INFO SOUDAGE

INTRODUCTION

Le soudage est appliqué sur ungrand nombre de matériaux dansde nombreux secteurs. Lesavantages du soudage parrapport aux assemblagespurement mécaniques ou aucollage sont connus: • construction plus légère(absence de recouvrement)• moins de risques de fentes quipeuvent donner lieu à de lacorrosion localisée• transition plus continue entre lespiècesDe nombreux métaux et leurscombinaisons sont bien soudablesà condition de tenir compte desmodes opératoires usuels.Cependant, il y a descombinaisons de matériaux quisont très difficiles à réaliser et quipourraient offrir des perspectives

intéressantes à de nombreusesentreprises. Le soudage del'aluminium à de l'acier en est untrès bon exemple. Le nombre deprocédés pour avoir une soudurede qualité et reproductible, esttrès limité. Un exemple est lesoudage par explosions pour leplacage de l'aluminium sur unetôle d'acier pour, par ex., laconstruction navale ou laproduction d'éléments detransition (figure 1).Au cours des dix dernièresannées, il y a eu cependant desévolutions diverses qui semblentpouvoir insuffler une nouvelle vieà ce rêve. Cet article a pourobjectif de donner un aperçu surl'état de la question d'une sériede procédés avec mention desavantages et des inconvénients etles applications potentielles oudéjà commercialisées. Nous

espérons que celui-ci donneramatière à réfléchir au lecteur pourune innovation ou uneoptimalisation dans sa propreproduction. L'IBS suit de près cesnouvelles techniques de façon àpouvoir conseiller et soutenirl'application de ces nouvellestechniques.

POURQUOI SOUDER DEL'ALUMINIUM A DEL'ACIER?Avant de parler de laproblématique del'assemblage del'aluminium à de l'acieravec des procédés desoudage usuels(MIG/MAG, TIG), ilfaut d'abord répondreà la question suivante:pourquoi serait-onintéressé par lacombinaison de cesmatériaux?La majorité desapplications où lesassemblagesaluminium-acier sontjustifiés est dictée par l'utilisationoptimale du matériau: l'emploid'un matériau donné aveccertaines propriétés, à un endroitprécis. Un des secteurs le plusimportant où on tend à utiliser lematériau optimal est le "transport"dans le sens le plus large duterme: industrie automobile,construction navale, transportaérien et spatial, constructionferroviaire … Les propriétés importantes dont on

peut tenir compte dans uneapplication donnée sont:• Résistance• Rigidité• Déformabilité• Conductibilité• Résistance à la corrosion• Poids spécifique• Coût du matériauSur certains de ces points,l'aluminium a un score bienmeilleur que l'acier (poids

spécifique, résistance àla corrosion,conductibilité thermiqueet électrique) et surd'autres points il estmoins bon (par ex.rigidité et coût).Dans le cas idéal, onobtient une constructionqui satisfait à tous lescritères cités ci-dessus.Grâce aux nouveauxprocédésd'assemblage, il estpossible d'utiliserl'aluminium encombinaison avecl'acier pour uneapplication donnée,

précisément aux endroits où leurspropriétés spécifiques le justifientle plus étant donné qu'il estpossible d'assembler cesmatériaux très correctement defaçon à former un seul ensemble.

PROBLEMATIQUEQu'est-ce qui rend l'assemblagethermique de l'aluminium à l'aciersi difficile? En fait, la réponse adeux facettes.

ASSEMBLAGES ALUMINIUM-ACIER:DEVELOPPEMENTS RECENTS

UN APERÇUCet article donne un aperçu de quelquestechniques récentes prometteuses pour assemblerde l'aluminium à de l'acier. Il semble, en effet, que de plus en plus d'évolutionsdans le soudage permettent de combiner cesmatériaux. Les méthodes d'assemblage purement mécaniquesou par collage ne sont pas prises en compte danscet article.

