FR3039442A1 - Procede de soudage d'une piece en acier sur une piece en aluminium, par recouvrement partiel d'une face interne d'un bord peripherique avec un bain de soudure - Google Patents

Abstract

Un procédé est destiné à souder une première pièce (P1), en acier et comprenant un bord périphérique (BP) délimité par des faces d'extrémité (FE1), interne (FI) et externe (FE2), sur une partie (PS) d'une seconde pièce (P2) en aluminium. Ce procédé comprend une première étape où l'on incline la partie (PS) par rapport à une direction horizontale et on plaque la face externe (FE2), non oxydé, contre la partie (PS), et une seconde étape où l'on génère sur la partie (PS), à une distance choisie au-dessus de la face d'extrémité (FE1), un bain de soudure (BS) à base d'aluminium avec une torche à transfert de métal froid, puis on fait descendre par gravité le bain de soudure (BS) jusqu'à ce qu'il recouvre intégralement la face d'extrémité (FE1) et une partie choisie (PC) de la face interne (FI), 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 RECOUVREMENT PARTIEL D’UNE FACE INTERNE D’UN BORD PÉRIPHÉRIQUE AVEC UN BAIN DE SOUDURE L’invention concerne les procédés de soudage de pièces en acier sur des pièces en aluminium.

Comme le sait l’homme de l’art, dans certains domaines, comme par exemple celui des véhicules, éventuellement automobiles, la réalisation de certains objets (ou dispositifs) comprend une étape de 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.

Parmi les procédés de soudage utilisés, on peut notamment citer celui qui consiste à plaquer la face externe du bord périphérique de la pièce en acier contre une partie de la pièce en aluminium, puis à générer sur cette dernière, contre la face d’extrémité de ce bord périphérique, 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.

Avec ce type de procédé, l’arc à l’extrémité de la torche induit une grande chaleur qui engendre simultanément une fusion locale de la partie en aluminium et une fusion locale du bord périphérique en acier. Hélas, cette dernière fusion locale empêche la réalisation d’un bon brasage avec le bain de soudure, et donc nuit à la qualité de la liaison acier/aluminium, ce qui peut entraîner une mise au rebut des deux pièces en raison d’une incapacité à supporter certains efforts prévus.

Afin de tenter d’améliorer la situation, il a été proposé d’utiliser un bord périphérique de la pièce en acier dont la face d’extrémité fait un angle obtus (strictement supérieur aux 90° habituels) avec sa face externe qui est plaquée contre la pièce en aluminium. Le bain de soudure est donc déposé dans une zone concave délimitée par la face d’extrémité inclinée et la pièce en aluminium. Une telle variante de réalisation est notamment décrite dans le document brevet EP 0944483. Le volume de la zone concave de réception du bain de soudure étant assez réduit, cette variante de réalisation n’apporte pas une entière satisfaction, et notamment ne permet toujours pas de supporter certains efforts prévus. L’invention a donc notamment pour but d’améliorer la situation.

Elle propose notamment à cet effet un procédé, destiné à souder une première pièce, en acier et comprenant un bord périphérique délimité par une face d’extrémité, une face interne et une face externe, sur une partie d’une seconde pièce en aluminium, et comprenant : - une première étape dans laquelle on positionne la partie de la seconde pièce de façon inclinée par rapport à une direction horizontale et on plaque la face externe du bord périphérique, non oxydé, contre cette partie de la seconde pièce, et - une seconde étape 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, un bain de soudure à base d’aluminium avec une torche à transfert de métal froid, puis on fait descendre par gravité le bain de soudure jusqu’à ce qu’il recouvre intégralement, sous cette zone, la face d’extrémité et une partie choisie de la face interne qui prolonge la face d’extrémité, puis on laisse le bain de soudure se solidifier.

Grâce au recouvrement de la partie choisie de la face interne par le brasage résultant de la solidification du bain de soudure, le brasage présente une très bonne adhérence suivant la direction horizontale et donc peut désormais assurer une bonne tenue mécanique de la liaison.

