as to make once cured, an anchoring between the first and the second material.
Selon d'autres caractéristiques intéressantes de l'invention : According to other interesting features of the invention:
- l'étape de création d'aspérités sur la paroi de fond s'effectue par enfoncement de l'extrémité du pion rotatif sur une profondeur prédéterminée au sein du deuxième matériau, le premier matériau présente une forme complémentaire de celle formant la paroi de guidage et la paroi de fond du deuxième matériau, les premier et deuxième matériaux étant emboîtés l'un dans l'autre par leurs formes complémentaires avant leur soudage par friction malaxage par transparence . the step of creating asperities on the bottom wall is carried out by driving the end of the rotary pin to a predetermined depth within the second material, the first material having a shape complementary to that forming the guide wall; and the bottom wall of the second material, the first and second materials being nested one inside the other by their complementary shapes prior to their friction stir welding.
L'invention concerne également un appareil de soudage par friction malaxage pour la mise en œuvre du procédé ci-dessus, comprenant un pion rotatif pourvu d'une extrémité proéminente. Selon l'invention, l'appareil comprend un moyen de positionnement de l'extrémité du pion rotatif vis à vis de la paroi de guidage du deuxième matériau, de façon à maintenir le flanc de l'extrémité du pion rotatif à une distance prédéterminée « d » de la paroi de guidage. The invention also relates to a friction stir welding apparatus for carrying out the above method, comprising a rotating pin provided with a prominent end. According to the invention, the apparatus comprises means for positioning the end of the rotating pin with respect to the guide wall of the second material, so as to maintain the flank of the end of the rotary pin at a predetermined distance " d "of the guide wall.
L'invention concerne aussi un assemblage de deux matériaux selon le procédé ci-dessus, dans lequel le deuxième matériau présente en section transversale un premier épaulement entre une paroi supérieure et la paroi de guidage, un second épaulement de largeur « d » correspondant à l'écart entre le flanc de l'extrémité du poinçon et la paroi de guidage, et d'une hauteur « h » correspondant à la profondeur d'enfoncement de l'extrémité du pion dans le deuxième matériau, et une paroi de fond à aspérités, de même largeur que l'extrémité du pion rotatif. The invention also relates to an assembly of two materials according to the above method, wherein the second material has in cross section a first shoulder between an upper wall and the guide wall, a second shoulder of width "d" corresponding to the gap between the side of the end of the punch and the guide wall, and a height "h" corresponding to the depth of insertion of the end of the pin in the second material, and a bottom wall with asperities, of the same width than the end of the rotating pawn.
De préférence, le deuxième matériau présente en section transversale deux portions principales de deux hauteurs différentes, séparées par une paroi de discontinuité (31) constituant la paroi de guidage, la paroi supérieure (32) de la portion de moindre hauteur et proche à la paroi de guidage, constituant la paroi de fond. Preferably, the second material has in cross section two main portions of two different heights, separated by a discontinuity wall (31) constituting the guide wall, the upper wall (32) of the portion of lower height and close to the wall guide, constituting the bottom wall.
Idéalement, le deuxième matériau comprend une deuxième paroi de guidage (41) du premier matériau à l'état pâteux vers la paroi de fond (37) du deuxième matériau. Ideally, the second material comprises a second guide wall (41) of the first material in the pasty state towards the bottom wall (37) of the second material.
Dans ce cas par exemple, le deuxième matériau présente en section transversale une forme plate pourvue d'une gorge (36, 37, 41) définissant deux parois opposées formant respectivement les première et deuxième parois de guidage du premier matériau, et une paroi de fond de gorge vers laquelle le premier matériau à l'état pâteux est guidé par les deux parois de guidage. In this case for example, the second material has in cross section a flat shape provided with a groove (36, 37, 41) defining two opposite walls forming respectively the first and second guide walls of the first material, and a bottom wall. throat to which the first material in the pasty state is guided by the two guide walls.
Selon une caractéristique intéressante, la zone de recouvrement entre le premier et le deuxième matériau présente une largeur égale ou supérieure à la moitié du diamètre de l'extrémité du poinçon. According to an advantageous characteristic, the overlap zone between the first and the second material has a width equal to or greater than half the diameter of the end of the punch.
Avantageusement, la paroi de guidage est parallèle au flan du pion de soudure.  Advantageously, the guide wall is parallel to the blank of the solder pin.
De préférence, la paroi de fond est parallèle à l'extrémité d'appui du pion de soudure.  Preferably, the bottom wall is parallel to the bearing end of the solder pin.
Idéalement, la paroi de fond et la paroi de guidage forment un angle droit. Description détaillée d'un exemple non limitatif de Ideally, the bottom wall and the guide wall form a right angle. Detailed description of a non-limiting example of
réalisation  production
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant un exemple non limitatif de l'invention, se référant aux dessins annexés où : The present invention will be better understood on reading the description which follows, relating to a non-limiting example of the invention, with reference to the appended drawings in which:
- la figure 1 représente une vue en perspective d'une bride selon l'invention FIG. 1 represents a perspective view of a flange according to the invention
la figure 2 représente une vue en coupe et partielle ladite bride  FIG. 2 represents a sectional and partial view of said flange
- les figures 3 à 6 représentent par des vues schématiques en coupe, respectivement quatre modes de réalisation d'une soudure selon le procédé de l'invention,  FIGS. 3 to 6 show schematic sectional views, respectively four embodiments of a weld according to the method of the invention;
- la figure 7 illustre par une vue schématique en coupe la bride bi-métallique selon l'invention,  FIG. 7 is a diagrammatic sectional view of the bi-metallic flange according to the invention,
la figure 8 montre une photographie par microscope à balayage d'électron à l'interface entre l'aluminium et l'acier de la bride bi-métallique selon 1 ' invention .  Figure 8 shows a scanning electron micrograph at the interface between aluminum and steel of the bi-metal flange according to the invention.
