WO2015193568A1 - Procédé de soudage d'une pièce en acier sur une pièce en aluminium, par descente gravitationnelle d'un bain de soudure - Google Patents

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WO2015193568A1
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solder bath
piece
peripheral edge
aluminum
face
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Romaric Lenoir
Eric Palpacuer
David Feiner
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Peugeot Citroen Automobiles Sa
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Definitions

  • the invention relates to methods of welding steel parts to aluminum parts.
  • certain objects are made, in particular, by welding a steel part on an aluminum part.
  • This is for example the case of so-called hybrid wheels in which one of the parts is a steel web intended to be secured to a hub of one axle of the vehicle, and the other part is an aluminum rim.
  • the welding process that is currently used consists of positioning a part of the aluminum part almost horizontally, then pressing the peripheral edge of the steel part against this part, then generating on the part of the aluminum part, against the end face of the peripheral edge of the steel piece, an aluminum-based solder bath with a cold metal transfer torch (or CMT ("Cold Metal Transfer”)) and then let this solder bath get solidify.
  • a cold metal transfer torch or CMT ("Cold Metal Transfer")
  • the invention is therefore particularly intended to improve the situation.
  • step (i) in which the part of the second piece of in an inclined manner with respect to a horizontal direction, then the unoxidized peripheral edge of the first piece is pressed against this part by orienting an end face which it comprises upwards, and
  • step (ii) in which is generated on the part of the second piece, in an area located at a selected distance above the end face of the first piece, an aluminum-based solder bath with a cold metal transfer torch (or CMT), then gravitating down the solder bath until it abuts on this end face, then let the solder bath to solidify.
  • CMT cold metal transfer torch
  • the method according to the invention may comprise other characteristics that can be taken separately or in combination, and in particular:
  • the part of the second part can be inclined with respect to the horizontal direction by an angle which is between about 70 ° and about 90 °;
  • the peripheral edge of the first piece may be pressed after it has been provided with a zinc coating or after it has been etched with a deoxidizer;
  • step (ii) can be lowered by gravity weld pool by removing and then bringing at least once the weld pool an end of the torch;
  • the spacing may be between about 1 mm and about 3 mm;
  • the (deposition) zone may be generated at a distance above the end face of the first piece which is between about 1 mm and about 3 mm;
  • step (ii) a solder bath based on aluminum, silicon and manganese can be generated.
  • the invention also proposes a hybrid wheel intended to equip a vehicle and comprising a first piece of steel secured to a second piece of aluminum by the implementation of a welding process of the type presented above.
  • the first part may be a web intended to be secured to a hub of an axle of the vehicle, and the second part may be a rim.
  • FIGS. 1A to 1C show schematically and respectively, in perspective views, an example of hybrid web of sail before welding, an example of hybrid wheel rim before welding, and a hybrid wheel consisting of sail and rim of FIGS. 1A and 1B after welding,
  • FIG. 2 schematically illustrates, in a sectional view, the hybrid wheel of FIG. 1C
  • FIGS. 3A to 3C show schematically and respectively, in sectional views, the hybrid wheel of FIGS. 1C and 2 at the beginning, at an intermediate stage and at the end of the implementation of the welding process according to the invention .
  • the object of the invention is in particular to propose a method for allowing the welding of a first piece P1 of steel on a part PS of a second part P2 of aluminum.
  • first P1 and second P2 parts are respectively a steel sail and an aluminum rim intended to constitute a hybrid wheel RH of a vehicle, possibly of the type automobile.
  • the invention is not limited to this type of application. It concerns indeed any type of device or system or installation comprising a first piece of steel welded to a second aluminum part.
  • FIGS. 1A and 1B respectively show schematically an example of a first piece P1 of steel (here constituting a Hybrid RH) before welding, and an example of a second piece P2 made of aluminum (here constituting a wheel rim). Hybrid RH) before welding.
