UNITÉ D’EXPERTISE

NOUVEAUX PROCÉDÉS DE SOUDAGE ET TRIBOLOGIE

SOUDAGE PAR EXPLOSION

Département génie des matériaux et ingénierie des procédés

Encadré par : M. ETTAQI

Réalisé par : Amal BAHIJ

Hamza BENBOUBADDI

Niveau : 5ème

Année ENSAM

- 2013 -

SOUDAGE PAR EXPLOSION | 2

REMERCIEMENTS

Au terme de ce travail, il serait injuste de notre part d’entamer la rédaction le présent

rapport sans exprimer la reconnaissance et la gratitude que nous devons à tous ceux dont on a

sollicité l’aide et la collaboration.

Notre gratitude s’adresse tout spécialement à notre encadrant M. ETTAQI, pour son

soutient et ses prestigieux conseils, qu’il n’a cessé de nous prodiguer au cours de la réalisation

de ce modeste travail.

On souhaite également remercier la direction de l’ENSAM, ainsi que tout le corps

professoral et administratif pour les efforts qu’ils fournissent afin de nous garantir une

formation de qualité.

SOUDAGE PAR EXPLOSION | 3

SOMMAIRE

I. INTRODUCTION ........................................................................................................................... 5

II. SOUDAGE EN PHASE SOLIDE ................................................................................................... 6

III. SOUDAGE PAR EXPLOSION .................................................................................................. 7

1. DÉFINITION .............................................................................................................................. 7

2. LA TECHNIQUE ........................................................................................................................ 7

3. UTILISATION .......................................................................................................................... 11

4. EXPLOSIFS .............................................................................................................................. 12

IV. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU SOUDAGE PAR EXPLOSION ......................... 12

V. APPLICATIONS ........................................................................................................................... 13

VI. DISPOSITION ALTERNATIVE POUR LE SOUDAGE PAR EXPLOSION ........................ 14

VII. EXEMPLE DE DEFAUT DE SOUDAGE PAR EXPLOSION ............................................... 15

VIII. CONCLUSION ......................................................................................................................... 15

IX. BIBLIOGRAPHIE .................................................................................................................... 16

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LISTE DES FIGURES

Figure 1 Organigramme des procédés de soudage les plus répandus .................................................... 5

Figure 2 Aspect ondulé de la soudure par explosion .............................................................................. 7

Figure 3 Disposition du métal de base et du placage ............................................................................. 8

Figure 4 Liaison des deux pièces à partir de l'angle α ........................................................................... 8

Figure 5 Schéma de l'arrangement dans le soudage par explosion ........................................................ 9

Figure 6 Interface ondulée après le soudage par explosion ................................................................. 10

Figure 7 Soudabilité par explosion de quelques combinaisons de métaux ........................................... 11

Figure 8 Cette grande autoclave à haute pression est utilisé pour lixiviation du minerai de nickel .... 13

Figure 10 Bague de 3” en diamètre AI/SS ............................................................................................ 14

Figure 9 Assemblage UHV Cuivre / Inox 12" ....................................................................................... 14

Figure 11 Disposition alternative pour le soudage par explosion. ....................................................... 14

Figure 12 Manque de fusion au stade initial et arrachement local du matériau de placage ................ 15

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I. INTRODUCTION

Ce présent travail s’intéresse dans sa totalité à un procédé de soudage qui est bien récent,

il s’agit du soudage par explosion. En effet, ce type de soudage, qui se fait en phase liquide,

fait partie de la famille du soudage par pression qui est un procédé également nommé «

assemblage par pression ». Pour cela un composant spécialement cranté, par ex. un écrou ou

un boulon fileté, est placé dans un trou estampé ou fraisé puis pressé (déformé à froid) dans la

pièce de fabrication par une force s'exerçant axialement sur le composant ajouté.

Ces pièces à souder par pression spécialement formées se lient de telle façon avec la pièce

de fabrication qu'une séparation n'est possible que par l'emploi de la force. Cette méthode

présente beaucoup d’avantages par rapport à d'autres techniques d'assemblage.

