soudage par rÉsistance de l'aluminium

Cette partie traite dusoudage par résistance del’aluminium et plusspécifiquement dusoudage par points et dusoudage à la molette. Lesoudage par points est latechnique la plus utiliséedu soudage parrésistance; il fera doncl’objet d’une grande partiede cet article.Le soudage à bossagesn’est pas la technique desoudage indiqué pourassembler des alliagesd’aluminium à cause de ladéformabilité (trop)importante des matériauxà souder.

Par Patrick Van Rymenant, EWEHogeschool voor Wetenschap &Kunst, De Nayer Instituut

PRINCIPE DU SOUDAGEPAR POINTS ET DUSOUDAGE À LAMOLETTE

Le schéma de base d’une machineà souder par points est repris à lafigure 1.Les tôles à souder sont placéesentre les électrodes en cuivre dansla position de soudage. Les tôles sont ensuite serrées avecune force déterminée entre lesélectrodes. Quand la forcesouhaitée est atteinte, le côtéprimaire du transformateur desoudage est mis sous tensionquelques millisecondes plus tard. Latension d’alimentation élevée (220V/380 V) est alors transformée entension faible (moins dangereuse)de 15 V maximum. En raison decette tension et des résistancesélectriques présentes (très faibles(environ 50 à 350 x 10-6 Oh))dans le circuit secondaire(principalement résistance dumatériau et résistance de contactentre les pièces à souder) entre lesdeux électrodes de soudage parpoints, un courant électrique élevéva passer au travers du circuitsecondaire. Ce courant va assurerl’échauffement suffisant des pièces

(par effet Joule) et la fusion dumétal de la pièce dans la zoned’assemblage. Comme lesélectrodes de cuivre sont refroidiesintérieurement par de l’eau, unetrès grande partie de la chaleurproduite dans les pièces passeradans les électrodes et leur systèmede refroidissement. On a ainsi,dans le matériau, un profilthermique.Comme vous pouvez le remarquer,le profil thermique présente, à la findu temps de soudage, unmaximum à la surface deséparation entre les deux parties dela pièce où la température la plusélevée est plus grande que le pointde fusion du matériau de la pièceet précisément à l’endroit où lasoudure doit se faire. Quand il y asuffisamment de métal fondu, onmet hors tension. Les parties de lapièce restent encore serrées, durantle temps d’application de l’effort,entre les électrodes afin depermettre au métal fondu souspression de se solidifier et depermettre de suivre, via la forced’accostage sur les électrodes, leretrait du métal se solidifiant viaune déformation plastique dumatériau environnant.Le soudage à la molette est undérivé du soudage par points. Lesélectrodes de soudage par pointssont remplacées par des disques

en cuivre refroidis à l’eau. Lespièces à souder sont serrées entreles disques. Au moment où l’effortde soudage est atteint, les molettes

roulent sur les pièces et la tensionélectrique est branchée. Le courantde soudage élevé échauffe lemétal qui fond entre les pièces et lasoudure se fait.

FACTEURS D’INFLUENCE

L’aluminium et les alliagesd’aluminium possèdent, encomparaison avec l’acier, unepuissance électrique et uneconductibilité thermique plusélevées de sorte que des courantsde soudage beaucoup plus élevésen combinaison avec de brefstemps de courant doivent êtreappliqués. En plus de la puissance électriqueet de la conductibilité thermique, la

résistance électrique de contactentre les surfaces des pièces àsouder est un des facteursd’influence le plus important. Afin d’avoir une durée de vieacceptable des électrodes, il estimportant que la résistance decontact entre l’électrode et lasurface de la pièce soit aussi faibleque possible et reste à un niveauconstant. Cette résistance detransition dépend non seulement del’épaisseur et de la composition dela couche d’oxydes maiségalement de l’effort de soudageappliqué et de la surface decontact de l’électrode. Plus lasurface de contact est faible, plusla résistance de transition devientfaible; cependant la profondeur del’empreinte de l’électrode augmenteen même temps. Lors de laproduction, il faut traiter lessurfaces afin d’obtenir unerésistance de transition faible et àun niveau constant. Le traitementmécanique et/ou chimique dessurfaces a pour but d’éliminer lesoxydes.