Le procédé selon l'invention, tel qu'illustré sur les figures 2 à 6, permet le soudage par friction malaxage par transparence, de deux matériaux métalliques ou d'alliages métalliques, dont les températures de fusion et/ou dont les résistances mécaniques sont différentes. The process according to the invention, as illustrated in FIGS. 2 to 6, allows the friction-stirring friction welding of two metallic materials or metal alloys, whose melting temperatures and / or whose mechanical strengths are different.
Selon le procédé de soudure par friction malaxage par transparence, un poinçon de friction malaxage rotatif vient appuyer par toute son extrémité sur un premier matériau superposé localement à un deuxième matériau, le premier matériau présentant une température de fusion et/ou une résistance mécanique moindres que celles correspondante du deuxième matériau et se transformant plus vite à l'état pâteux sous l'effet de la rotation du poinçon, et venant à être chauffé et traversé par l'extrémité du poinçon. Dans ce cas, le premier matériau est poussé vers le fond de soudure et donc vers le deuxième matériau à température de fusion et/ou résistance mécanique plus élevée. According to the friction stir welding method, a rotational kneading friction punch presses its entire end on a first material superimposed locally on a second material, the first material having a lower melting temperature and / or mechanical strength than corresponding ones of the second material and transforming faster in the pasty state under the effect of the rotation of the punch, and being heated and traversed by the end of the punch. In this case, the first material is pushed towards the solder bottom and thus to the second material with a higher melting temperature and / or mechanical resistance.
Typiquement, le premier matériau de température de fusion et/ou de résistance mécanique moindres, peut être constitué par de l'aluminium, alors que le deuxième matériau est de l'acier.  Typically, the first material of lower melting temperature and / or mechanical strength, may be made of aluminum, while the second material is steel.
On traverse l'aluminium pour « frôler » la surface de l'acier et arracher des particules d'acier qui s'amalgament avec l'aluminium pâteux.  Aluminum is passed through to "brush" the surface of the steel and pull out steel particles that melt with the pasty aluminum.
La largeur de la soudure est de l'ordre de quelques millimètres et sa profondeur est inférieure au millimètre, cela assure l'étanchéité et la tenue mécanique dans une certaine mesure.  The width of the weld is of the order of a few millimeters and its depth is less than one millimeter, it provides sealing and mechanical strength to a certain extent.
Pour notamment améliorer la tenue mécanique d'une telle soudure entre matériaux différents, le procédé selon l'invention prévoit, tel qu'illustré notamment sur la figure 2, de doter le matériau (3) de température de fusion et/ou de résistance mécanique les plus élevées (en l'occurrence l'acier pour l'exemple utilisé) :  In particular to improve the mechanical strength of such a weld between different materials, the method according to the invention provides, as illustrated in particular in Figure 2, to provide the material (3) melting temperature and / or mechanical strength the highest (in this case steel for the example used):
- d'une paroi de fond (21) sur laquelle le poinçon est destiné à frotter lors de la soudure, et  a bottom wall (21) on which the punch is intended to rub during the welding, and
- d'au moins une paroi latérale de guidage (22) du premier matériau à l'état pâteux vers la paroi de fond (21) du deuxième matériau,  at least one guide side wall (22) of the first material in the pasty state towards the bottom wall (21) of the second material,
et de pourvoir le premier matériau (c'est à dire l'aluminium dans l'exemple illustré, d'une forme complémentaire de cette paroi de fond et cette paroi de guidage .  and to provide the first material (ie aluminum in the illustrated example) with a shape complementary to this bottom wall and this guide wall.
Ainsi, dans l'exemple illustré sur la figure 2, l'acier comprend, vu en coupe, un renfoncement le long de son bord supérieur le plus proche de l'aluminium, renfoncement parallélépipédique définissant un angle droit entre la paroi de guidage (22) et la paroi de fond (21). La largeur de la paroi de fond (21) est proche du rayon de l'extrémité cylindrique (24) du pion rotatif. Thus, in the example illustrated in FIG. 2, the steel comprises, seen in section, a recess along its upper edge closest to the aluminum, a parallelepipedal recess defining a right angle between the guide wall (22 ) and the bottom wall (21). The width of the bottom wall (21) is close to the radius of the cylindrical end (24) of the rotating pin.
L'aluminium (4) comprend un épaulement 11 de forme complémentaire du renfoncement de l'acier, et qui vient s'y loger.  The aluminum (4) comprises a shoulder 11 of complementary shape of the recess of the steel, and which is housed there.