Figure 1 Organigramme des procédés de soudage les plus répandus

SOUDAGE PAR EXPLOSION | 6

II. SOUDAGE EN PHASE SOLIDE

Les procédés de soudage en phase solide ont été développés avant ceux passant par une

phase liquide à cause des exigences d'apport d'énergie moins sévères pour les premiers. Un

exemple bien connu est le soudage par forgeage qui était utilisé dans la fabrication d'armes

déjà dans les temps très reculés.

Dans les procédés de soudage en phase solide les joints sont établis par au moins un des

trois mécanismes suivants:

1. Un mouvement relatif des deux pièces à joindre donne lieu au cisaillement des points

de contact, produisant des régions non-contaminées qui sous pression forment des

joints métalliques entre les pièces. Ce mécanisme intervient dans les procédés de

soudage par friction et soudage par ultrason.

2. Une déformation coordonnée des deux pièces à joindre produit des régions non-

contaminées qui sous pression forment des joints métalliques entre les pièces. Cela est

le cas pour le soudage par explosion et le soudage par pression à chaud et à froid.

3. La diffusion préférentielle suscitée par une force qui met l'interface sous pression

permet de réduire le volume de pores entre les surfaces à joindre. Ceci est utilisé dans

le soudage par diffusion.

Les procédés de soudage en phase solide - sauf le soudage par diffusion - nécessitent

donc toujours une déformation très importante, ce qui limite ces procédés aux métaux ductiles

et aux géométries simples. Pour des matériaux mous, la déformation se réalise déjà à

température basse tandis que pour des matériaux à limite élastique plus élevée une

augmentation de température qui abaisse la limite d'écoulement est nécessaire. Une

température élevée facilite aussi certains mécanismes favorables au soudage complet, p. ex. la

diffusion des atomes et la recristallisation. La dernière sert surtout à augmenter la ductilité du

joint.

En revanche, puisque aucune phase liquide n'est présente et la température reste

souvent largement en dessous du point de fusion les pièces à souder peuvent garder au moins

partiellement leurs microstructures et leurs propriétés mécaniques ne sont donc pas ou que

peu détériorées.

En plus, ces procédés se prêtent pour joindre des matériaux dissemblables, notamment

avec des larges différences de point de fusion. Ce dernier point est un avantage considérable

par rapport aux procédés passant par une phase liquide. En outre, des microstructures de

solidification sont évitées. [1]

Dans ce qui suit on va s’intéresser au soudage par explosion.

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III. SOUDAGE PAR EXPLOSION

1. DÉFINITION

Le soudage par explosion consiste en une collision de haute énergie de deux surfaces

inclinées l'une par rapport à l'autre ce qui induit un écoulement hydrodynamique des deux

surfaces. Le métal "frais" sortant de cet écoulement se joint avec celui de la plaque accélérée.

Découvert fortuitement en 1957 au cours d'opérations de formage par explosion, est

essentiellement employée pour assembler des métaux de nature différente, par exemple de

l'aluminium sur de l'acier, L’explosion est utilisée pour générer une grande pression entre les

plaques métalliques. Les métaux fusionnent à un niveau atomique. La structure composée

ainsi obtenue est d’une qualité exceptionnelle et possède des caractéristiques métallurgiques

cohérentes.

Figure 2 Aspect ondulé de la soudure par explosion

2. LA TECHNIQUE

Le soudage par explosion utilise l'énergie libérée par une charge d'explosif pour provoquer

entre deux surfaces à assembler une collision dirigée de telle sorte que la ligne de contact se

déplace régulièrement pendant l'explosion. La charge d'explosif, d'épaisseur uniforme,

recouvre le placage disposé, soit en parallèle, soit en dièdre vis-à-vis du support. (Le tir en

dièdre ne peut être utilisé pour les grandes longueurs à cause de l'écartement trop important

obtenu rapidement, qui conduit à des soudures de moins bonne qualité.)

