200903_125F33_Soudage par impulsion magnétique

INFOS DE SOUDAGE
SOUDAGE SANS CHALEUR
SOUDAGE PAR IMPULSION MAGNETIQUE
L’Institut Belge de la Soudure (IBS) mène actuellement
une recherche sur une jeune technique de soudage,
le soudage électromagnétique à haute vitesse,
également connu sous la dénomination de soudage
par impulsion magnétique. Cette technique utilise des
forces électromagnétiques pour déformer ou souder
des pièces. Etant donné que cette technique ne fait
pas usage de chaleur mais de forces de compression
pour réaliser un assemblage, elle présente
d'importants avantages par rapport aux techniques
de soudage conventionnelles. Aucune zone affectée
thermiquement ne se crée et le matériau ne perd pas
ses propriétés. De plus, ce procédé permet de
réaliser des assemblages entre des métaux et alliages
ayant un point de fusion très différent comme par ex.
le cuivre à l’aluminium ou l’aluminium à l’acier.
Figure 1: Principe du soudage par impulsion magnétique
Par Ir. Koen Faes, EWE - IBS (Traduction: M.C. Ritzen - IBS)
PRINCIPE DE
FONCTIONNEMENT
Le soudage par impulsion
magnétique appartient au groupe
des procédés de soudage par
pression qui permettent de réaliser
un assemblage entre deux surfaces
en les pressant l'une contre l'autre.
Le soudage par impulsion
magnétique est un procédé par
pression où la déformation se fait
très rapidement comme pour le
procédé de soudage par explosion.
La découverte que deux pièces
métalliques peuvent être assemblées
en donnant une très grande vitesse
à l'une à l'aide d'explosifs, date
des années '40. Ce procédé a été
étudié en URSS. Le principe de
fonctionnement du soudage par
impulsion magnétique est semblable
à celui du soudage par explosion
mais la force explosive est générée,
d’une façon plus sûre, par une
bobine d’induction.
Le procédé de soudage par
impulsion magnétique est un
procédé de soudage 'solid state',
ce qui signifie que les métaux ne
sont pas mis en fusion durant le
cycle de soudage. Le principe de
base pour le soudage de pièces
tubulaires est schématisé à la figure
1. Une bobine est placée au-dessus
des pièces à souder mais sans être
en contact avec celles-ci. Les deux
pièces à assembler doivent se
recouvrir partiellement. Durant le
cycle de soudage, une très grande
quantité d'énergie électrique est
libérée en un laps de temps très
court. Certains systèmes peuvent
décharger 2 millions d'ampères en
seulement 100 microsecondes. Le
flux élevé d'énergie traverse la
bobine et cette décharge de flux
induit des courants de Foucault
dans la pièce externe. Le courant
dans la bobine et les courants de
Foucault créent des champs
magnétiques qui s’opposent. La
répulsion entre les deux champs
magnétiques développe une force
qui donne une très grande
accélération à la pièce externe en
direction de la pièce interne. La
vitesse d'impact de la pièce externe
peut atteindre plus de 300 m/s. Les
pressions développées lors de
l’impact peuvent aller jusque
100.000 MPa. D'éventuelles
impuretés de surface sont enlevées
suite à la collision des deux
matériaux, ce qui crée un contact
métallique atomique pur. Une telle
force pousse les atomes des
matériaux les uns contre les autres
de telle sorte que leurs forces de
répulsion naturelle sont vaincues,
qu'on arrive à un état d'équilibre
stable et qu'on obtient un
assemblage métallique. Dans la
plupart des cas, la soudure est plus
résistante que le matériau le plus
faible. Cette technique de soudage
fonctionne le mieux avec des
matériaux à conductibilité élevée.
Des matériaux moins conducteurs
exigent une énergie plus élevée. La
macrographie de la coupe de la
soudure présente de nombreuses
similitudes avec celle d'une soudure
par explosion.
Figure 2: Bobine de la machine de soudage
Figure 3: Soudure par impulsion magnétique
MMT0125F33_OK.odt
INFOS DE SOUDAGE
APPAREILLAGE
Une installation typique pour le
soudage par impulsion magnétique
est constituée des éléments suivants:
• une cabine à haute tension où
sont créées les impulsions
électriques,
• les capacités où est chargée
l’énergie électrique,
• la bobine destinée au soudage,
• un transformateur permettant
d’adapter la fréquence et
l’amplitude de la décharge de
courant électrique.
Les bobines sont soit plates, soit
cylindriques. Les bobines plates sont
utilisées pour la déformation et le
soudage de matériaux plats. Les
bobines cylindriques servent au
soudage de pièces tubulaires et
peuvent être utilisées en combinaison avec ce qu’on appelle un
‘field shaper’. Un ‘field shaper’ est
une pièce massive en cuivre qu’on
place dans la bobine d’induction
afin de conduire et de concentrer le
champ magnétique tout près de la
pièce à souder. Une bobine sans
‘field shaper’ est utilisée pour le
soudage d’un diamètre bien
déterminé. Grâce au ‘field shaper’,
on peut souder différents diamètres
avec une seule bobine en
changeant cette pièce auxiliaire.
L’IBS a un dispositif d’essai qui
permet d’étudier l’applicabilité du
procédé. L’énergie maximale de la
machine de soudage est de 50 kJ
pour une tension de 25 kV. Le flux
de décharge peut atteindre
500.000 A.
La figure 2 montre la bobine
en combinaison avec le ‘field
shaper’.