Le pion rotatif (8) vient s'appliquer en début de soudure sur l'aluminium (4) au dessus de l' épaulement 11 de façon que suite à son enfoncement sous l'effet de 1 'échauffement de l'aluminium, au moins la moitié de son diamètre prenne appui sur la paroi de fond (21) formée dans l'acier (3). La soudure entre les deux matériaux s'opère principalement à cette interface .  The rotating peg (8) is applied at the beginning of the weld on the aluminum (4) above the shoulder 11 so that after its depression under the effect of the heating of the aluminum, at least half of its diameter bears on the bottom wall (21) formed in the steel (3). The welding between the two materials takes place mainly at this interface.
L'outil de soudure vient, après avoir traversé l'aluminium à l'état pâteux, créer des aspérités sur la paroi de fond réalisée dans le deuxième matériau. Le pion détache en broyant par sa rotation des copeaux d'acier dont une extrémité reste solidaire de la paroi de fond. Pour ce faire, l'extrémité du pion rotatif pénètre dans l'acier sur une faible épaisseur « h », idéalement comprise entre 0.2 et 0.5 mm. On prévoit à cet effet que l'extrémité du pion présente une rugosité suffisante pour rayer la surface de l'acier, lors de sa rotation voire détacher des copeaux d'acier dont une partie conserverait toutefois une extrémité solidaire de la paroi de fond. Idéalement, les aspérités formées devront faire saillie d'une ligne de base de la paroi de fond de l'acier d'au moins 50 microns.  The welding tool comes, after having passed through the aluminum in the pasty state, creating asperities on the bottom wall made in the second material. The pin detaches by grinding by its rotation of steel chips, one end of which remains integral with the bottom wall. To do this, the end of the rotary peg penetrates the steel on a thin "h", ideally between 0.2 and 0.5 mm. Provision is made for this purpose that the end of the pin has a roughness sufficient to scratch the surface of the steel, during its rotation or detach the steel chips, a portion of which however retain an end secured to the bottom wall. Ideally, the asperities formed should project from a baseline of the bottom wall of the steel by at least 50 microns.
L'aluminium à l'état pâteux viendra, sous l'effet de la poussée de l'extrémité du pion, s'immiscer entre les aspérités et la ligne de base de la paroi de fond de l'acier, de façon à réaliser une fois durcit, un ancrage ou accrochage mécanique entre l'aluminium et l'acier.  The aluminum in the pasty state will come, under the effect of the thrust of the end of the pin, to interfere between the asperities and the baseline of the bottom wall of the steel, so as to achieve times hardens, an anchoring or mechanical fastening between aluminum and steel.
Une autre façon de créer ces aspérités, pourrait consister, non plus à le faire durant la soudure par le pion, mais durant la préparation de l'acier : dans le même temps qu'il est doté d'une paroi de fond et d'une paroi de guidage, on pourra pourvoir la paroi de fond d'aspérités, de dents, de rainures ou de nervures, éventuellement en forme de crochet, ou inclinées, de façon à pouvoir servir de moyens de verrouillage de l'acier vis à vis de l'aluminium. Dans ce cas, le pion rotatif viendra pousser l'aluminium à l'état pâteux sur la paroi de fond à reliefs de l'acier sans entrer en contact avec celle-ci. Another way of creating these asperities, could consist, not to do it during the welding by the pawn, but during the preparation of the steel: at the same time that it is endowed with a wall of bottom and of a guide wall, the bottom wall may be provided with asperities, teeth, grooves or ribs, possibly in the form of a hook, or inclined, so as to be able to serve as means for locking the steel with respect to the aluminum. In this case, the rotating pin will push the aluminum in the pasty state on the raised bottom wall of the steel without coming into contact therewith.
La hauteur de la paroi de guidage (22) représente de préférence au moins la moitié du diamètre de l'extrémité cylindrique du pion rotatif.  The height of the guide wall (22) is preferably at least half the diameter of the cylindrical end of the rotating pin.
On remarque sur cette même figure que la paroi de guidage (22) est parallèle au flan du poinçon. Cette paroi de guidage (22) est située à une faible distance de la génératrice extérieure de l'outil de soudure, idéalement comprise entre 0.01 et 0.2 mm. La paroi de fond est par ailleurs parallèle à l'extrémité d'appui du poinçon.  Note in this same figure that the guide wall (22) is parallel to the blank of the punch. This guide wall (22) is located at a short distance from the outer generator of the welding tool, ideally between 0.01 and 0.2 mm. The bottom wall is also parallel to the bearing end of the punch.
L'acier de l'assemblage résultant de cette soudure présente en section transversale un premier épaulement entre sa paroi supérieure et la paroi de guidage, un second épaulement de largeur « d » correspondant à l'écart entre le flanc de l'extrémité du poinçon et la paroi de guidage, et d'une hauteur « h » correspondant à la profondeur d'enfoncement de l'extrémité du poinçon dans l'acier, et une paroi de fond à aspérités, de même largeur que l'extrémité du pion rotatif.  The steel of the assembly resulting from this weld has in cross section a first shoulder between its upper wall and the guide wall, a second shoulder of width "d" corresponding to the gap between the sidewall of the end of the punch. and the guide wall, and a height "h" corresponding to the depth of depression of the end of the punch in the steel, and a bottom wall with asperities, the same width as the end of the rotary pin .