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L'explosion projette violemment le revêtement sur le support et un mince jet de métal

plastifié jaillit en précédant le front de contact. Ce jet de métal arrache les oxydes pouvant

contaminer les surfaces et assure ainsi une propreté parfaite nécessaire à l'obtention d'un joint

de qualité. Afin de protéger le placage contre une détérioration superficielle lors du tir, on

interpose entre l'explosif et ce dernier un amortisseur en caoutchouc ou en chlorure de poly-

vinyle.

Le métal de base et le placage sont disposés comme l’indique la figure 3. Une nouvelle

feuille d’explosif, munie d’un détonateur, recouvre le placage. Après la mise à feu, le

phénomène de déroule comme le montre la figure 4. Les tôles sont écrasées l’une sur l’autre

sous une pression telle que les métaux sont à l’état plastique. Dans l’angle α où se fait la

liaison, toutes les impuretés superficielles sont expulsées, ce qui assure une soudure parfaite.

Parfois une feuille de métal intermédiaire est interposée entre le métal de base et le placage.

Des placages cuivre-aluminium, cuivre-acier ou cuivre nickel sont obtenus

couramment par explosion. Il en est fait usage pour souder des métaux différents par la

méthode des pièces intermédiaires.[4]

Figure 3 Disposition du métal de base et du placage

Figure 4 Liaison des deux pièces à partir de l'angle α

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Figure 5 Schéma de l'arrangement dans le soudage par explosion ainsi qu’un schéma détaillé du point de contact en cas de

situation d'équilibre

L'explosif est placé sur la tôle supérieure qui est posée à une certaine distance de la

pièce de base. Le point de contact avance avec la même vitesse que le front de détonation,

Vc = Vd.

Lors de l'explosion, la tôle est accélérée par la différence de pression de gaz. En

fonction de la densité et du type d'explosif - qui contrôle de manière globale l'augmentation

du volume après l'explosion - cette différence de pression varie de 1 à 6 GPa.

Une fois que l'explosion a commencé, l'onde de détonation se propage à travers la tôle.

Dans une situation d'équilibre dans la région du front de propagation la partie loin derrière le

front est jointe avec la pièce de base. A l'avant du front, la plaque maintient sa distance

initiale et juste derrière le front une transition entre les deux situations a lieu. Un paramètre

important dans le soudage par explosion est l'angle de flexion dynamique, marqué β dans la

figure 5. Il est lié géométriquement à la vitesse Vd du front de détonation et à la vitesse Vp

d'impact de la plaque sur la pièce de base par :

[1]

La vitesse du front de détonation Vd est une propriété de l'explosif et est liée à la

pression P accélérant la plaque par :

[2]

Où ρe est la densité de l'explosif. Pour éviter des gradients de contraintes dans la tôle

supérieure Vd est limité par conception à la vitesse du son en cisaillement dans le matériau

utilisé. Celle-ci est pour les métaux entre 400 (dans Pb) et 1000 m/s (dans l’acier et l’alu

p.ex.). La vitesse Vp au moment de l'impact avec la pièce de base est déterminée en supposant

que la pression (donc la force par section) en dessus de la tôle est constante et en multipliant

la masse par section (densité de la tôle) fois son épaisseur. On trouve:

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[3]

Où D, d, ρt sont la distance initiale, l'épaisseur de la tôle et sa densité, respectivement.

Ensuite, avec l'équation [2] :

[4]

Pour l'angle de flexion dynamique β on trouve donc :

[5]

Cet angle β est responsable du type de joint qui va s'établir dans le soudage par

explosion. Si β est trop petit, les contraintes de cisaillement dans l'interface sont faibles et il

en suit un joint plat. A partir d'une certaine valeur de β, les contraintes de cisaillement

extrudent un jet de métal de la surface qui entre en collision avec la plaque supérieur arrivant

sur la pièce de base. Cet effet répété produit un joint qui est fortement ondulé (figure 6). De

[5] il est évident que ceci est en principe contrôlé par la relation entre épaisseur de tôle

supérieure d et distance initiale D entre la tôle et la pièce de base. Comme règle générale, la

distance initiale D doit être au moins égal à l'épaisseur de la tôle supérieure pour engendrer un

joint ondulé ce qui paraît préférable d'un point de vue stabilité mécanique du joint. Si la

distance initiale D est trop grande, la tôle accélérée a trop d'énergie, fait qui nuit de nouveau

la qualité du joint en engendrant délaminage et fusion locale.

