Soutenance mémoire
Introduction au Procédé de Soudage par Résistance Électrique
Le soudage par résistance est un procédé simple et rapide, qui produit la chaleur grâce à la résistance électrique à l’interface en appliquant un effort de serrage, et une forte intensité électrique. C’est un procédé de soudage sans atmosphère protectrice. La première technique du soudage par résistance électrique était le soudage par points inventée par Pr. Elihu Thomson en 1877. Puis, la première machine de soudage a été construite et brevetée en 1885-[MES99]. Les raisons pour lesquelles le soudage par point est largement répandu dans l’industriel automobile sont le faible coût de fabrication par rapport à la qualité de l’assemblage obtenu, et l’automatisation de procédé. Environ 3000- 4000 points soudés par ce procédé se trouvent dans une structure caisse en blanc-[NAT92].
Les procédés de soudage par résistance électrique incluent le soudage par point, le soudage à la molette, et le soudage par bossage. Typiquement pour ces procédés, des électrodes en cuivre sont utilisées pour passer le courant et pour appliquer l’effort de serrage. Les paramètres de soudage sont l’intensité, le temps, l’effort, et l’électrode. La plupart de ces procédés se réalisent par l’usage du courant AC monophasé avec une forte intensité, qui est l’ordre de dizaine de kilo-Ampère. Le courant DC « moyenne fréquence » s’envisage également dans la pratique. Pour le soudage à la molette, les molettes sont en cuivre et fonctionnent comme des électrodes, qui sont un passage d’intensité en serrant des pièces. Les pièces des tôles sont mises bout à bout et la soudure continue se fait par le mouvement de rotation des électrodes (§Fig. 1-1b). Ce procédé est commode dans l’industrie automobile, e.g. la fabrication de réservoir de carburant
Un procédé dérivé du soudage par bossage est le « resistance stud welding », (§Fig. 1.1d). Dans ce cas, le « stud » ou goujon doit être usiné pour créer, typiquement, deux ou trois points de contact. La hauteur des points de bossage doit être précise afin d’obtenir une pression uniforme lorsqu’un effort est appliqué.
Soudage par Résistance par Points
Principe du Procédé
Le principe du soudage par points schématisé sur la Fig. 1.2 illustre les deux tôles d’acier prises en étau entre deux électrodes afin de maintenir l’assemblage en contact. Cet assemblage est en suite traversé par un courant de forte intensité qui va créer un noyau fondu à l’interface tôle/tôle. En refroidissant, le noyau maintient localement les deux tôles entre elles. Un cycle de soudage schématisé sur la Fig.1.2 se décompose en trois phases principales :
➤ l’accostage : Les électrodes se rapprochent et viennent comprimer les pièces à souder à l’endroit prévu et sous un effort donné. Dans le cas de la soudeuse du CRDM, seule l’électrode supérieure descend. L’électrode inférieure est fixée au bâti de la soudeuse. Cette phase se termine dés que l’effort est stabilisé.
➤ le soudage : le courant passe, déclenché par la fermeture du contacteur du circuit de puissance, et doit, par effet Joule, produire assez de chaleur à l’interface tôle/tôle pour qu’une zone fondue apparaisse. En terme de variation de la résistance électrique, il y a deux étapes consécutives pour l’apparition de la soudure. Au début du soudage, la résistance de contact entre deux tôles est plus importante que celle de la tôle à basse température. Par conséquent, l’interface chauffe plus rapidement que les pièces. Lorsque la température augmente, la résistance de contact diminue considérablement avec la température. Le développement du noyau et de la ZAT progresse alors dans l’assemblage par l’augmentation de la résistivité de la tôle avec la température.
➤ le maintien : cette phase a pour but de solidifier le noyau et la ZAT. La qualité des phases métallurgiques résiduelles et le comportement mécanique du point dépendent directement de la durée de cette phase. Les pièces sont maintenues par un effort, qui a généralement la même magnitude que celui de soudage. La chaleur s’évacue vers le circuit de refroidissement par l’eau dans deux électrodes. La durée du temps de maintien est normalement la même que celle du soudage. En fin d’un cycle, c’est la remontée de l’électrode supérieure. L’ensemble des deux tôles peut alors être translaté afin de procéder à un nouveau soudage par point.
Paramètres du Procédé
Dans ce paragraphe, nous présenterons l’influence qualitative de toutes les variables du procédé de soudage. Les paramètres sont adaptés en fonction des caractéristiques des tôles à souder. Les paramètres principaux décrits dans l’ordre de chronologie du procédé sont l’effort de soudage, l‘intensité, le temps de soudage, et le temps de maintien.
➤ Effort de soudage : l’effort d’applique dès la phase d’accostage et la valeur à appliquer dépend essentiellement des caractéristiques mécaniques et de l’épaisseur des tôles à souder. Dans la pratique, l’incrément de l’effort pendant la phase d’accostage n’est pas linéaire, (§Fig. 1.2), mais dépend des systèmes de mise en charge de la soudeuse.
➤ Intensité de soudage : l’intensité de soudage est considérée comme un paramètre important pour engendrer l’énergie dissipée. Car elle gouverne la génération de chaleur par effet Joule. L’intensité utilisée soit en courant alternatif monophasé, (AC 50Hz), ou soit courant continu moyenne fréquence, (MFDC-1000Hz).