La configuration telle que décrite ci-dessus, dans laquelle un épaulement de l'aluminium repose sur un renfoncement complémentaire de l'acier et y est soudé, est particulièrement adaptée pour la soudure des deux composants d'une pièce bimétallique pour enceinte à vide composée d'un cœur tubulaire en aluminium (4) et d'une bordure annulaire périphérique en acier inoxydable (3), telle que représentée sur la figure 1. Cette bride ( 1 ) pour enceinte à vide est destinée à être soudée sur un tube en aluminium (2) au niveau d'une ligne de soudure aluminium-aluminium ( 7 ) . The configuration as described above, in which a shoulder of the aluminum rests on a recess complementary to the steel and is welded to it, is particularly suitable for welding the two components of a bimetallic part for a compound vacuum chamber. an aluminum tubular core (4) and a peripheral annular rim of stainless steel (3), as shown in FIG. This flange (1) for vacuum enclosure is intended to be welded to an aluminum tube (2) at an aluminum-aluminum welding line (7).
La bordure périphérique (3) présente des perçages (5) pour le passage de boulon de liaison avec une bride complémentaire. Elle présente également un couteau (6) apte à assurer l'étanchéité avec une bride complémentaire lors de l'interaction avec un joint intercalaire malléable.  The peripheral edge (3) has holes (5) for the connecting bolt passage with a complementary flange. It also has a knife (6) adapted to seal with a complementary flange when interacting with a malleable intermediate seal.
Le cœur (4) en aluminium est engagé dans la partie périphérique (3) en acier inoxydable. Cet engagement mécanique peut être réalisé par un vissage, le cœur (4) et la bordure périphérique (3) présentant alors des filetages complémentaires. Il peut aussi être réalisé par un assemblage en force de type « frettage ». L'assemblage est alors réalisé avec des tolérances d'usinage, qui interdisent son montage à la main ou même à la presse, par chauffage de la bordure périphérique (3) afin de provoquer une dilatation temporaire permettant de l'enfiler sur le cœur en aluminium (4). On peut également refroidir le cœur (4) en aluminium à l'azote liquide ou à la glace carbonique pour le contracter et 1 ' engager dans la frette. Il peut également être réalisé par un assemblage mécanique classique de type boulonnage ou de rivetage entre le cœur (4) et la périphérie (3).  The core (4) of aluminum is engaged in the peripheral portion (3) of stainless steel. This mechanical engagement can be achieved by screwing, the core (4) and the peripheral edge (3) then having complementary threads. It can also be achieved by a force assembly type "hooping". The assembly is then performed with machining tolerances, which prohibit its assembly by hand or even the press, by heating the peripheral edge (3) to cause a temporary expansion to put it on the heart by aluminum (4). The aluminum core (4) can also be cooled with liquid nitrogen or dry ice to contract it and engage it in the hoop. It can also be achieved by a conventional mechanical bolting or riveting between the core (4) and the periphery (3).
Le pion ( 8 ) est déplacé sur une zone chevauchant l'épaulement annulaire (11) avec un enfoncement dépassant le fond de la gorge annulaire (10), d'une profondeur d'environ 0,30 millimètres. L'épaulement supérieur de l'outil de friction malaxage (8) pénètre par ailleurs dans la surface plane située à la jonction entre l'aluminium et l'acier, d'une épaisseur d'environ 0,10 millimètres, afin de contraindre la matière à combler le trou laissé dans son sillage et à favoriser 1 'échauffement du pion.  The pin (8) is moved over an area overlapping the annular shoulder (11) with a depression exceeding the bottom of the annular groove (10), a depth of about 0.30 millimeters. The upper shoulder of the kneading friction tool (8) also penetrates into the flat surface at the junction between aluminum and steel, a thickness of about 0.10 millimeters, in order to constrain the to fill the hole left in its wake and to promote the heating of the pawn.
Le pion (8) est décrit à titre d'exemple non limitatif. Des pions plus simples fonctionnent aussi, mais avec un risque de manque de matière dans le fond de soudure. Cela peut se corriger en donnant de l'angle au pion, qui complexifie toutefois l'usinage. Eventuellement, l'axe de rotation du pion ( 8 ) peut présenter un léger angle par rapport à la normale à la surface traitée. Cet angle est compris entre 2 et 4°. Le pion présente optionnellement un pas de vis inversé du pas de vis pour « pousser » la matière et ne pas laisser de lacunes de matière dans le fond de la soudure. The pin (8) is described by way of non-limiting example. Simpler pawns also work, but with a risk of lack of material in the weld bottom. This can be corrected by giving an angle to the pawn, which however complicates the machining. Optionally, the axis of rotation of the pin (8) may have a slight angle relative to the normal to the treated surface. This angle is between 2 and 4 °. The pin optionally has an inverted screw thread pitch to "push" the material and not leave material gaps in the bottom of the weld.
Le cordon de soudure réalisé présente une largeur sensiblement égale au rayon de l'extrémité cylindrique du pion rotatif puisque la surface de chevauchement des deux matériaux, et sur laquelle cette extrémité s'applique, présente une largeur coïncidant avec le rayon de cette extrémité .  The weld bead produced has a width substantially equal to the radius of the cylindrical end of the rotary pin since the overlapping surface of the two materials, and on which this end is applied, has a width coinciding with the radius of this end.