La caractéristique de la microstructure à l'interface est que les grains sont allongés en

direction de l'extrusion et qu'il y a une densité de dislocation élevée. Parfois, de petites zones

fondues et résolidifiées sont trouvées aux pointes des ondes en combinaison avec des pores, et

les interfaces plates consistent en grande partie en une couche liquéfiée et résolidifiée.

Néanmoins, pendant la formation du joint on observe peu de diffusion et d'autres effets

activés thermiquement indiquant que peu de chaleur est produite pendant ce procédé.

Figure 6 Interface ondulée après le soudage par explosion

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Aux pointes des vagues des régions localement fondues sont observées. Dans des

structures multicouches, on peut trouver différents types d'interface en fonction de la distance

initiale et des propriétés mécaniques des deux partenaires comme est le cas pour le joint 3003

Al/316L acier inoxydable. [1]

3. UTILISATION

Le soudage par explosion est surtout utilisé pour la fabrication des matériaux plaqués,

le soudage des tubes sur plaques tubulaires et la fabrication d'éléments bimétalliques. Plus

coûteux que le colaminage, le placage par explosion ne s'applique qu'aux liaisons difficiles :

Métaux métallurgiquement très dissemblables (AI - acier)

Métaux altérables à chaud (Ti -Ta - Zr)

Pièces ne supportant pas le laminage, soit à cause de leur forme, soit à cause de la

fragilité du support.

Les surfaces plaquées ou à souder peuvent être planes, cylindriques ou gauches et

peuvent avoir des dimensions variant de quelques centimètres carrés à quelques mètres carrés,

les limites supérieures dépendant des problèmes de sécurité posés par l'l'utilisation de charges

explosives importantes.

Figure 7 Soudabilité par explosion de quelques combinaisons de métaux

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4. EXPLOSIFS

Les explosifs couramment utilisées :

Explosif Vitesse de détonation (m/s)

RDX (Cyclotrimethylene trinitramine, C3H6N6O6 8100

PETN (Pentaerythritol tetranitrate, C5H8N12O4) 8190

TNT (Trinitrotoluene, C7H5N3O6) 6600

Tetryl (Trinitrophenylmethylinitramine, C7H5O8N5) 7800

Lead azide (N6Pb) 5010

Detasheet 7020

Ammonium nitrate (NH4NO3) 2655

IV. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU SOUDAGE PAR EXPLOSION

Avantages

Caractéristiques excellentes du joint, la résistance du métal le plus faible

Convient pour assembler des métaux dissemblables, normalement non soudable

Ajustement et gabarits minimum

Assemblage de larges surfaces

Large gamme d'épaisseurs qui peuvent être plaqué ensemble par explosion

Bon marché pour certaines applications particulières

Procédé autonome et simple, pas de source d'énergie externe, peut-être utilisé sur un chantier

pour des soudures sur place

Utilisation d’une petite quantité d’explosif

Inconvénients

Limité au soudage par recouvrement

Les métaux doivent avoir la résistance aux chocs suffisante, et la ductilité

Les géométries soudées doivent être simples : plane, cylindrique, conique

Risques dus à l'emploi d'explosifs (réglementation)

Demande une personne très qualifiée très empirique (repose sur l'expertise)

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V. APPLICATIONS

Composants de construction navale

En raison de la protection contre la corrosion galvanique, les matériaux de transition

soudés par explosion sont devenus très répandus partout dans l'industrie de la construction

navale.