CLASSIFICATION DESTYPES SOUDABLES

Les qualités d’aluminium sontréparties en trois groupes sur basede la puissance électrique et de laconductibilité thermique moyennes,

CAHIER IBS

LE SOUDAGE PAR POINTS ET LE SOUDAGE À LA MOLETTE

SOUDAGE PAR RÉSISTANCE DE L’ALUMINIUM

Principe d’une machine à souder par points

MET61A12 /Versie # 2

EN PLUS DE LA PUISSANCEÉLECTRIQUE ET DE LA

CONDUCTIBILITÉ THERMIQUE, LARÉSISTANCE ÉLECTRIQUE DE

CONTACT ENTRE LES SURFACESDES PIÈCES À SOUDER EST UN

DES FACTEURS D’INFLUENCE LEPLUS IMPORTANT

XX Métallerie 61 — Février 2004 XXMétallerie 61 — Février 2004


de la résistance électriquespécifique et de la courbe defusion et de solidification. Voirtableau 1.

MACHINE À SOUDER

Pour pouvoir souder l’aluminium,des exigences élevées quant auxpropriétés électriques etmécaniques de la machine àsouder sont posées. Outre lapossibilité d’utiliser des machinesfixes ou mobiles, on peutégalement avoir une répartitionsuivant le type de courant et pourle courant continu, suivant le typede redresseur. Pour le soudage, onpeut utiliser les machines à soudersuivantes:– Machines à courant alternatif:monophasées– Machines à courant continu:monophasées et/ou triphasées,redresseur ordinaire, inverteurMFDCLa machine monophasée demandeun investissement plus faible qu’unemachine à courant continu entriphasé. Cependant, il faut tenircompte du fait que, pour leraccordement des machinesmonophasées, il faut prévoir unraccordement primaire plusimportant. En soudant en courant

continu, l’aluminium peut être soudéavec une intensité de courant desoudage plus faible pour un mêmetemps de courant. Le rendementthermique est meilleur en courantcontinu qu’en courant alternatif. Cequi est plus important c’est qu’avecune machine à souder en courantcontinu, on peut avoir des courantsde soudage continus plus élevés. Ilest ainsi possible de travailler avecde courts temps de soudage. La production de chaleur dans lasurface de contact entre les deuxpièces aura ainsi un caractère plusdynamique. L’évolution du marchéest actuellement telle que c’estsurtout le MFDC (fréquencemoyenne 1000 Hz) qui a le venten poupe en raison du réglageaisé des machines et desavantages que peut offrir le courantcontinu comme déjà signalé plushaut.

ÉLECTRODES

Le métal disponible pour lesélectrodes est réparti en groupes etce, tant dans l’ISO 5182 enEurope que suivant le RWMA(Resistance Welder Manufacturers’Association) aux États-Unis. La pratique montre que les alliagesde cuivre de la classe A 1 (suivant

ISO) ou class I (suivant RWMA)(CuCd ou CuAg) sont les plusappropriés pour le soudage parrésistance de l’aluminium et de sesalliages et ce, principalement enraison de leur conductibilitéélectrique et thermique élevée. On peut également utiliser desmatériaux de la classe A 2 ouclass II, mais la conductibilitéélectrique et thermique plus faible

de ces alliages les rend moinsappropriés au soudage del’aluminium sauf dans le cas où unedureté et une température derevenu plus élevées sont exigées.Pour exemple, nous donnonsquelques propriétés physiques deCuCd et du CuCrZr.Le tableau 3 donne un aperçu de

la composition de ces deuxalliages ainsi que leurs propriétésphysiques et mécaniques. En raison de la durée de vie desélectrodes quelque peu meilleure(meilleures propriété mécaniques),la préférence va à des électrodesécrouies plutôt qu’à des électrodesayant un autre état de livraison.Les électrodes CuCrZr s’allient plusrapidement avec l’aluminium queles électrodes CuCd. Cependant, la dureté du CuCrZrest plus élevée de sorte que lasurface de contact de l’électrode sedéformera moins rapidement. La rugosité de la surface decontact de l’électrode influence ladurée de vie. Le matériau CuAg peut êtreappliqué quand des exigencesélevées pour l’aspect extérieur dela soudure sont posées. Comme le CuCrZr et le CuCd sontmoins chers que le CuAg, cedernier n’est pas utilisé aussirapidement dans la pratique.

