Le procédé de soudage par friction malaxage et sa robotisation

Le procédé de soudage par friction malaxage ou FSW (Friction Stir Welding en anglais) repose sur une invention dont le premier brevet a été déposé en 1991 par le TWI (The Welding Institute) (Thomas et al., 1991). Contrairement aux procédés de soudage par fusion, le FSW permet un soudage à l’état solide car lors du soudage, la température de fusion des matériaux à souder n’est pas atteinte. Ceci favorise le soudage de matériaux réputés difficilement soudables à l’instar de l’aluminium, du cuivre, du magnésium (Mishra and Ma, 2005; Threadgill et al., 2009), des matériaux composites à matrice métallique (Avettand-Fènoël and Simar, 2016). L’absence de matériau d’apport pour le soudage, les propriétés du joint soudé en dureté, en tenue mécanique et en fatigue sont quelques avantages qui ont permis le développement du FSW pour diverses applications (BesharatiGivi and Asadi, 2014). Ainsi, depuis son invention, le procédé n’a cessé de trouver des applications dans les domaines de l’aérospatial, de l’aéronautique, de l’automobile, etc. (Murrr et al., 2000; Burford et al., 2006; De Backer et al., 2010; Kusuda, 2013; Lyles et al., 2016; Schorr et al., 2018; Donahue, 2018).

Description du procédé de soudage par friction malaxage

Le principe général du procédé consiste en la rotation d’un outil composé d’un pion et d’un épaulement   qui vient en contact du plan de joint formé par les pièces à souder (Lohwasser and Chen, 2009; Besharati-Givi and Asadi, 2014). Les pièces ou plaques à souder sont généralement posées sur une enclume et bridées afin d’éviter tout mouvement des pièces lors du soudage. L’outil en rotation est inséré dans la matière et provoque un échauffement local des matériaux entrainant une déformation plastique de la matière ; c’est la phase de plongée. Une fois l’épaulement en contact avec la surface des pièces à souder, l’outil déjà en rotation est animé d’un mouvement d’avance le long de la ligne de joint ; c’est la phase de soudage. Durant cette phase, la matière est malaxée et confinée sous l’épaulement de l’outil. Avec la combinaison du mouvement de rotation et d’avance de l’outil, le cordon de soudure se forme de proche en proche . La dernière phase du procédé consiste au retrait de l’outil à la fin de la phase de soudage. Il existe plusieurs paramètres du procédé FSW. Les plus significatifs sont :
— la vitesse d’avance de l’outil va (mm/min);
— la vitesse de rotation de l’outil Ω (tr/min);
— l’effort de soudage ou effort axial Fz (kN) dont la direction est parallèle à l’axe de rotation de l’outil ;
— l’angle d’inclinaison de l’outil, encore appelé angle de tilt α (◦), de l’ordre de 0◦ à 5◦ et défini dans la norme (NF EN ISO 25239-1, 2012) relative au FSW par l’angle entre l’axe de l’outil et le vecteur normal à la surface des pièces à souder, opposé au sens du soudage .

Un deuxième paramètre d’angle est également défini. Il s’agit de l’angle d’inclinaison latéral (side-tilt angle en anglais) défini dans la norme (NF EN ISO 25239-1, 2012) par l’angle entre l’axe de l’outil et une ligne perpendiculaire à la surface inférieure de la pièce, mesuré dans un plan perpendiculaire au sens de soudage. Parmi les autres paramètres, nous pouvons citer la géométrie et la matière de l’outil de soudage, le montage de bridage. Ainsi pour chaque configuration de soudage, il est nécessaire de déterminer les paramètres de soudage qui permettent d’avoir un cordon de soudure sans défauts. Les défauts souvent rencontrés en FSW sont de deux ordres : les défauts surfaciques et les défauts internes. Parmi les défauts surfaciques, on peut citer les éraillures, les bavures, les rainures et parmi les défauts internes, on a le manque de pénétration en racine, le tunnel, le collage sur oxyde. Une revue des défauts peut être trouvée dans NF EN ISO 25239-1 (2012) et Kah et al. (2015).

Les machines de soudage FSW

Une machine doit satisfaire un certain nombre de caractéristiques techniques afin de pouvoir réaliser une opération de soudage par friction malaxage. Zimmer et al. (2008) a proposé une méthodologie pour choisir une machine FSW à partir de l’analyse des interactions mécaniques entre un outil et une pièce à souder et des interactions entre l’outil et le matériau à souder. En fonction de l’application, une machine FSW est choisie suivant les capacités techniques ci-dessous (Mendes et al., 2016a) :
— la capacité en effort notamment l’effort axial ;
— la rigidité et la précision ;
— la mise à disposition de capteurs pour pouvoir enregistrer les informations au cours du soudage telles que la vitesse d’avance, la vitesse de rotation, les efforts, la température ;
— l’implémentation de différentes technologies de contrôle FSW telles que la commande en effort, la commande de position, la commande de température ou bien la mise à disposition d’une armoire de commande permettant une implémentation externe de ces technologies de contrôle ;
— la polyvalence, c’est-à-dire pouvoir réaliser aussi bien des soudures 1D, 2D que 3D.

Quatre types de machines sont recensés pour réaliser le soudage FSW :
— les machines-outils conventionnelles comme les fraiseuses ;
— les machines FSW dédiées ;
— les robots parallèles ;
— les robots poly-articulés.