Emballage hermétique électronique

L’emballage électronique utilisé pour les applications militaires et aérospatiales

modernes, exige toujours l’utilisation de matériaux légers. Avec un usage prolongé et les

variations successives de température, les joints de soudure étaient sujets aux fissurations.

Récipients de procédés chimiques

Un soudage par explosion peut être utilisé pour créer de grandes structures. Les

plaques sont enroulées en forme de cylindres ensuite soudés ensemble pour former un large

processus et récipients sous pression. Plaques de 40 pieds de long et dix mètres de large sont

systématiquement lié. [2]

Autres applications :

Raccordements de tubes et tuyaux.

Les principaux domaines d'utilisation de cette méthode sont les feuilles de tubes

d'échangeurs de chaleur et appareils à pression.

Contrôle à distance des raccordements dans des environnements dangereux.

Relier des métaux différents - aluminium à l'acier, les alliages de titane au Cr - Ni

acier, cuivre à l'acier inoxydable, tungstène à l'acier, etc

Fixation des ailettes de refroidissement.

Figure 8 Cette grande autoclave à haute pression est utilisé pour

lixiviation du minerai de nickel latéritique à l’acide sulfurique

chaude [2]

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Figure 10 Bague de 3” en diamètre AI/SS

VI. DISPOSITION ALTERNATIVE POUR LE SOUDAGE PAR EXPLOSION

Il se prête bien pour joindre des matériaux dissemblables et même des combinaisons

qui posent des problèmes métallurgiques comme ceux qui forment des eutectiques de

température de fusion très basse ou des phases intermétalliques, le système Fe-Ti et Fe-Al. En

outre, il y a peu de matière affectée thermiquement et les joints sont donc de même ou de plus

haute qualité (due à l'écrouissage) que les matériaux de base. Les applications sont limitées

par la ductilité requise du matériau dont est fait la tôle supérieure, limitation qui n'est pas

aussi restrictive comme dans le cas du soudage par friction et le soudage par pression.

Figure 9 Assemblage UHV Cuivre / Inox 12"

Figure 11 Disposition alternative pour le soudage par explosion: connexion par recouvrement de deux tubes utilisée

comme adaptation entre deux tubes de matériaux dissemblables. [1]

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Quant à la géométrie, ce procédé est restreint à la jonction d'une tôle mince sur une

pièce de base plate, donc le placage, ou par analogie, à la jonction par recouvrement de deux

tubes, (figure 11).

De plus, à cause des effets de transition, une certaine région (4 à 8 fois l'épaisseur de

la tôle) autour du point d'initiation de l'explosion n'est pas proprement jointe, d'où la nécessité

de couper la pièce souhaitée après le placage. Finalement, le procédé nécessite des mesures de

sécurité très sophistiquées voire chères, fait qui le limite à quelques entreprises spécialisées.

VII. EXEMPLE DE DEFAUT DE SOUDAGE PAR EXPLOSION

VIII. CONCLUSION

Finalement, le soudage par explosion donne aux concepteurs des possibilités uniques pour

concevoir et fabriquer des systèmes qui présentent des caractéristiques et performances

élevées ainsi d’augmenter leurs durées de vie. Le coût supplémentaire lié à ces matériaux est

souvent remboursé à travers le cycle de vie du produit. Beaucoup de conceptions

conventionnelles qui spécifient le brasage, le soudage, ou d'autres technologies de fixation

pourraient bénéficier, lors de la conversion, à la technologie de soudage par explosion.

Manque de fusion Gonflement

Figure 12 Manque de fusion au stade initial et arrachement local du matériau de placage [3]

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IX. BIBLIOGRAPHIE

[1] Igor PAOLETTI, Techniques d’assemblage pour les métaux , Soudage en phase solide

[2] David CUTTER, What You Can Do with Explosion Welding

[3] L.B. PERVUKHIN , Explosive Welding: Theory And Practice

[4] www.cuivre.org. Ch10 : Soudage de métaux différents