➤ Temps de soudage : intervient pendant la phase de chauffage. L’ordre de grandeur typique est de quelques dixièmes de secondes. Selon la norme, le temps de soudage dépend de la nuance d’acier et son épaisseur. Dans certains cas de soudage de tôle épaisse, et haute résistance mécanique, le courant pulsé est souvent à appliquer afin de stabiliser le développement du noyau. Cette pulsation comporte le temps de chaud, séparé par le temps de maintien ou le temps de froid. Le nombre de cycles supplémentaires pour le posttraitement thermique est souvent adapté à l’assemblage de tôles hautes résistances.
➤ Temps de maintien : le temps de maintien est nécessaire à la solidification par l’évacuation de la chaleur de l’assemblage vers le circuit d’eau de refroidissement.
En général, les ordres de grandeur des paramètres de soudage sont les suivants :
♦ Intensité de soudage en kA, sous quelques V, (environ 7 à 10 kA)
♦ Effort de serrage en daN, (comprise entre 230-600 daN et dépend du comportement mécanique de l’acier)
♦ Durée d’un cycle, environ 1 seconde. (Sans modification particulière des conditions de soudage, ni pré-, ni post-chauffage) .
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 – Bibliographie
1.1 Introduction au Procédé de Soudage par Résistance Electrique
1.2 Soudage par Résistance par Points
Principe du Procédé
Paramètres du Procédé
Domaine de Soudabilité
1.3 Microstructures d’un Point Soudé – Généralité
1.4 Produits et Transformation des Phases Lors de Soudage
1.5 Phénomènes Electriques dans le Procédé de Soudage Par Points
Effet Seebeck
Effet Peltier
Effet Thomson
Effet Peau
1.6 Expulsion
1.7 Etat de l’Art de la Simulation Numérique de Soudage par Points
Establissement d’un Modèle par la Méthode aux Différences Finies
Establissement d’un Modèle par la Méthode aux Eléments Finis
1.8 Etude Bibliographiques des Influences des Données Physiques
Influence de la Résistance Electrique à l’Interface Tôle/Tôle
Influence de la Taille de Contact Electrothermique
Influence de la Résistance Thermique de Contact
Influence de la Géométrie d’une Electrode
1.9 Domaines Principaux de la Simulation Numérique
Modèle Numérique pour la Dégradation d’Electrode
Modèles Numériques et Statistiques pour Prédire l’Expulsion
Effet Shunt
Influence de la machine de Soudage
1.10 Discussion
1.11 Conclusions
CHAPITRE 2 – Evaluation Expérimentalement de la Formation du Noyau
2.1 Généralité sur les Essais de Soudage par Point
2.2 Contexte d’Etude
2.3 Moyens Expérimentaux
Machine de Soudage
Types de Courant de Soudage
Signaux de Soudage
Produits et Caractéristiques Mécaniques des Tôles
Electrodes
Conditionnement des électrodes
Aptitude de Soudage
Essais Usuels Destructifs
2.4 Résultats et Discussion
Cinétique de la Formation du Noyau – Une Revue
Développement du Noyau dans l’Assemblage Homogène des 2 Tôles
Développement du Noyau dans l’Assemblage Homogène des 3 Tôles
Développement du Noyau dans l’Assemblage Hétérogène
Influence de l’Effort
Influence des Types d’Electrode
Influence du Diamètre de la Face Active d’Electrode
Influence de la Polarisation
Qualité de la Surface d’un Assemblage
Influence du Revêtement
2.5 Conclusions
CHAPITRE 3 – Modélisation du Procédé de Soudage par Point
3.1 Introduction
3.2 General Methodology for Weld Simulation
3.3 Physical Coupling and Governing Equations
3.4 Governing Equations
Electrical Phenomena Formulation
Coupled Electro-Thermal Formulation
Mechanical Formulation
3.5 Geometry and Mesh Construction
3.6 Boundary Conditions
3.7 Electrothermal Contact Mathematical Formulation
3.8 Results and Discussion
3.9 Conclusions
CHAPITRE 4 – Mesures et Modèles de la Résistance Electrique de Contact
4.1 Introduction
4.2 Caractéristique de la Résistance Statique Globale
Mesure RSG à Froid
Réalisation de Mesure
Etude Préliminaire des Résultats Bibliographiques
4.3 Caractéristique de la Résistance Dynamique
4.4 Données Expérimentales Antérieures sur la Résistance de Contact
4.5 Modèles de la Résistance de Contact
Approche Basée sur le Comportement Elasto-Plastique du Matériau
Modèle de la Résistance Electrique de Contact du ORNL
Approche Thermo-Electrique
4.6 Méthodologies de la Mesure de la Résistance de Contact
Essai Utilisant le Simulateur Gleeble
Essai Utilisant une Machine de Traction/Compression
4.7 Procédures d’Essai
4.8 Formulation des Modèles de la Résistance de Contact
Loi Puissance
Loi Exponentielle
4.9 Résultats des Essais
Résistance de Contact de la Tôle Nue
Résistance de Contact de la Tôle Revêtue
4.10 Conclusions
CONCLUSION
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