DURÉE DE VIE DEL’ÉLECTRODE

L’aluminium et le cuivre peuvent trèsfacilement se dissoudre l’un dansl’autre ou s’allier. La température élevée qui règne à

Tableau 1: répartition des qualités d’aluminium suivant quelques critères


CAHIER IBS

LA DURÉE DE VIE DEL’ÉLECTRODE EST DÉTERMINÉE

PAR LE NOMBRE DE SOUDURESPAR POINTS OU DE LONGUEUR

DE SOUDURES QUI PEUVENT ÊTRERÉALISÉS JUSQU’À CE QUE LA

QUALITÉ DE LA SOUDURE SOITEN-DESSOUS DE LA VALEUR

MINIMALE SOUHAITÉE


la surface de contact tôle-électrodelors du soudage, favorise cetalliage. La combinaison d’uncourant de soudage élevé avec latendance à s’allier a pour résultatune durée de vie de l’électrodeassez courte. La durée de vie de l’électrode estdéterminée par le nombre desoudures par points ou de longueurde soudures qui peuvent êtreréalisés jusqu’à ce que la qualitéde la soudure soit en-dessous de lavaleur minimale souhaitée. Par qualité de la soudure, onentend par exemple le diamètre dela soudure, l’effort de refoulementou tout simplement l’aspect de lasoudure.La résistance de contact peut êtreréduite par les traitements suivantssur la tôle à souder:– MécaniqueAvant de souder, la couched’oxydes doit éliminée à l’aide debrosses rotatives en acierinoxydable ou des brosses encorindon artificiel, (diamètre du fil0,1 mm)– ChimiqueLe traitement chimique donne unesurface nettement moins rugueuse.Cette procédure de décapage doitcependant être adaptée à lacomposition chimique del’aluminium. On peut dire que plusla résistance de contact augmente,plus la durée de vie de l’électrodediminue.– Application de matériaux pourélectrodes spécialement pré-traités.– Choix optimal des réglages de lamachine à souderLors du soudage en courantalternatif, il vaut mieux souder avec

le moins possible de phasesbrusques (la préférence va à uncourant de soudage sinusoïdal).Afin de minimiser l’érosion del’électrode, le courant de pointe etle courant effectif doivent être aussiproches que possible (un très grandavantage des machines à souderDC et MF DC).

FACTEURSINFLUENÇANT LADURÉE DE VIE

La durée de vie d’une électrode estdéterminée par de nombreuxfacteurs:– Qualité de l’aluminium (typed’aluminium, état de surface,épaisseur de la tôle)– Machine à souder (propriétésmécaniques, propriétés électriques,

refroidissement des électrodes,matériau des électrodes)– Installation (géométrie de lasurface de contact des électrodes,combinaison des paramètres desoudage choisis: temps de courant,vitesse de soudage et effort desoudage de l’électrode)On peut prolonger la durée de viede l’électrode en la brossantrégulièrement avec une brosseabrasive douce. Voir figure 4.