  • FIGS. 1C and 2 show diagrammatically an example of hybrid wheel RH constituted by webs P1 and rim P2 of FIGS. 1A and 1B, after the implementation of a welding method according to the invention. .
  • the first piece P1 steel comprises a peripheral edge BP (here annular) provided with an end face FE and intended to be secured to a selected portion PS of the second piece P2 aluminum.
  • This securing can be done on the entire peripheral edge BP of the web P1 or in selected areas (for example four).
  • the welding method according to the invention comprises at least two steps (i) and (ii).
  • step (i) the part PS of the second piece P2 is positioned in an inclined manner with respect to a horizontal direction X, and then the unoxidized peripheral edge BP is plastered with the first piece P1 against this PS part by orienting the end face FE that it (BP) comprises upwards.
  • the direction Z is the vertical direction which is perpendicular to the horizontal direction X.
  • non-oxidized is meant here the fact of being capable of brazing. This ability may result from the fact that the peripheral edge BP of the first piece P1 has previously been provided with a zinc coating electrolytic or galvanized (before plating) or pickled with a deoxidizer. It is recalled that the very high temperature which is induced by a torch arc during a welding causes a spraying of the protective zinc layer which ensures that the peripheral edge BP is not oxidized at the moment when it will be effectively welded (or brazed) to the PS portion of the second piece P2.
  • step (i) the portion PS of the second piece P2 is inclined relative to the horizontal direction X by an angle which is between about 70 ° and about 90 °.
  • the angle of inclination is substantially equal to 90 °. Consequently, the portion PS of the second piece P2 is substantially parallel to the vertical direction Z and substantially perpendicular to the horizontal direction X, and therefore the end face FE of the peripheral edge BP is substantially parallel to the horizontal direction X (position called "cornice”).
  • other values of inclination angle can be used as long as they allow the realization of step (ii).
  • step (ii) the process according to the invention begins, as illustrated in FIG. 3A, by generating on the part PS of the second piece P2, in a zone Z which is situated at a distance chosen from above the FE end face of the BP peripheral edge, an aluminum-based BS solder bath with a cold metal transfer TS (or CMT) torch.
  • a cold metal transfer TS or CMT
  • solder bath is understood here to mean a small amount of molten weld metal that has been generated by the end (or wire) AND of a CMT TS torch. It is recalled that the CMT technique is an electric arc welding technique in which the AND wire undergoes back and forth movements which allow a transfer of reduced current (almost zero) material, and therefore a deposit of material more "cold” than with a conventional welding technique.
  • the solder bath BS may be based on aluminum, silicon and manganese.
  • it may comprise 3% silicon and 1% manganese.
  • Step (ii) continues, as illustrated in FIGS. 3B and 3C, by lowering by gravity the solder bath BS (arrow F1) until it abuts on the end face FE of the peripheral edge BP, then allowing the solder bath BS to solidify to define a weld or a final soldering SF (see Figure 3C).
  • the initial deposit of molten metal (or solder bath BS) in a zone Z distant from the end face FE is intended to prevent the melting of the peripheral edge BP steel by the arc of the end AND of the CMT TS torch, so as to allow a final connection by soldering, of quality.
  • the zone Z is generated at a distance above the end face FE which is between about 1 mm and about 3 mm.
  • this distance may be chosen substantially equal to 2 mm.
  • solder bath BS In order for the solder bath BS not to solidify before reaching the end face FE, it is particularly advantageous that it be maintained at an elevated temperature. To do this, it is possible, for example, to separate and then bring the end of the CMT TS torch closer to the solder bath BS (during gravitational descent) at least once. As illustrated by the arrow F2 of FIG. 3B, this variation in distance between the solder bath BS and the end ET (by going back and forth) can be substantially in the horizontal direction X.
  • the gap (or variation in distance) may range from about 1 mm to about 3 mm. Thus, it can be chosen substantially equal to 2 mm.