Les machines-outils présentent des caractéristiques générales comme la programmation de vitesse d’avance, la vitesse de rotation et des commandes de position. Un outil FSW monté dans la broche de la machine permet de réaliser une opération de soudage. Cependant, elles disposent d’une capacité d’effort axial trop faible et ont un espace de travail réduit. L’utilisation de ces machines pour le soudage FSW peut nécessiter la modification de leur structure et un ajout de commande en effort. Des fraiseuses modifiées ont été utilisées dans Longhurst et al. (2010b), Fehrenbacher et al. (2011), Zhao et al. (2016), Davis et al. (2011).

Les machines dédiées FSW présentent l’avantage d’être suffisamment rigides avec une grande capacité de charge admissible. En plus du contrôle en position de l’outil, elles disposent d’un contrôle en effort. On distingue des machines de 2, 3 ou 5 axes. La configuration en 5 axes est nécessaire pour réaliser des soudures de forme complexe (3D). Une machine dédiée 5 axes de type portique a été développée dans (Okawa et al., 2006).

Les robots parallèles, suivant leur architecture, offrent l’avantage d’une grande rigidité, une bonne précision et une charge admissible élevée (Krut, 2003). Cependant, ces robots ont un volume de travail faible, et pour un point donné de l’espace de travail, les performances varient dans les différentes directions (Wenger et al., 1999). La capacité d’orientation de l’effecteur peut être fortement réduite, les modèles de commande sont parfois difficiles à déterminer analytiquement et un fort couplage entre les chaines cinématiques peuvent entrainer des difficultés de génération de trajectoires. Aussi, le coût d’investissement pour acquérir ces robots parallèles est élevé. Avec l’analyse de la performance statique et la manipulabilité du robot tricept Comau HP1, Palpacelli et al. (2015) démontrent la capacité de ce robot parallèle à effectuer des soudures FSW. Zhao et al. (2007b) implémentent un contrôle d’effort sur un robot tricept ABB IRB 940 avec une tête de soudage à 1 axe de rotation pour réaliser des soudures FSW. Shi et al. (2013) analysent la capacité d’orientation d’une tête de soudage par un mécanisme parallèle de type 3-PRS (P, pour liaison prismatique, R pour liaison rotoïde, S pour liaison sphérique) et proposent une méthode pour une conception optimale du mécanisme pour l’adapter aux spécifications du FSW. Sun et al. (2017) utilisent un robot parallèle à trois degré de liberté avec une tête à 2 axes de rotation pour avoir un robot 5 axes capable d’effectuer des soudures 3D. Li et al. (2015) proposent un robot hybride composé d’un mécanisme parallèle 2-SPR-RPS monté sur un mécanisme sériel P-P et optimisent la structure parallèle pour une transmission d’effort et de mouvement optimale. Dardouri et al. (2017) développent une structure parallèle de type 3-UPS montée sur un robot sériel 6 axes mais la capacité de ce mécanisme n’a pas été validée expérimentalement.

Table des matières

Introduction générale
1 Le procédé de soudage par friction malaxage et sa robotisation
1.1 Introduction
1.2 Description du procédé de soudage par friction malaxage
1.3 Modèles de forces et couples en FSW, régulation de force et de température
1.4 Les machines de soudage FSW
1.5 Le robot manipulateur sériel, comme machine de soudage FSW
1.6 Compensation des déviations de trajectoires
1.7 Conclusion
2 Modèles d’un robot manipulateur industriel
2.1 Introduction
2.2 Notation de repères, de position et d’orientation
2.3 Modèles géométriques
2.3.1 Représentation de Denavit-Hartenberg modifié
2.3.2 Modèle géométrique direct
2.3.3 Modèle géométrique inverse
2.4 Modèles cinématiques
2.4.1 Modèle cinématique direct
2.4.2 Modèle cinématique inverse
2.5 Modèles dynamiques
2.6 Modèle de déformation
2.7 Cartographie de la souplesse du robot dans l’espace de travail
2.8 Etude d’un placement de tâches
2.9 Conclusion
3 Planification de trajectoires hors-ligne avec correction des déviations
3.1 Introduction
3.2 Approximation d’une trajectoire issue d’un modèle CAO
3.2.1 Extraction de parcours d’outil à partir d’un modèle CAO
3.2.2 Approximation par les courbes de Bézier
3.2.3 Approximation par les courbes B-splines
3.3 Estimation de déflexions sur une trajectoire FSW
3.4 Méthodologie pour la planification de trajectoires adaptées au FSW
3.5 Dispositif expérimental
3.6 Expérimentations sur une trajectoire « arc de cercle »
3.6.1 Génération hors-ligne de la trajectoire adaptée
3.6.2 Mise en œuvre pratique
3.6.3 Résultats et discussion
3.7 Expérimentations sur une trajectoire « sinus »
3.8 Expérimentations sur une trajectoire sous forme de « Z »
3.9 Conclusion
4 Compensation de déflexions par une commande référencée capteur
4.1 Introduction
4.2 Description du système « robot Kuka KR500-2MT-capteur laser Keyence
LJ-V7080 »
4.3 Algorithme d’extraction de points caractéristiques d’un joint de soudure et
d’étalonnage du capteur
4.3.1 Algorithme d’extraction de points caractéristiques
4.3.2 Etalonnage du capteur laser
4.4 Modèles de déplacement rigide du robot
4.5 Lois de commande
4.5.1 Génération de la consigne de tâche
4.5.2 Description de la boucle fermée de commande
4.5.3 Méthode de synthèse du correcteur
4.5.4 Résultats en simulation
4.6 Validations expérimentales
4.6.1 Validation de la correction en soudage sur une trajectoire rectiligne
4.6.2 Validation de la correction sur une trajectoire « arc de cercle »
4.7 Conclusion
Conclusion générale

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