Par ir. Wim Van Haver et ir. Koen Faes, EWECentre de Recherche de l'IBS(Traduction: M.C. RITZEN – IBS)

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Figure 1: Pièce de transition soudée par explosion (voir détail) pour l'assemblaged'un pont en acier à une superstructure en aluminium dans la construction navale.Source: Triplate®

PROPRIETES DE BASE DU FER ET DE L'ALUMINIUMFER ALUMINIUM

POIDS SPECIFIQUE (kg/dm³) 7,85 2,7

TEMPERATURE DE FUSION (°C) 1536 660

COEFF. DE CONDUCT. THERMIQUE (W/mK) 75 238

COEFF. DE DILATATION THERMIQUE (1/K) 12,3 x 10-6 23,8 x 10-6

MODULE D'ELASTICITE E (MPa) 210.000 72.000

RESISTANCE A LA TRACTION Rm (MPa) 270-410 80

LIMITE D'ALLONGEMENT Rp0,2 (MPa) 180-250 35

ALLONGEMENT APRES RUPTURE A5 (%) 30 42

POTENTIEL STANDARD DE L'ELECTRODE (V) -0,447 -1,662

LA GRANDEDIFFERENCE EN

DILATATIONTHERMIQUE ET

MODULE D'ELASTICITEAURA, PAR EX.,

POUR RESULTAT DESTENSIONS

THERMIQUES ELEVEESQUI PEUVENTPRODUIRE DESDEFORMATIONS

DEMESUREES OU DESTENSIONS

RESIDUELLES

INFO SOUDAGED'une part, il y a une grandedifférence entre les propriétés del'aluminium et du fer. Le ableauen donne un aperçu basé sur lalittérature.La grande différence en dilatationthermique et module d'élasticitéaura, par ex., pour résultat destensions thermiques élevées quipeuvent produire desdéformations démesurées ou destensions résiduelles. Une autre différence significative,importante après soudage, est lagrande différence en potentielstandard d'électrode: le fer estbeaucoup plus noble (moinsnégatif) que l'aluminium ce qui apour conséquence que desmesures doivent être prises pouréviter de la corrosion galvaniqueexcessive du côté de l'aluminium:par ex., utilisation de couchesprotectrices (utiliser de l'aciergalvanisé) ou éviter un contactavec un électrolyte (comme l'eau).D'autre part, il existe une trèsgrande affinité entre l'aluminiumet le fer ce qui constitue en fait unplus grand défi pour réaliser unassemblage thermique de qualité.Le diagramme d'état binaire duFe-Al est très complexe. Différentsassemblages intermétalliquesapparaissent, tels que Fe3Al,Fe2Al5 et FeAl3. La solubilité du Fe dans l'Al solideest négligeable de telle sorte quedu FeAl3 se forme très rapidementtandis que du Fe solide peutdissoudre une quantitésignificative d'Al (par ex. 11% à400 °C) (voir figure 2).Lors de l'assemblage thermiquedu fer et de l'aluminium, desassemblages intermétalliquesindésirables apparaissent doncrapidement. Même après traitement thermique,certaines phases intermétalliquessubsistent. Typiquement, dans unassemblage thermique, on a duFe2Al5 (dureté: 1000-1100 HV)du côté de l'acier et du FeAl3

(dureté: 820-980 HV) du côté del'aluminium. Ce sont donc des phases trèsdures et très fragiles qui peuventavoir un impact catastrophiquesur les propriétés mécaniques del'assemblage. On estime souvent que, si lacouche intermétallique estinférieure à 10 μm, une souduresuffisamment résistante peut êtreréalisée dont la résistance est plusinfluencée par les propriétés dumatériau de base que par cellesdes phases intermétalliquesfragiles. Dans le cas des procédés desoudage par fusion où seul lecôté aluminium est fondu(éventuellement avec utilisationd'un métal d'apport aluminium),on dépose souvent une couchede zinc du côté de l'acier. Cecipermet de limiter l'épaisseur de lacouche intermétallique; l'acier estmieux humidifié par l'aluminiumen fusion et l'apparition decorrosion galvanique dans lasoudure est limitée.

TECHNIQUES DE SOUDAGEPROMETTEUSES POURL'ASSEMBLAGE ALUMINIUM-ACIERDans le cas des techniques citéesci-après, l'acier n'est jamaisfondu. En raison des températurestrès élevées, l'aluminium est trèsliquide, avec toutes lesconséquences y afférentes. Laconductibilité thermiquebeaucoup plus élevée del'aluminium rend la fusion del'acier naturellement beaucoupplus difficile. En outre, plus latempérature est élevée, plus longest le temps de refroidissement etplus de phases intermétalliques seforment.Dans les techniques ci-après, oubien le côté de l'aluminium estfondu avec un faible apportcalorifique (CMT, ColdArc,soudage au laser), ou bien

l'assemblage est réalisé sansaucune fusion en faisant appel àla déformation plastique (soudagepar friction, soudage friction stir etsoudage par impulsionmagnétique).