Le procédé selon l’invention peut comporter d’autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : - dans la première étape, on peut plaquer le bord périphérique pourvu d’un revêtement en zinc, ou bien après l’avoir décapé avec un désoxydant ; - dans la première étape, on peut utiliser un bord périphérique ayant une face d’extrémité sensiblement perpendiculaire aux faces interne et externe. Dans ce cas, la partie choisie de la face interne s’étend sur une distance qui est comprise entre environ 0,5 mm et environ 4 mm ; - en variante, dans la première étape, on peut utiliser un bord périphérique ayant une face d’extrémité sensiblement perpendiculaire à la face externe et une face interne dont la partie choisie fait un angle aigu, strictement inférieur à 90°, avec la face d’extrémité, puis est prolongée par une partie complémentaire sensiblement parallèle à la face externe ; > l’angle aigu peut être compris entre environ 30° et environ 60° ; - dans la première étape, 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 la seconde étape, 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 ; > cet écartement peut être compris entre environ 1 mm et environ 3 mm ; - dans la seconde étape, la zone peut être située à une distance au-dessus de la face d’extrémité qui est comprise entre environ 1 mm et environ 3 mm ; - dans la seconde étape, 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 1A à 1C 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 1A et 1B juste avant le soudage, - la figure 2 illustre schématiquement, dans une vue en coupe dans un plan ZY, la roue hybride de la figure 1C, - les figures 3A à 3C illustrent schématiquement et respectivement, dans des vues en coupe dans le plan ZY, la roue hybride des figures 1C et 2 au début, à un stade intermédiaire et à la fin de la mise en oeuvre du procédé de soudage selon l’invention, et - la figure 4 illustre schématiquement, dans une vue en coupe dans le plan ZY, une roue hybride constituée de la jante de la figure 1B et d’une variante du voile de la figure 1A à la fin de la mise en oeuvre 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.

On considère dans ce qui suit, 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.

Sur les figures, la direction X est une première direction horizontale, la direction Y est une seconde direction horizontale, perpendiculaire à la première direction horizontale X, et la direction Z est une direction dite verticale, perpendiculaire aux première X et seconde Y directions horizontales.

On a schématiquement représenté sur les figures 1A et 1B respectivement un exemple de première pièce P1 en acier (ici constituant un voile de roue hybride RH) avant soudage, et un premier 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 1C et 2 un exemple de roue hybride RH constituée des voile P1 et jante P2 des figures 1A et 1B, juste avant 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 FE1, d’une face interne Fl et d’une face externe FE2 (opposée à sa face interne Fl), et destiné à être solidarisé à une partie choisie PS de la seconde pièce P2 en aluminium en ayant sa face externe FE2 orientée vers cette dernière (P2). 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 des première et seconde étapes.

Comme illustré sur la figure 3A, dans la première étape on positionne la partie PS de la seconde pièce P2 de façon inclinée par rapport à une direction horizontale (par exemple la seconde Y), puis on plaque la face externe FE2 du bord périphérique BP, non oxydé, de la première pièce P1 contre cette partie PS de la seconde pièce P2, en orientant la face d’extrémité FE1 vers le haut.

Il est important de noter que l’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 bien 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 la première étape on incline la partie PS de la seconde pièce P2 par rapport à la seconde direction horizontale Y d’un angle qui est compris entre environ 70° et environ 90°. Θι notera que dans 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 seconde direction horizontale Y, et donc la face d’extrémité FE1 du bord périphérique BP est sensiblement parallèle à cette seconde direction horizontale Y (position dite « en corniche >>). Mais d’autres valeurs d’angle d’inclinaison peuvent être utilisées dès lors qu’elles permettent la réalisation de la seconde étape.

Dans la seconde étape, 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 FE1 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 notera que l’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.

Comme illustré sur les figures 3B et 3C, la suite de la seconde étape consiste à faire descendre par gravité le bain de soudure BS (flèche F1) jusqu’à ce qu’il recouvre intégralement, sous la zone Z, la face d’extrémité FE1 et une partie choisie PC de la face interne Fl qui prolonge la face d’extrémité FE1, puis à laisser le bain de soudure BS se solidifier pour définir une soudure ou un brasage final SF (voir figures 3C et 4).

Le dépôt initial de métal fondu (ou bain de soudure BS) dans une zone Z qui est distante de la face d’extrémité FE1 est destiné à empêcher la fusion du bord périphérique BP en acier par l’arc de l’extrémité ET de la torche CMT TS. Cela permet une liaison finale par brasage, de qualité.

On notera que la zone Z peut, par exemple, être générée à une distance au-dessus de la face d’extrémité FE1 qui est comprise entre environ 1 mm et environ 3 mm. Par exemple, cette distance peut être choisie sensiblement égale à 2 mm. L’inclinaison de la partie PS de la seconde pièce P2 est destinée à permettre la descente par gravité du bain de soudure BS (matérialisée par la flèche F1 de la figure 3B).

Par ailleurs, pour que le bain de soudure BS ne se solidifie pas avant d’atteindre la face d’extrémité FE1, il est particulièrement avantageux de le maintenir à une température élevée. A cet effet, on peut, par exemple, écarter puis 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 seconde direction horizontale Y. A titre d’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 d’extrémité FE1, de l’angle d’inclinaison de la partie PS de la seconde pièce P2, et de la température du bain de soudure BS.