FORME DE L’ÉLECTRODE

Pour le soudage, les formes detypes A et C schématisées dans lafigure 5 sont recommandées. Pourdes épaisseurs de tôle inférieures à1,5 mm et si la qualité de lasoudure est de moindreimportance, on utilise un type B,

électrode conique arrondie avecrayon faible. L’inconvénient aveccette forme d’électrode est que, parla charge thermique, la surface decontact montre rapidement unetendance à s’allier et qu’elle laisseune empreinte profonde dans lasurface de la tôle.On peut avoir le même phénomèneavec l’électrode cylindrique, typeD. Ce type d’électrode a unedurée de vie plus longue. Durant le soudage par points, lapartie cylindrique est consommée.La durée de vie peut varier de 200à 3.000 soudures et plus. Si on recherche à avoir uneérosion minimale de la surface decontact de l’électrode encombinaison avec un diamètre decontact à maîtriser simplement, letype d’électrode C est


Tableau 2: soudabilité avec le soudage par points et à la molette de trois groupes d’aluminium

Tableau 3: matériaux pour électrodes

CAHIER IBS


CAHIER IBS

recommandé. Le diamètre decontact peut être mis et maintenu àmesure à l’aide d’une fraiseused’électrode. Si l’empreinte de l’électrode n’estpas admise dans la surface de latôle, il faut appliquer unecombinaison d’une électrodeplane, type D ou E avec uneélectrode de type A, B ou C.

REFROIDISSEMENT DESÉLECTRODES

Afin de pouvoir concentrer ledéveloppement de la chaleur dansla surface de séparation entre lespièces à assembler, les électrodesdoivent être refroidies intensément.Avec un bon refroidissement,l’érosion de la surface de contactdes électrodes est réprimée, avecpour résultat un prolongement de ladurée de vie. Il est conseillé de maintenir ladistance d’au moins 10 mm entrela surface de contact desélectrodes et le fonds du canald’eau. Il faut au moins une températured’eau inférieure à 20 °C et undébit d’eau d’au moins 4 l/min.

EXÉCUTION DE LASOUDURE: RÉGLAGE DELA MACHINE À SOUDER

Sont décisifs pour la qualité de lasoudure: l’épaisseur de tôle, lacomposition chimique del’aluminium, l’état de surface encombinaison avec les réglages dela machine à souder, l’effort desoudage, le courant de soudage,le temps de courant, la géométriede l’électrode et les propriétésdynamiques de la tête de soudage.

SOUDAGE PAR POINTS

Les valeurs indicatives reprises dansle tableau 4 sont valables pour lesoudage en courant continu desalliages d’aluminium quiappartiennent à la catégorie III,par ex. AlMg3.

Si des alliages ayant uneconductibilité électrique plus élevéedoivent être soudés, le courant desoudage devra également être plusélevé. Les qualités d’aluminium purappartenant à la catégorie Idoivent être soudés avec un effortde soudage moindre.Pour ces valeurs, il faut noter ce quisuit:– le matériau ayant uneconductibilité élevée demande uncourant de soudage plus élevé encombinaison avec un temps courtde soudage = plus dedéveloppement de chaleurdynamique– le matériau ayant uneconductibilité faible demande uncourant de soudage plus faibleavec un temps de courant desoudage plus long

– il est recommandé de nettoyerfréquemment les électrodesSi on soude en courant alternatif, ilfaut appliquer un courant desoudage plus élevé en raison durendement plus faible du courantalternatif.Pour le soudage d’épaisseursdifférentes, il faut appliquer lavaleur pour le soudage de la tôlela plus mince. Le rapport des épaisseurs peut êtrede 1:3 maximum. Ce qui est important estl’écartement entre les soudures parpoints qui sont alignées. Par effet shunt, une partie ducourant de soudage passe par lessoudures par points adjacentes. De plus petites sections sont ainsicréées. En augmentant quelque peu le

courant de soudage, après avoirfait la première soudure par points,la section de la soudure suivantesera ramenée au niveau originel. Il faut en tenir compte lors del’évaluation des essais destructifs.Si on doit souder des alliagesd’aluminium des catégories I ou IIou des alliages de différentescatégories, les valeurs peuvent êtrecalculées sur base du tableau 5.(Remarque: calcul de l’effort desoudage et du temps de courant: sila résistance à la traction Rm =280 Mpa, code F28 et si l’alliaged’aluminium appartient à lacatégorie II, la valeur pour l’effortde soudage Fs = 12 à 17 Rm, Fs= 3360 N à 4760 N. Le temps de courant, ts, estdéterminé par l’épaisseur de tôle,e1. Pour la catégorie II, ts = 2.e1.