CMT et ColdArcLe procédé "ColdMetal Transfer" (CMT),récemment développépar Fronius, est unevariante du procédéde soudageMIG/MAG. Le CMTest un procédé desoudage à l'arc encourt-circuit avec une toutenouvelle méthode de détachementdes gouttes du fil de soudage.Par accouplement du dévidagedu fil au déroulement du courantet de la tension, ce procédépermet de souder avec un apportcalorifique très faible. En retirant légèrement le fil desoudage après le contact avec lapièce et en limitant le courant desoudage, le transfert de métal estréalisé sans projections. L'arc

électrique va s'allumerspontanément suite à latempérature élevée etl'augmentation de la tension.

Après le transfert dumétal, le fil est denouveau alimenté et lecourant augmente detelle sorte que letransfert de métalsuivant peut se faire.Avec ce procédé,l'aluminium et l'acierpeuvent être assemblésavec succès (figure 3).En raison du faibleapport calorifique, la

formation d'une coucheintermétallique peut être limitée.La coupe transversale de lafigure 3 laisse nettement voir quel'aluminium (au-dessus) est brasé àl'acier (en dessous). Jusqu'ici, la plupart desrecherches se sont axées surl'assemblage de l'aluminium à del'acier galvanisé où la couche dezinc améliore l'humidification parl'aluminium fondu.La technique ColdArc de EWM

Figure 2: Diagramme d'état binaire du fer et de l'aluminium

Figure 3: Soudure à recouvrement réalisé avec le procédé CMT entre une tôle supérieure en aluminium et une tôle inférieure en acier. Sur la figure de droite, on peut voir quel'aluminium est en fait brasé à l'acier. Source: Fronius

LORS DEL'ASSEMBLAGE

THERMIQUE DU FERET DE L'ALUMINIUM,

DES ASSEMBLAGESINTERMETALLIQUES

INDESIRABLESAPPARAISSENTRAPIDEMENT

INFO SOUDAGEest une variante du soudage àl'arc par court-circuit. Avec ceprocédé, le fil de soudage n'estpas retiré pour provoquer letransfert de métal (comme c'est lecas dans le procédé CMT). Le très faible apport calorifiqueest obtenu en modifiant ledéroulement de courant parl'application d'un nouveau typede commutation à hautedynamique (inverteur) et ce, encombinaison avec un contrôlerapide et digital du processus.Cette technique permet égalementde souder l'aluminium à del'acier. Le procédé ColdArc peut êtremanuel ou automatisé. Leprocédé CMT est surtoutapproprié pour l'automatisation etla robotisation mais, d'ici peu, ilpourrait être utilisé manuellement.Il faut noter que lesprocédés de soudageCMT et ColdArc,appliqués sur l'acier etl'acier inoxydable, vontfaire l'objet d'une étudedans le cadre du projetde recherche collectiveINNOLAS menée parl'IBS-OCAS. Ce projet,subsidié par l'IWT-Vlaanderen, vient dedémarrer et sepoursuivra jusqu'enavril 2009.

Techniquesd'assemblage parlaserUn laser permet de souder avecun très faible apport calorifiquecar toute l'énergie est concentréedans un fin rayon. Des vitesses desoudage élevées peuvent êtreatteintes. Il existe différentespossibilités permettant de réaliserdes soudures de qualité au laserentre l'aluminium et l'acier. Dans la plupart des procédés desoudage au laser, l'aluminium estfondu (avec ou sans métald'apport) et l'acier est humidifiépar l'aluminium fondu. Les facteurs cruciaux sont lepositionnement du rayon laserainsi que l'appareillage declamage. Les procédés desoudage au laser ont pouravantage d'avoir une vitesse desoudage plus élevée que cellesobtenues avec le CMT et leColdArc mais, d'un autre côté, lestolérances sont très importantes:l'écartement doit être aussi étroitque possible.Afin de résoudre le problème decette faible flexibilité, l'institut derecherche allemand BIAS a misau point deux procédés desoudage au laser hybride (HybridLaser Welding, HLW)spécialement pour l'assemblagede l'aluminium à de l'acier, avecmaintien de la productivité dusoudage au laser: le procédé desoudage hybride laser-MIG et le