  • the number of spacings and reconciliations varies in particular as a function of the distance separating the zone Z from the end face FE, the angle of inclination of the portion PS of the second room
  • the thickness of the peripheral edge BP at its end face FE must be sufficient for the latter (FE) to receive and maintain the solder bath BS liquid during its solidification.
  • the hybrid wheel RH resulting from the implementation of the welding process described above, allows a weight saving of about 20% compared to a wheel made exclusively of steel. This reduces the energy consumption of the vehicle that it equips, and therefore possibly the pollution it generates when it includes a heat engine.

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Abstract

Un procédé est destiné à souder une première pièce (P1), en acier et comprenant un bord périphérique (BP), sur une partie (PS) d'une seconde pièce (P2) en aluminium. Ce procédé comprend une étape (i) dans laquelle on positionne cette partie (PS) de façon inclinée par rapport à une direction horizontale, puis on plaque le bord périphérique (BP), non oxydé, contre cette partie (PS) en orientant sa face d'extrémité (FE) vers le haut, et une étape (ii) dans laquelle on génère sur la partie (PS), dans une zone située à une distance choisie au-dessus de cette face d'extrémité (FE), un bain de soudure (BS) à base d'aluminium avec une torche (TS) à transfert de métal froid, puis on fait descendre par gravité ce bain de soudure (BS) jusqu'à ce qu'il bute sur la face d'extrémité (FE), puis on laisse le bain de soudure (BS) se solidifier.

Description

PROCÉDÉ DE SOUDAGE D'UNE PIÈCE EN ACIER SUR UNE PIÈCE EN ALUMINIUM, PAR DESCENTE GRAVITATIONNELLE D'UN BAIN DE SOUDURE
L'invention concerne les procédés de soudage de pièces en acier sur des pièces en aluminium.
Dans certains domaines, comme par exemple celui des véhicules, éventuellement automobiles, certains objets (ou dispositifs) sont réalisés, notamment, par soudage d'une pièce en acier sur une pièce en aluminium. C'est par exemple le cas des roues dites hybrides dans lesquelles l'une des pièces est un voile en acier destiné à être solidarisé à un moyeu d'un essieu du véhicule, et l'autre pièce est une jante en aluminium.
Le procédé de soudage qui est actuellement utilisé consiste à positionner une partie de la pièce en aluminium presque horizontalement, puis à plaquer le bord périphérique de la pièce en acier contre cette partie, puis à générer sur la partie de la pièce en aluminium, contre la face d'extrémité du bord périphérique de la pièce en acier, un bain de soudure à base d'aluminium avec une torche à transfert de métal froid (ou CMT (« Cold Métal Transfer »)), puis à laisser ce bain de soudure se solidifier. Un tel procédé de soudage est notamment décrit dans le document brevet FR 2994668.
La grande chaleur induite par l'arc à l'extrémité de la torche, lors de la génération du bain de soudure, induit simultanément une fusion locale de la partie en aluminium et une fusion locale du bord périphérique en acier. Or, cette dernière fusion locale empêche la réalisation d'un bon brasage avec le bain de soudure, et donc nuit fortement à la qualité de la liaison acier/aluminium, ce qui peut entraîner une mise au rebut des deux pièces.
L'invention a donc notamment pour but d'améliorer la situation.
Elle propose à cet effet un procédé, destiné à souder une première pièce, en acier et comprenant un bord périphérique, sur une partie d'une seconde pièce en aluminium, et comprenant :
- une étape (i) dans laquelle on positionne la partie de la seconde pièce de façon inclinée par rapport à une direction horizontale, puis on plaque le bord périphérique, non oxydé, de la première pièce contre cette partie en orientant une face d'extrémité qu'il comprend vers le haut, et
- une étape (ii) dans laquelle on génère sur la partie de la seconde pièce, dans une zone située à une distance choisie au-dessus de la face d'extrémité de la première pièce, un bain de soudure à base d'aluminium avec une torche à transfert de métal froid (ou CMT), puis on fait descendre par gravité ce bain de soudure jusqu'à ce qu'il bute sur cette face d'extrémité, puis on laisse ce bain de soudure se solidifier.