Dans cet exemple d'application où les contraintes mécaniques sont particulièrement importantes, la soudure par friction malaxage vient compléter une première étape d'assemblage mécanique des deux composants, mais lorsque de telles contraintes n'existent pas, ou lorsqu'il est possible de faire se chevaucher les deux matériaux sur une largeur plus importante que le rayon de l'extrémité cylindrique du pion rotatif, il est possible de n'utiliser que la soudure par friction malaxage comme moyen de fixation l'un à l'autre des deux composants .  In this application example where the mechanical stresses are particularly important, the friction stir welding completes a first step of mechanical assembly of the two components, but when such constraints do not exist, or when it is possible to make overlapping the two materials over a wider width than the radius of the cylindrical end of the rotating pin, it is possible to use only the friction stir welding as a means of attachment to one another of the two components.
Tel est le cas des exemples représentés sur les figures 3 à 6.  This is the case of the examples shown in FIGS. 3 to 6.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, les deux composants à souder présentent en section transversale, une forme de plaque, la plaque d'aluminium 26 reposant sur la plaque d'acier 27 qui comporte deux portions adjacentes 28, 29 de deux hauteurs différentes Hl, H2 , séparées l'une de l'autre par une paroi de discontinuité 31 constituant la paroi de guidage selon l'invention, la paroi supérieure 32 de la portion de moindre hauteur 29 et adjacente à la paroi de guidage 31, constituant la paroi de fond. Dans ce mode de réalisation, la plaque d'aluminium 26 recouvre toute la surface de la plaque d'acier et présente de manière complémentaire, deux portions accolées, de hauteurs différentes et une surface supérieure plane. In the embodiment of FIG. 3, the two components to be welded have, in cross-section, a plate shape, the aluminum plate 26 resting on the steel plate 27 which has two adjacent portions 28, 29 of two heights different H1, H2, separated from each other by a discontinuity wall 31 constituting the guide wall according to the invention, the upper wall 32 of the lower-height portion 29 and adjacent to the guide wall 31, constituting the bottom wall. In this embodiment, the aluminum plate 26 covers the entire surface of the steel plate and has complementary, two contiguous portions of different heights and a planar upper surface.
La soudure s'effectue à l'aplomb de la paroi de discontinuité 31 sur une surface d'une largeur approximativement égale au diamètre de l'extrémité cylindrique du pion rotatif, et présentant ainsi une résistance mécanique supérieure .  The weld is carried out above the discontinuity wall 31 on a surface of a width approximately equal to the diameter of the cylindrical end of the rotary pin, and thus having a higher mechanical strength.
Dans l'exemple représenté sur la figure 4, les deux plaques d'aluminium 26 et d'acier 27 ne sont pas superposées l'une à l'autre avec des parois en contact de forme complémentaire, mais accolées l'une contre l'autre par leurs bords frontaux qui présentent des formes complémentaires.  In the example shown in FIG. 4, the two aluminum plates 26 and steel plates 27 are not superimposed on one another with walls of complementary shape in contact, but contiguous to each other. other by their frontal edges which present complementary forms.
Plus précisément, le bord frontal de l'acier comprend un renfoncement supérieur 34 définissant pour la plaque d'acier une section transversale en forme de L dont la paroi interne de la branche verticale constitue la paroi de guidage 36, et la paroi interne de la branche horizontale, la paroi de fond 37.  More specifically, the front edge of the steel comprises an upper recess 34 defining for the steel plate an L-shaped cross section whose inner wall of the vertical branch constitutes the guide wall 36, and the inner wall of the horizontal branch, the bottom wall 37.
Le bord frontal de l'aluminium comprend un épaulement 38 (qui a été traversé par l'extrémité du poinçon sur la figure 4) de forme complémentaire du renfoncement formé dans la plaque d'acier, et venant recouvrir la paroi de fond 37 sur une largeur correspondant au diamètre de l'extrémité cylindrique du pion rotatif.  The front edge of the aluminum comprises a shoulder 38 (which has been crossed by the end of the punch in Figure 4) of complementary shape of the recess formed in the steel plate, and coming to cover the bottom wall 37 on a width corresponding to the diameter of the cylindrical end of the rotating pin.
Comme dans le mode de réalisation précédent, la soudure s'effectue à l'aplomb de la paroi de discontinuité 31 sur une surface d'une largeur approximativement égale au diamètre de l'extrémité cylindrique du pion rotatif, et présentant ainsi une résistance mécanique supérieure.  As in the previous embodiment, the weld is carried out directly above the discontinuity wall 31 over a surface of a width approximately equal to the diameter of the cylindrical end of the rotary pin, and thus having superior mechanical strength. .
Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 6, les bords frontaux des deux plaques d'acier et d'aluminium sont également de formes complémentaires afin de définir une paroi de guidage de l'aluminium à l'état pâteux et une paroi de fond d'appui, mais définissent en plus une deuxième paroi de guidage 41 de l'aluminium à l'état pâteux, opposée à la première. In the embodiment shown in FIG. 6, the front edges of the two steel and aluminum plates are also of complementary shapes in order to define a guiding wall of the aluminum in the pasty state and a supporting bottom wall, but in addition define a second guide wall 41 of the aluminum in the pasty state, opposite the first.