procédé de soudage hybridelaser-plasma. Avec le procédé de soudagehybride laser-MIG, on peutsouder bout à bout 2 mmd'aluminium à de l'acier avec unevitesse de soudage allant jusque4 m/min! De plus, ce procédépermet de souder un chanfreinjusque 1 mm. Des exigencesnettement plus faibles peuventainsi être posées à la préparationdu joint. En plus de la production de tôlesplanes de différentes épaisseursou de différents matériaux qui sontsoudés avant étirage pourl'industrie automobile, BIAS voitégalement des possibilitésd'application dans la constructionnavale entre autres.Dans le cadre de projets derecherche collective subsidiée par

l'IWT, ALUWELD(terminé début 2006)et HYLAS (en coursjusque début 2008),l'IBS a pu acquérirbeaucoupd'expérience en ce quiconcerne le HLW desalliages d'aluminium etdes aciers. EnBelgique, VITO etOCAS disposentd'appareillageshybrides laser-MIG/MAG; de plus,VITO a depuis peu unappareillage hybridelaser-plasma.

Dans le cadre de ce chapitre, ilest bon de mentionner égalementle "Fluxless Laser Brazing" qui aété récemment mis au point parCorus RD&T. Avec ce procédé, comme dans lecas du CMT, le côté aluminiumest fondu à l'aide du métald'apport en aluminium tandis quele côté acier est brasé (figure 4).La couche intermétallique du côtéde l'acier n'aurait qu'uneépaisseur de l'ordre de 1 μm.L'avantage de cette technique parrapport au soudage au laserclassique est qu'aucun flux ne doitêtre appliqué qui peut être unesource de corrosion. Ceci vaut d'ailleurs égalementpour les procédés de soudagehybride au laser. Avec le brasagesans flux, Corus s'adresse enparticulier à l'industrie automobile.

Soudage par frictionDans le cas du soudage parfriction conventionnel par rotation,deux pièces (dont au moins une àgéométrie symétrique en rotation)sont pressées l'une contre l'autre.Une des pièces est mise enrotation de telle façon que celle-ciest échauffée par friction jusqu'àune température inférieure aupoint de fusion et ensuite soumiseà un forgeage. L'essentiel ici est la températurerelativement basse qu'atteint le

Figure 5: Pièce de photocopieuse composée d'un corps en aluminium et d'extrémitésen acier inoxydable, soudés l'un à l'autre à l'aide du soudage par friction Source: Manufacturing Technology, Inc.

Figure 6: Eléments d'appareil pour radiographie composé d'un anneau en acierinoxydable et d'un couvercle sphérique en aluminium, soudés avec recouvrement avecle FSW. Source: RIFTEC

LE SOUDAGE PARFRICTION CLASSIQUEEST LIMITE CAR AU

MOINS UNE DESDEUX PIECES DOIT

ETRE SYMETRIQUE ENROTATION TANDIS

QUE LE FSWPERMET DE SOUDERDES TOLES ET DES

PROFILES EN BOUT ABOUT ET AVEC

RECOUVREMENT

Figure 4: Assemblage aluminium-acier réalisé avec “fluxless laser brazing”Source: Corus

INFO SOUDAGEmatériau. Ce qui est spécifiquelors du soudage aluminium-acierest que la formation de la coucheintermétallique reste limitée detelle sorte que des propriétésmécaniques admissibles peuventêtre obtenues. Les applications les plus connuesdu soudage par frictionaluminium-acier sont lessuspensions anodiques pour laproduction d'aluminium, lespièces pour photocopieuses(figure 5), les appareils souspression cryogéniques et lesustensiles de cuisson. A court terme, l'IBS disposera ànouveau d'une machine desoudage par friction.En plus du soudage par frictionpar rotation, il existe également lesoudage par friction orbital etlinéaire où il n'est pas obligatoirequ'une pièce ait une sectioncirculaire.