Prolongation de la durée de vie d’une électrode en brossant régulièrement

Tableau 4: valeurs indicatives pour le soudage du AlMg3 en courant continu


CAHIER IBS

Le courant de soudage devra êtredéterminé empiriquement.)Il faut tenir compte du fait que lesvaleurs indicatives pour le réglagedes machines telles que reprisesdans les tableaux 4 et 5 sontbonnes pour un réglage grossier duprocessus. Pour affiner le réglage desmachines, on peut tâtonner enproduction (‘trial and error’). Ceci prend cependant beaucoup

de temps et n’offre pas la garantied’avoir des résultats optimaux. Depuis quelques années, il existedes sets de simulation numériquequi permettent de calculer surordinateur un réglage aussi optimalque possible.De telles simulations permettent detrouver un réglage plus optimalbasé sur des données réellementmesurées sur des machines deproduction en action. On peut ainsi gagner sur laqualité, le temps de production etla durée de vie des électrodes.Pour avoir plus d’informations surcette manière de faire modernepour le soudage par résistance(métal soudable, exécution dusoudage par résistance), veuillezconsulter www.swantec.com ouenvoyer un e-mail à[email protected].

SOUDAGE À LAMOLETTE

Les valeurs indicatives pour leréglage de la machine à souder àla molette sont reprises au tableau6. Une bonne soudure ne peut êtreobtenue qu’en éliminant la couche

d’oxyde de la surface de la tôle. Il est conseillé de ne souder qu’encourant continu.

DÉFAUTS DE SOUDAGE

Des défauts de soudage peuventapparaître lors d’un mauvais choixlors du réglage de la machine ence qui concerne le courant desoudage, le temps de courant desoudage et l’effort de soudagemais également des anormalitéspossibles dans le matériau à

souder. Le tableau 7 reprend lesdéfauts les plus importants et lesmesures à prendre pour les éviter.Des défauts peuvent égalementapparaître à cause de l’usure dusystème de serrage de la machineà souder. Dans le cadre d’un projet IWT-HOBU, un appareillage a été misau point au De Nayer Instituut quipermet de mesurer le comportementmécanique des machines en actionsans perturber la production.L’information reçue permet d’unepart de réaliser l’entretien enconnaissance de causes et d’autrepart de réaliser des simulationsavec vos propres données. Plus d’informations à propos de ceprojet peuvent être obtenues surwww.denayer.be.

CONTRÔLE DE QUALITÉ

Différentes méthodes permettentd’évaluer la qualité de la soudure.

MÉTHODESDESTRUCTIVES

– DéboutonnageLe déboutonnage peut être réaliséavec des moyens simples et donneune information directe sur lasection de la soudure. Cet essai peut être réalisé sur deséprouvettes dans un étau ou sur la

pièce-même via un essai au burinqui peut être réparé ensuite.À l’aide d’un pied à coulisse, onpeut mesurer, après l’essai, lediamètre minimal et maximal dupoint de soudure. L’aspect de la fracture donne uneidée des structures dans la zone defusion et les éventuelles attaquesdans la structure originelle dans lazone influencée thermiquement.– Essai de torsionLors de l’essai de torsion, deuxplaquettes sont soudéesperpendiculairement l’une à l’autreavec deux points de soudure.La première soudure sert desoudure shunt et est coupée avantl’essai de torsion. Les plaquettes sont torduesmanuellement en un mouvement deciseaux. Comme la fracture se passeracertainement dans la soudure, lorsde cet essai destructif, on peut ainsiavoir une idée de l’aspect de lafracture et de la coupe de lasoudure (présence éventuelle defissures et/ou de porosités dans lasoudure-même).– Essai de cisaillementPour cet essai, il faut disposer d’unbanc de traction. L’assemblage des éprouvettes desoudage peut se faire suivantdifférentes normes etrecommandations. L’éprouvette la plus simple, figure