Cette deuxième paroi est formée par une partie du bord frontal de la plaque d'acier, en forme de crochet en section transversale, définissant une galerie en forme de U dont l'ouverture serait tournée vers la paroi supérieure, et dans laquelle vient se loger un crochet de forme complémentaire défini dans le bord frontal de la plaque d'aluminium (l'extrémité cylindrique du poinçon étant représentée comme ayant traversée la partie en crochet de la plaque l'aluminium sur cette figure 6). La hauteur H sur laquelle s'étend la deuxième paroi de guidage est de préférence supérieure à la moitié du diamètre de l'extrémité cylindrique du pion rotatif, en étant inférieure à celle de la première paroi de guidage 36 qui est approximativement égale au diamètre de l'extrémité du pion rotatif.  This second wall is formed by a portion of the front edge of the steel plate, hook-shaped in cross section, defining a U-shaped gallery whose opening is turned towards the upper wall, and in which is housed a hook of complementary shape defined in the front edge of the aluminum plate (the cylindrical end of the punch being shown as having passed through the hook portion of the aluminum plate in this Figure 6). The height H on which the second guide wall extends is preferably greater than half the diameter of the cylindrical end of the rotary pin, being smaller than that of the first guide wall 36 which is approximately equal to the diameter of the the end of the rotating pin.
L'écart latéral existant entre l'extrémité du pion rotatif et chaque paroi de guidage 36, 41 est compris entre 0.01 et 0.2 mm.  The lateral gap existing between the end of the rotary pin and each guide wall 36, 41 is between 0.01 and 0.2 mm.
Plus précisément, conformément à la figure 7, l'assemblage mécanique par filetage 51 de la bride 3 et du cœur 4 peut s'effectuer par exemple sur une distance de 15 mm, l'épaulement d'acier 52 sur lequel l'aluminium à l'état pâteux est poussé, peut s'étendre sur une largeur de 2 mm et la paroi verticale d'acier 53 perpendiculaire à l'épaulement peut s'étendre sur une longueur de 2,5 mm. Cette paroi verticale (mais qui peut être inclinée) 53 a pour fonction de guider l'aluminium à l'état pâteux sur l'épaulement d'acier 52 pour forcer l'aluminium pâteux à s'insérer entre les aspérités d'acier crées lorsque le pion rotatif frotte la surface de l'épaulement d'acier 16. Le pion pénètre par exemple sur une profondeur de 0,35 mm dans l'acier après avoir traversé une hauteur de 3 mm d'aluminium. La vitesse de rotation du pion est de l'ordre de 1500 tr.min-1. La figure 8 met en évidence par une photographie réalisée par un microscope à balayage, la formation d ' intermétalliques 54 à l'interface entre l'acier et l'aluminium, des particules d'aluminium s 'étant immiscées entre les aspérités d'acier crées pour former avec ces particules d'acier une nouvelle phase. More precisely, in accordance with FIG. 7, the mechanical threading assembly 51 of the flange 3 and the core 4 can be made for example over a distance of 15 mm, the steel shoulder 52 on which the aluminum to the pasty state is pushed, can extend over a width of 2 mm and the vertical wall of steel 53 perpendicular to the shoulder can extend over a length of 2.5 mm. This vertical wall (but which can be inclined) 53 serves to guide the aluminum in the pasty state on the steel shoulder 52 to force the pasty aluminum to be inserted between the steel asperities created when the rotary peg rubs the surface of the steel shoulder 16. The peg penetrates for example to a depth of 0.35 mm in the steel after passing through a height of 3 mm of aluminum. The speed of rotation of the pin is of the order of 1500 rpm. FIG. 8 shows, by a photograph taken by a scanning microscope, the formation of intermetallics 54 at the interface between steel and aluminum, aluminum particles having interfered with each other between the steel asperities. created to form with these particles of steel a new phase.
La zone soudée par la technique de friction malaxage par transparence et frottage du pion sur l'épaulement d'acier, présente une grande compacité puisqu'il n'existe aucune lacune de matière au niveau de l'interface entre les deux matériaux.  The zone welded by the technique of friction kneading by transparency and friction of the pin on the steel shoulder, presents a great compactness since there is no gap of material at the interface between the two materials.
Le procédé selon l'invention permet ainsi d'effectuer un assemblage d'un alliage d'Aluminium / Acier inoxydable, à la fois mécaniquement résistant et étanche, identiquement à une soudure traditionnelle TIG.  The method according to the invention thus makes it possible to assemble an alloy of aluminum / stainless steel, both mechanically resistant and sealed, identically to a traditional TIG weld.
L'étanchéité est réalisée grâce à l'accrochage mécanique résultant de la forme de la surface d'interface et à la présence d'une fine couche d' intermétalliques existante sur l'intégralité de l'interface entre les deux matériaux. Sealing is achieved through the mechanical attachment resulting from the shape of the interface surface and the presence of a thin layer of intermetallic existing on the entire interface between the two materials.