Comme illustré sur les figures 3 et 4, la mise en œuvre de l’invention peut se faire en utilisant une première pièce P1 dont le bord périphérique BP peut présenter au moins deux formes différentes.

Dans le premier exemple illustré non limitativement sur les figures 3A à 3C, on utilise un bord périphérique BP ayant une face d’extrémité FE1 sensiblement perpendiculaire aux faces interne Fl et externe FE2. Dans ce cas, la partie choisie PC de la face interne Fl s’étend sur une distance qui est comprise entre environ 0,5 mm et environ 4 mm. Ainsi, elle (PC) peut s’étendre sur une distance sensiblement égal à 2 mm.

Le brasage final SF, qui recouvre ici la partie choisie PC de la face interne Fl (dans le plan ZX), présente une très bonne adhérence suivant la direction verticale Z, et donc peut désormais assurer une bonne tenue mécanique de la liaison SF/P1.

Dans le second exemple illustré non limitativement sur la figure 4, on utilise un bord périphérique BP ayant une face d’extrémité FE1 sensiblement perpendiculaire à la face externe FE2 et une face interne Fl dont la partie choisie PC fait un angle aigu, strictement inférieur à 90°, avec la face d’extrémité FE1, puis est prolongée (du côté opposé à la face d’extrémité FE1) par une partie complémentaire PC’ qui est sensiblement parallèle à la face externe FE2.

Par exemple cet angle aigu peut être compris entre environ 30° et environ 60°. Ainsi, il peut être choisi sensiblemert égal à 45°.

La face interne Fl est donc ici chanfreinée au niveau de sa partie choisie PC, ce qui permet avantageusement d’augmenter la surface du bord périphérique BP de la première pièce P1 qui est en contact avec le brasage final SF, et donc la tenue mécanique de la liaison SF/P1. Cela permet également de diminuer la contrainte normale au plan ZX de brasure du fait de l’inclinaison de la liaison SF/P1 par rapport à la contrainte principale suivant la direction verticale Z. De plus, cela permet également d’optimiser le plaquage de la première pièce P1 sur la seconde pièce P2 lors du retrait thermique du brasage SF.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de soudage d’une première pièce (P1), en acier et comprenant un bord périphérique (BP) délimité par des faces d’extrémité (FE1), interne (Fl) et externe (FE2), sur une partie (PS) d’une seconde pièce (P2) en aluminium, caractérisé en ce qu’il comprend une première étape dans laquelle on positionne ladite partie (PS) de la seconde pièce (P2) de façon inclinée par rapport à une direction horizontale et on plaque ladite face externe (FE2) dudit bord périphérique (BP), non oxydé, contre ladite partie (PS) de la seconde pièce (P2), et une seconde étape dans laquelle on génère sur ladite partie (PS) de la seconde pièce (P2), dans une zone (Z) située à une distance choisie au-dessus de ladite face d’extrémité (FE1), 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 recouvre intégralement, sous ladite zone (Z), ladite face d’extrémité (FE1) et une partie choisie (PC) de ladite face interne (Fl) prolongeant ladite face d’extrémité (FE1), puis on laisse ledit bain de soudure (BS) se solidifier.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans ladite première étape on plaque ledit bord périphérique (BP) pourvu d’un revêtement en zinc.
3. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans ladite première étape on plaque ledit bord périphérique (BP) après l’avoir décapé avec un désoxydant.
4. 4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que dans ladite première étape on utilise un bord périphérique (BP) ayant une face d’extrémité (FE1) sensiblement perpendiculaire auxdites faces interne (Fl) et externe (FE2), et en ce que ladite partie choisie (PC) de la face interne (Fl) s’étend sur une distance comprise entre environ 0,5 mm et environ 4 mm.
5. 5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que dans ladite première étape on utilise un bord périphérique (BP) ayant une face d’extrémité (FE1) sensiblement perpendiculaire à ladite face externe (FE2) et une face interne (Fl) dont ladite partie choisie (PC) fait un angle aigu, strictement inférieur à 90°, avec ladite face d’extémité (FE1), puis est prolongée par une partie complémentaire (PC’) sensiblement parallèle à ladite face externe (FE2).
6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit angle aigu est compris entre environ 30° et environ 60°.
7. 7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que dans ladite première étape on incline ladite partie (PS) de la seconde pièce (P2) par rapport à ladite direction horizontale d’un angle compris entre environ 70° et environ 90°.
8. 8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que dans ladite seconde étape 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).
9. 9. Roue hybride (RH) pour un véhicule, caractérisée en ce qu’elle 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. 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 essieu dudit véhicule, et ladite seconde pièce (P2) est une jante.