Grâce à la génération du bain de soudure à distance de la face d'extrémité de la première pièce, puis à la descente par gravité de ce bain de soudure jusqu'à cette face d'extrémité, on évite la fusion locale du bord périphérique en acier, ce qui permet de réaliser un brasage de qualité.
Le procédé selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment :
- dans son étape (i) on peut incliner la partie de la seconde pièce par rapport à la direction horizontale d'un angle qui est compris entre environ 70° et environ 90° ;
- dans son étape (i) on peut plaquer le bord périphérique de la première pièce après qu'il ait été pourvu d'un revêtement en zinc ou bien après l'avoir décapé avec un désoxydant ;
- dans son étape (ii) on peut faire descendre par gravité le bain de soudure en écartant puis en rapprochant au moins une fois du bain de soudure une extrémité de la torche ;
l'écartement peut être compris entre environ 1 mm et environ 3 mm ;
- dans son étape (ii) la zone (de dépôt) peut être générée à une distance au- dessus de la face d'extrémité de la première pièce qui est comprise entre environ 1 mm et environ 3 mm ;
- dans son étape (ii) on peut générer un bain de soudure à base d'aluminium, de silicium et de manganèse.
L'invention propose également une roue hybride destinée à équiper un véhicule et comprenant une première pièce en acier solidarisée à une seconde pièce en aluminium par la mise en œuvre d'un procédé de soudage du type de celui présenté ci-avant.
Par exemple, la première pièce peut être un voile destiné à être solidarisé à un moyeu d'un essieu du véhicule, et la seconde pièce peut être une jante.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels :
- les figures 1 A à 1 C illustrent schématiquement et respectivement, dans des vues en perspective, un exemple de voile de roue hybride avant soudage, un exemple de jante de roue hybride avant soudage, et une roue hybride constituée des voile et jante des figures 1 A et 1 B après soudage,
- la figure 2 illustre schématiquement, dans une vue en coupe, la roue hybride de la figure 1 C,
- les figures 3A à 3C illustrent schématiquement et respectivement, dans des vues en coupe, la roue hybride des figures 1 C et 2 au début, à un stade intermédiaire et à la fin de la mise en œuvre du procédé de soudage selon l'invention.
L'invention a notamment pour but de proposer un procédé destiné à permettre le soudage d'une première pièce P1 en acier sur une partie PS d'une seconde pièce P2 en aluminium.
Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que les première P1 et seconde P2 pièces sont respectivement un voile en acier et une jante en aluminium destinés à constituer une roue hybride RH d'un véhicule, éventuellement de type automobile. Mais l'invention n'est pas limitée à ce type d'application. Elle concerne en effet tout type de dispositif ou système ou installation comprenant une première pièce en acier soudée sur une seconde pièce en aluminium.
On a schématiquement représenté sur les figures 1 A et 1 B respectivement un exemple de première pièce P1 en acier (ici constituant un voile de roue hybride RH) avant soudage, et un exemple de seconde pièce P2 en aluminium (ici constituant une jante de roue hybride RH) avant soudage. Par ailleurs, on a schématiquement représenté sur les figures 1 C et 2 un exemple de roue hybride RH constituée des voile P1 et jante P2 des figures 1 A et 1 B, après la mise en œuvre d'un procédé de soudage selon l'invention.
Comme illustré, la première pièce P1 en acier comprend un bord périphérique BP (ici annulaire) muni d'une face d'extrémité FE et destiné à être solidarisé à une partie choisie PS de la seconde pièce P2 en aluminium. Cette solidarisation peut se faire sur la totalité du bord périphérique BP du voile P1 ou bien dans des zones choisies (par exemple quatre).
Le procédé de soudage, selon l'invention, comprend au moins deux étapes (i) et (ii).