On donne ci-dessous les utilisations possibles de la bride obtenue, des exemples de matériaux constitutifs pour cette bride, et ses caractéristiques importantes :  The following are the possible uses of the flange obtained, examples of constituent materials for this flange, and its important characteristics:
■ Utilisation ■ Use
■ dans les domaines du vide et de l' ultravide (UHV) avec un taux de fuite généralement <10"9 mbar*l/s et un niveau de vide jusqu'à 10"10 mbar. ■ in the field of vacuum and the ultra-high vacuum (UHV) with a leak rate generally <10 "9 mbar * l / s and a vacuum level up to 10" 10 mbar.
■ Bride DN 100 CF respectant la norme ISO 3669-2. ■ DN 100 CF flange conforming to ISO 3669-2.
Matériaux Materials
♦♦♦ Couteau : Acier Inoxydable 316L ♦ ♦ ♦ Knife: 316L Stainless Steel
♦♦♦ Intérieur de la bride soudable : Aluminium 5083 ou 6060, à la demande. Caractéristiques ♦ ♦ ♦ Inside of weldable flange: Aluminum 5083 or 6060, on request. Characteristics
■ Taux de fuite : < 1.10-9 mbar*l/s ■ Leakage rate: <1.10-9 mbar * l / s
■ Températures d'utilisation : entre 0°C et 270 °C ■ Operating temperatures: between 0 ° C and 270 ° C
■ Résistance mécanique de désassemblage > 50000 N ■ Mechanical resistance of disassembly> 50000 N
■ Etanchéité conservée après : efforts en flexion répétés d'une charge de 4000 N à 250 mm pendant 100 cycles et un cyclage thermique entre 20°C et 270°C pendant 10 cycles successifs. ■ Tightness preserved after: repeated bending forces of 4000 N load at 250 mm for 100 cycles and thermal cycling between 20 ° C and 270 ° C for 10 successive cycles.
Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 5, l'acier présente de nouveau deux parois de guidage de l'aluminium à l'état pâteux vers la paroi de fond, mais celles ci sont réalisées au moyen d'une rainure formée à partir de la surface supérieure de la plaque d'acier, de forme parallélépipédique et dont les deux parois opposées forment les parois de guidage 36, 41, et la paroi intermédiaire perpendiculaire, la paroi de fond 37. In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 5, the steel again has two aluminum-guiding walls in the pasty state towards the bottom wall, but these are made by means of a groove formed of from the upper surface of the parallelepipedal steel plate and the two opposite walls of which form the guide walls 36, 41, and the perpendicular intermediate wall, the bottom wall 37.
La plaque d'aluminium présente une forme complémentaire et ainsi, une section transversale en forme de T, dont la partie centrale vient combler la rainure (elle est représentée traversée par l'extrémité cylindrique du pion rotatif) et dont les parties latérales, plus fines (d'une épaisseur d'environ 2 à 4 mm, vient recouvrir la surface supérieure de la plaque d'acier.  The aluminum plate has a complementary shape and thus a T-shaped cross-section, the central part of which fills the groove (it is represented by the cylindrical end of the rotating peg) and whose side parts are thinner. (About 2 to 4 mm thick, covers the upper surface of the steel plate.
Dans les exemples ci-dessus, l'extrémité du pion rotatif s'enfonce d'une profondeur comprise entre 0.2 et 0.5 mm dans la plaque d'acier. Le jeu compris entre cette extrémité et la ou les parois de guidage réalisées dans l'acier, est compris entre 0.01 et 0.2 mm, afin de garantir l'effet de guidage de l'aluminium à l'état pâteux, tout en évitant les frottements entre l'acier et l'extrémité du poinçon. La hauteur de la paroi de guidage principale est de préférence supérieure au diamètre de l'extrémité cylindrique du poinçon, et celle de la paroi de guidage secondaire, lorsqu'elle est prévue, inférieure à la hauteur de la paroi de guidage principale et supérieure à la moitié du diamètre de l'extrémité cylindrique du pion rotatif. In the above examples, the end of the rotary pin penetrates a depth of between 0.2 and 0.5 mm into the steel plate. The clearance between this end and the guide wall or walls made in the steel is between 0.01 and 0.2 mm, in order to guarantee the guiding effect of the aluminum in the pasty state, while avoiding friction. between the steel and the end of the punch. The height of the main guide wall is preferably greater than the diameter of the cylindrical end of the punch, and that of the secondary guide wall, when it is provided, is less than the height of the wall of the main guide and greater than half the diameter of the cylindrical end of the rotating pin.
Les formes complémentaires des plaques d'aluminium et d'acier sont obtenues par usinage de type fraisage pour des plaques ou de type tournage pour des brides.  The complementary shapes of the aluminum and steel plates are obtained by machining milling type for plates or turning type for flanges.