Formes diverses d’électrode

Tableau 5: calcul de l’effort de soudage et du temps de courant à l’aide de la résistance électrique spécifique et de larésistance du matériau

Tableau 6: valeurs indicatives pour le soudage à la molette de l’aluminium et deses alliages


UNE TECHNIQUE IMPORTANTEPOUR ÉVALUER LA QUALITÉ

D’UNE SOUDURE PAR POINTS ESTL’ÉVALUATION DE SON ASPECT

ET LA RÉALISATION DE MESURESSIMPLES


CAHIER IBS

11, est acceptée par l’InstitutInternational de la Soudure. Deux plaquettes, se recouvrantd’une façon précisée, sont soudéesl’une à l’autre avec un point desoudure et ensuite soumise àtraction jusqu’à rupture. La force de traction maximale,l’aspect de la fracture et la coupede la soudure donnent desinformations sur la qualité de lasoudure.– Essai de traction du pointComme c’est le cas dans l’essai decisaillement, il faut égalementdisposer d’un banc de traction etd’une pièce spéciale pour latension de l’éprouvette.Les dimensions de l’éprouvette etde la pièce spéciale sont donnéesdans le DVS-Merkblatt 2916.

MÉTHODES DECONTRÔLE NONDESTRUCTIF

– Contrôle visuelUne technique importante pourévaluer la qualité d’une soudurepar points est l’évaluation de sonaspect et la réalisation de mesuressimples. La profondeur del’empreinte de l’électrode dans lasurface de la tôle est souvent unecaractéristique importante de laqualité et ne peut pas dépasser de1 à 15% de l’épaisseur de la tôleen fonction des directives dansl’entreprise. Exemple: épaisseur detôle 0,8 mm, profondeurd’empreinte maximale admissible0,08 mm. Si l’aspect visuel est uncritère important, l’empreinte

admissible doit être moindre.Un col formé par l’expulsion demétal fondu entre l’électrode et latôle doit être évité autant quepossible. Deux tôles soudées l’uneà l’autre ne peuvent être ouvertesentre deux points. La position dessoudures par points, la distanceentre les points et la distance parrapport aux bords sont importantes.– Examen radiographique et parultrasonsAvec la radiographie, on peutdétecter les défauts internes commeles porosités et les retassures.L’examen par ultrasons permet demesurer les dimensions dessoudures réalisées durant laproduction ce qui permet deréduire fortement la quantitéd’essais destructifs.

Cette technique sera principalementutilisée quand les soudures sontréalisées mécaniquement. o

Remarque: cet article ne comprend pastoutes les figures. Vous pouvez consulter laversion complète sur le site web du DeNayer Instituut.

Essai de cisaillement Cisaillement pur Charge combinée


Tableau 7: causes des défauts lors du soudage par points

BIBLIOGRAPHIE

– ‘The Professional’s Advisor onResistance Welding’, AmericanWelding Society, 1998– ‘Resistance Welding Manual’,fourth edition, Resistance WelderManufacturers’ Association,1999– Quality in Resistance Welding’,Zwolzman O.- Aluminiumcentrum (Pays-Bas)‘Het lassen van aluminium (IV)Weerstandlassen’, 1994- ‘Cursus Weerstandlassen’, P.Van Rymenant, 2003- Richtwerte zumWiderstandsschweissen, H.A.Schlatter AG;– SORPAS®The software forsimulation of resistance welding,dr. W. Zhang, Swantec, 1995-2003– The software for simulation ofresistance welding, dr. W.Zhang, Swantec software &engineering– ‘The Professional’s Advisor onResistance Welding’ AmericanWelding Society, 1998–‘Resistance Welding Manual’,fourth edition, Resistance WelderManufacturers’ Association,1999– ‘Quality in ResistanceWelding’, Zwolzman O.– Aluminiumcentrum (Pays-Bas)‘Het lassen van aluminium (IV)Weerstandlassen, 1994– ‘Cursus Weerstandlassen’ P.Van Rymenant, 2003– Richtwerte zumWiderstandsschweissen, H.A.Schlatter AG

soudage par rÉsistance de l'aluminium

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