Comme illustré sur la figure 3A, dans l'étape (i) on positionne la partie PS de la seconde pièce P2 de façon inclinée par rapport à une direction horizontale X, puis on plaque le bord périphérique BP, non oxydé, de la première pièce P1 contre cette partie PS en orientant la face d'extrémité FE qu'il (BP) comprend vers le haut.
Sur les figures 3A à 3C, la direction Z est la direction verticale qui est perpendiculaire à la direction horizontale X.
On entend ici par « non oxydé » le fait d'être apte au brasage. Cette aptitude peut résulter du fait que le bord périphérique BP de la première pièce P1 a été préalablement pourvu d'un revêtement en zinc électrolytique ou galvanisé (avant son plaquage) ou décapé avec un désoxydant. Il est rappelé que la température très élevée qui est induite par un arc de torche lors d'un soudage provoque une pulvérisation de la couche de zinc protectrice qui garantit que le bord périphérique BP n'est pas oxydé au moment où il va être effectivement soudé (ou brasé) à la partie PS de la seconde pièce P2.
De préférence, dans l'étape (i) on incline la partie PS de la seconde pièce P2 par rapport à la direction horizontale X d'un angle qui est compris entre environ 70° et environ 90° . On notera que dais l'exemple de réalisation non limitatif illustré sur les figures 3A à 3C, cet angle d'inclinaison est sensiblement égal à 90° . Par conséquent, la partie PS de la seconde pièce P2 est sensiblement parallèle à la direction verticale Z et sensiblement perpendiculaire à la direction horizontale X, et donc la face d'extrémité FE du bord périphérique BP est sensiblement parallèle à la direction horizontale X (position dite « en corniche »). Mais d'autres valeurs d'angle d'inclinaison peuvent être utilisées dès lors qu'elles permettent la réalisation de l'étape (ii).
Dans l'étape (ii), du procédé selon l'invention, on commence, comme illustré sur la figure 3A, par générer sur la partie PS de la seconde pièce P2, dans une zone Z qui est située à une distance choisie au-dessus de la face d'extrémité FE du bord périphérique BP, un bain de soudure BS à base d'aluminium avec une torche TS à transfert de métal froid (ou CMT).
On entend ici par « bain de soudure » une petite quantité de métal de soudure fondu, en fusion, qui a été générée par l'extrémité (ou fil) ET d'une torche CMT TS. Il est rappelé que la technique CMT est une technique de soudage à l'arc électrique dans laquelle le fil ET subit des mouvements de va- et-vient qui permettent un transfert de matière à courant réduit (presque nul), et donc un dépôt de matière plus « froide » qu'avec une technique de soudage classique.
A titre d'exemple non limitatif, le bain de soudure BS peut être à base d'aluminium, de silicium et de manganèse. Par exemple, il peut comprendre 3% de silicium et 1 % de manganèse.
L'étape (ii) se poursuit, comme illustré sur les figures 3B et 3C, en faisant descendre par gravité le bain de soudure BS (flèche F1 ) jusqu'à ce qu'il bute sur la face d'extrémité FE du bord périphérique BP, puis en laissant le bain de soudure BS se solidifier pour définir une soudure ou un brasage final SF (voir figure 3C).
On comprendra que le dépôt initial de métal fondu (ou bain de soudure BS) dans une zone Z distante de la face d'extrémité FE est destiné à empêcher la fusion du bord périphérique BP en acier par l'arc de l'extrémité ET de la torche CMT TS, de manière à permettre une liaison finale par brasage, de qualité.
De préférence, la zone Z est générée à une distance au-dessus de la face d'extrémité FE qui est comprise entre environ 1 mm et environ 3 mm. Par exemple, cette distance peut être choisie sensiblement égale à 2 mm.
On comprendra également que l'inclinaison de la partie PS de la seconde pièce P2 est destinée à permettre la descente par gravité du bain de soudure BS (flèche F1 de la figure 3B).