Claims

Revendications claims
1. Procédé de soudage de deux matériaux métalliques ou d'alliages métalliques, par friction malaxage par transparence, un pion de friction malaxage rotatif dont une extrémité vient traverser en le chauffant un premier matériau superposé à un deuxième matériau, le premier matériau se transformant plus vite à l'état pâteux sous l'effet de la rotation du pion, caractérisé en ce qu'il comprend : 1. A method of welding two metal materials or metal alloys by friction stirring by transparency, a rotational kneading friction pin one end of which passes through by heating a first material superimposed on a second material, the first material being transformed more quickly in the pasty state under the effect of the rotation of the pion, characterized in that it comprises:
- une étape préliminaire de réalisation au sein du deuxième matériau d'une paroi de fond (21) contre laquelle le pion est destiné à pousser le premier matériau à l'état pâteux lors de la soudure, et d'au moins une paroi latérale (22) de guidage du premier matériau à l'état pâteux vers la paroi de fond du deuxième matériau, et  a preliminary step of producing, within the second material, a bottom wall (21) against which the pin is intended to push the first material in a pasty state during welding, and at least one side wall ( 22) for guiding the first material in the pasty state to the bottom wall of the second material, and
- une étape visant à créer des aspérités sur la paroi de fond réalisée dans le deuxième matériau,  a step intended to create asperities on the bottom wall made in the second material,
le premier matériau venant, sous l'effet de la poussée de l'extrémité du pion, s'immiscer entre les aspérités et la paroi de fond de façon à réaliser une fois durcit, un ancrage entre le premier et le deuxième matériau.  the first material coming, under the effect of the thrust of the end of the pin, to interfere between the asperities and the bottom wall so as to achieve once cured, an anchoring between the first and the second material.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de création d'aspérités sur la paroi de fond s'effectue par enfoncement de l'extrémité du pion rotatif sur une profondeur prédéterminée au sein du deuxième matériau. 2. Method according to claim 1, characterized in that the step of creating roughness on the bottom wall is effected by driving the end of the rotary pin to a predetermined depth within the second material.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier matériau le premier matériau présente une forme complémentaire de celle formant la paroi de guidage et la paroi de fond du deuxième matériau, les premier et deuxième matériaux étant emboîtés l'un dans l'autre par leurs formes complémentaires avant leur soudage par friction malaxage par transparence. 3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the first material the first material has a shape complementary to that forming the guide wall and the bottom wall of the second material, the first and second materials being nested one in the other by their complementary shapes before their friction stir welding.
4. Appareil de soudage par friction malaxage pour la mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant un pion rotatif pourvu d'une extrémité proéminente, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de positionnement de l'extrémité du pion rotatif vis à vis de la paroi de guidage du deuxième matériau, de façon à maintenir le flanc de l'extrémité du pion rotatif à une distance prédéterminée de la paroi de guidage. 4. Friction stir welding apparatus for implementing the method according to one of the preceding claims, comprising a rotary peg provided with a protruding end, characterized in that it comprises a positioning means of the end of the rotary pin vis-a-vis the guide wall of the second material, so as to maintain the flank of the end of the rotary pin at a predetermined distance from the guide wall.
5. Assemblage de deux matériaux selon le procédé de l'une des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que le deuxième matériau présente en section transversale un premier épaulement entre une paroi supérieure et la paroi de guidage, un second épaulement de largeur « d » correspondant à l'écart entre le flanc de l'extrémité du poinçon et la paroi de guidage, et d'une hauteur « h » correspondant à la profondeur d'enfoncement de l'extrémité du pion dans le deuxième matériau, et une paroi de fond à aspérités, de même largeur que l'extrémité du pion rotatif. 5. Assembly of two materials according to the method of one of claims 2 to 3, characterized in that the second material has in cross section a first shoulder between an upper wall and the guide wall, a second shoulder of width "d Corresponding to the gap between the side of the end of the punch and the guide wall, and a height "h" corresponding to the depth of insertion of the end of the pin in the second material, and a wall bottom to asperities, the same width as the end of the rotating pin.
6. Assemblage selon la revendication 5, caractérisé en ce que le deuxième matériau présente en section transversale deux portions principales de deux hauteurs différentes, séparées par une paroi de discontinuité (31) constituant la paroi de guidage, la paroi supérieure (32) de la portion de moindre hauteur et proche à la paroi de guidage, constituant la paroi de fond. 6. An assembly according to claim 5, characterized in that the second material has in cross section two main portions of two different heights, separated by a discontinuity wall (31) constituting the guide wall, the upper wall (32) of the portion of lower height and close to the guide wall, constituting the bottom wall.
7. Assemblage selon la revendication 6, caractérisé en ce que le deuxième matériau comprend une deuxième paroi de guidage (41) du premier matériau à l'état pâteux vers la paroi de fond (37) du deuxième matériau. 7. An assembly according to claim 6, characterized in that the second material comprises a second guide wall (41) of the first material in the pasty state to the bottom wall (37) of the second material.
8. Assemblage selon la revendication 7, caractérisé en ce que le deuxième matériau présente en section transversale une forme plate pourvue d'une gorge (36, 37, 41) définissant deux parois opposées formant respectivement les première et deuxième parois de guidage du premier matériau, et une paroi de fond de gorge vers laquelle le premier matériau à l'état pâteux est guidé par les deux parois de guidage. 8. Assembly according to claim 7, characterized in that the second material has in section transverse a flat shape provided with a groove (36, 37, 41) defining two opposite walls respectively forming the first and second guide walls of the first material, and a throat bottom wall to which the first material in the pasty state is guided by the two guide walls.
9. Assemblage selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que la zone de recouvrement entre le premier et le deuxième matériau présente une largeur égale ou supérieure à la moitié du diamètre de l'extrémité du poinçon. 9. Assembly according to one of claims 4 to 8, characterized in that the overlap zone between the first and second material has a width equal to or greater than half the diameter of the end of the punch.
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