Friction stir weldingLors du friction stirwelding (FSW)(soudage par frictionmalaxage), la pièce estéchauffée par friction,comme c'est le casavec le soudage parfriction. Mais, dans le cas duFSW, la chaleur defriction est créée entreun outil en rotationréutilisable et la surfacedes pièces àassembler. La partie de l'outil enfoncée dansle matériau (le pion) assure enoutre le mélange mécanique despièces à souder. Lors du FSW, onn'a pas de fusion à proprementdit de telle sorte que la formationde phases intermétalliques estlimitée. Le soudage par friction classiqueest limité car au moins une desdeux pièces doit être symétriqueen rotation tandis que le FSWpermet de souder des tôles et desprofilés en bout à bout et avecrecouvrement. La figure 6 montre un exempled'une application commerciale duFSW de l'aluminium sur l'acierinoxydable (avec recouvrement).Le soudage par points estégalement possible avec le FSW.Cette technique est déjàappliquée à l'échelle industriellechez Mazda. Pour le soudage par points del'aluminium, Mazda déclare uncoût d'investissement moindre de40% par rapport au soudage parrésistance (il n'est pas sûr que lesfrais de licence du FSW aient étépris en compte) ainsi qu'unediminution en consommationd'énergie lors du soudage de99%! La figure 7 montre le tout premierexemple d'une applicationcommerciale d'un assemblage

aluminium-acier à l'aide du FSW.La couche de zinc sur l'acier a,en plus de la limitation decorrosion galvanique, uneinfluence positive en ce quiconcerne la formation de phasesintermétalliques néfastes.Des recherches sont menéesmondialement sur le FSW del'aluminium et de l'acier en raisondu haut intérêt porté par l'industrieautomobile. Un sujet important est le choix etla mise au point du matériau del'outil.En Belgique, CEWAC possèdeun appareillage FSW qui est àmême de souder de l'acier à del'aluminium. L'IBS collabore actuellement avecle CEWAC au projet CASSTIR,subsidié par le SPF deprogrammation PolitiqueScientifique, consacré au FSW

des alliagesd'aluminium.

Soudage parimpulsion magnétiqueAu contraire destechniques mentionnéesci-avant, à l'exclusiondu soudage parexplosions, le soudagepar impulsionmagnétique (MPW)n'utilise pas de chaleurpour réaliser unesoudure. Lors du MPW, unebobine est placée au-

dessus des pièces à souder maissans être en contact avec celles-ci. Durant le cycle de soudage,une très grande quantitéd'énergie électrique est libérée enun laps de temps très court. Ce flux élevé d'énergie traverse labobine et cette décharge decourant induit des courants deFoucault dans la pièce externe. Larépulsion entre les deux champsmagnétiques développe une forcequi donne une très grande vitesse(> 1000 km/h) à la pièceexterne en direction de la pièceinterne. Ceci provoque unedéformation rémanente, sansretour de la pièce à sa formeinitiale. Le procédé est appropriépour l'assemblage de produitstubulaires dans une configurationà recouvrement. Le soudage aluminium-acierappartient également auxpossibilités de ce procédé. Lafigure 8 montre un exemple d'uneapplication possible: en utilisantun corps en aluminium, uneéconomie en poids de 1 kg parmètre peut être réalisée.L'IBS va présenter un projet derecherche collective auprès del'IWT-Vlaanderen pour labiennale 2008-2009. La recherche ne seranaturellement pas limitée àl'aluminium-acier; de nombreusescombinaisons sont concevables

(acier-acier, aluminium-aluminium,aluminium-cuivre …). Les entreprises désirant apprendreà connaître les possibilités de latechnique MPW pour leurspropres produits peuventparticiper à ce projet derecherche et prendre contact avecl'IBS aussi rapidement quepossible.

CONCLUSIONCet article permet de montrer queles développements dans le

soudage offre, en effet, despossibilités pour la réalisationd'assemblages de qualité acier-aluminium. Le choix de la technique la plusappropriée dépend del'application, de l'importance desséries et de la nature del'assemblage (soudure par point,soudure avec recouvrement ousoudure bout à bout).Les entreprises intéressées parl'une ou l'autre technique peuventtoujours prendre contact avecl'IBS.

Figure 8: Arbre de commande constitué d'un tuyau en aluminium et de pièces enacier, assemblés avec le soudage par impulsion magnétique. Source: Pulsar

Figure 7: Mazda MX-5 (au-dessus), la première application commerciale du frictionstir spot welding (FSSW) entre l'aluminium et l'acier galvanisé. Le couvercle de coffre(en dessous) est assemblé à l'aide du FSSW avec des boulons d'ancrage (coinssupérieurs à gauche et à droite). Source: Mazda

LE CHOIX DE LATECHNIQUE LA PLUSAPPROPRIEE DEPENDDE L'APPLICATION,DE L'IMPORTANCE

DES SERIES ETDE LA NATURE

DE L'ASSEMBLAGE(SOUDURE PAR

POINT, SOUDUREAVEC RECOUVREMENTOU SOUDURE BOUT

A BOUT)