Afin que le bain de soudure BS ne se solidifie pas avant d'atteindre la face d'extrémité FE, il est particulièrement avantageux qu'il soit maintenu à une température élevée. Pour ce faire, on peut, par exemple, écarter puis 5 rapprocher au moins une fois du bain de soudure BS (en cours de descente par gravité) l'extrémité ET de la torche CMT TS. Comme illustré non limitativement par la flèche F2 de la figure 3B, cette variation de distance entre le bain de soudure BS et l'extrémité ET (par va-et-vient) peut se faire sensiblement suivant la direction horizontale X.
î o Par exemple, l'écartement (ou variation de distance) peut être compris entre environ 1 mm et environ 3 mm. Ainsi, il peut être choisi sensiblement égal à 2 mm.
Le nombre d'écartements et de rapprochements (ou va-et-vient) varie notamment en fonction de la distance séparant la zone Z de la face 15 d'extrémité FE, de l'angle d'inclinaison de la partie PS de la seconde pièce
P2, et de la température du bain de soudure BS.
On notera que l'épaisseur du bord périphérique BP au niveau de sa face d'extrémité FE doit être suffisante pour que cette dernière (FE) puisse recevoir et maintenir le bain de soudure BS liquide pendant sa solidification.
20 La roue hybride RH, résultant de la mise en œuvre du procédé de soudage décrit ci-avant, permet un gain de poids d'environ 20% par rapport à une roue exclusivement en acier. Cela permet de réduire la consommation d'énergie du véhicule qu'elle équipe, et donc possiblement la pollution qu'il génère lorsqu'il comprend un moteur thermique.
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Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de soudage d'une première pièce (P1 ), en acier et comprenant un bord périphérique (BP), sur une partie (PS) d'une seconde pièce (P2) en aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend une étape (i) dans laquelle on positionne ladite partie (PS) de façon inclinée par rapport à une direction horizontale, puis on plaque ledit bord périphérique (BP), non oxydé, contre ladite partie (PS) en orientant une face d'extrémité (FE) qu'il (BP) comprend vers le haut, et une étape (ii) dans laquelle on génère sur ladite partie (PS), dans une zone (Z) située à une distance choisie au-dessus de ladite face d'extrémité (FE), un bain de soudure (BS) à base d'aluminium avec une torche (TS) à transfert de métal froid, puis on fait descendre par gravité ledit bain de soudure (BS) jusqu'à ce qu'il bute sur ladite face d'extrémité (FE), puis on laisse ledit bain de soudure (BS) se solidifier.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que dans ladite étape (i) on incline ladite partie (PS) par rapport à ladite direction horizontale d'un angle compris entre environ 70° et environ 90?
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que dans ladite étape (i) on plaque ledit bord périphérique (BP) pourvu d'un revêtement en zinc.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que dans ladite étape (i) on plaque ledit bord périphérique (BP) après l'avoir décapé avec un désoxydant.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que dans ladite étape (ii) on fait descendre par gravité ledit bain de soudure (BS) en écartant puis en rapprochant au moins une fois dudit bain de soudure (BS) une extrémité (ET) de ladite torche (TS).
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit écartement est compris entre environ 1 mm et environ 3 mm.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que dans ladite étape (ii) ladite zone (Z) est générée à une distance au-dessus de ladite face d'extrémité (FE) comprise entre environ 1 mm et environ 3 mm.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que dans ladite étape (ii) on génère un bain de soudure (BS) à base d'aluminium, de silicium et de manganèse.
9. Roue hybride (RH) pour un véhicule, caractérisée en ce qu'elle 5 comprend une première pièce (P1 ) en acier solidarisée à une seconde pièce
(P2) en aluminium par la mise en œuvre d'un procédé de soudage selon l'une des revendications précédentes.
10. Roue hybride selon la revendication 9, caractérisée en ce que ladite première pièce (P1 ) est un voile destiné à être solidarisé à un moyeu d'un î o essieu dudit véhicule, et ladite seconde pièce (P2) est une jante.
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