PARAMETRES DU PROCEDE
Comme dans le cas du soudage
par explosion, une onde de choc
est créée dans la surface de contact
entre les surfaces à souder. L’onde
de choc assure l’éjection des
impuretés (oxydes, couches
superficielles) de telle sorte que se
crée un contact pur entre les
surfaces. Une pression très élevée
rapproche fortement les atomes des
surfaces de telle sorte qu’une liaison
atomique se crée. Il existe
différentes théories à propos du
mécanisme précis de liaison mais
généralement, il est admis que les
matériaux se trouvent brièvement
dans un état visqueux-plastique. La
formation d’une liaison est
déterminée par la vitesse radiale de
la pièce externe, l’angle d’impact
sur la partie interne et la vitesse à
laquelle l’onde de choc se
propage. Ces paramètres doivent
se situer dans des limites précises
afin d’obtenir des conditions de
soudage optimales.
La qualité de la soudure est
fortement influencée par les
réglages de la machine. L’énergie
électrique chargée dans les
capacités détermine le courant dans
Figure 4: Coupe macrographique d’une soudure par impulsion magnétique (détail de
la figure 3Error: Reference source not found)
la bobine d’induction et sa
fréquence durant la décharge. Le
flux dans la bobine détermine à son
tour la force magnétique. La
conductibilité électrique de la pièce
externe joue également un rôle
important et influence la force
magnétique. De plus, les
paramètres géométriques suivants
jouent un rôle important: largeur de
la fente d’air entre la pièce externe
et la pièce interne, position des
pièces dans la bobine ou le ‘field
shaper’, distance de recouvrement
et angle relatif entre les surfaces à
assembler.
AVANTAGES DU SOUDAGE
PAR IMPULSION
MAGNETIQUE
• Dans le cas d'une exécution
correcte, la soudure est plus
résistante que le métal de base le
plus faible: lors d'un essai, la
rupture se fait toujours en dehors
de la zone de la soudure.
• Des gaz de protection ou des
métaux d'apport ne sont pas
nécessaires.
• Aucune préparation des pièces,
préalable au soudage, n’est
exigée. Le dégraissage est
conseillé. Pour des systèmes à
forte énergie, la préparation de la
pièce est moins critique que pour
des systèmes à faible énergie.
• En comparaison avec les
procédés de soudage
conventionnels, le procédé de
soudage par impulsion
magnétique est un procédé de
soudage 'froid'. Sous l’action
seule des courants de Foucault et
de la déformation plastique, la
pièce va s’échauffer; la
température reste cependant
limitée à 50 °C. Il n'y a donc pas
de zone affectée thermiquement et
le matériau ne perd pas ses
propriétés.
Ceci signifie également qu'après
soudage, les pièces peuvent être
immédiatement débloquées et
mises en œuvre.
• Vitesse de production élevée,
parfois 10 pièces à la minute.
• C’est un procédé de soudage
écologique étant donné qu'on ne
produit pas de chaleur, gaz ou
fumées.
RECHERCHES
Actuellement, ce procédé de
soudage est étudié par l’IBS, en
collaboration avec OCAS
(département de la recherche
d’ArcelorMittal en Flandre) et
l’université de Gent, département
Mécanique des Matériaux et
Constructions. La recherche est
réalisée avec l’appui de la Région
flamande (IWT).
L’objectif est d’étudier l’applicabilité
industrielle de ce procédé pour des
matériaux et produits représentatifs
proposés par une commission
d’utilisateurs.
De cette façon, en plus de l’aspect
Figure 5: Coupe métallographique de la soudure présentée à la figure 4
économique, les entreprises
participantes peuvent faire un choix
réfléchi sur l’introduction ou non de
cette technique dans leur
production.
L’IBS s’occupe de la partie
expérimentale. La machine de
soudage a été récemment installée
et une série d’essais de soudage
préliminaires a déjà été réalisée. Le
procédé de soudage a été
modélisé par OCAS. Les modèles
par éléments finis donnent une idée
du fonctionnement du procédé et
permettent d’estimer le
comportement du matériau et la
forme finale. La détermination des
réglages appropriés des paramètres
peut être accélérée. Les données à
introduire pour la modélisation ont
été fournies par l’IBS et l’UGent. La
figure 3 montre une coupe axiale
d’une soudure d’un tube en
aluminium avec une pièce interne
en aluminium (tous les deux EN
AW-6063). Le tube a un diamètre
de 25 mm et une épaisseur de
paroi de 1,5 mm. Afin d’assurer un
alignement correct des deux pièces,
la pièce interne a été pourvue d’un
bourrelet. Les paramètres de
soudage ont d’abord été
optimalisés. Les paramètres pris en
considération étaient l’énergie
chargée dans les capacités, la
largeur de la fente et la position des
pièces dans la bobine.
L’examen métallographique a
montré qu’on avait une liaison sur
une longueur de 5 mm environ.
Pour chaque soudure, on a constaté
deux zones où il n’y avait aucune
liaison (zone initiale et zone finale
dans la figure 4). Ce qui est
caractéristique pour la soudure,
c’est la forme onduleuse de
l’interface de la soudure. La
figure 5 en montre un détail. On
constate une couche de transition
constituée de phases intermédiaires.
Les assemblages sont actuellement
étudiés à l’aide du SEM et de
l’EDX.
AVENIR
Le soudage par impulsion
magnétique est une méthode
relativement jeune – ayant
cependant déjà quelques
applications industrielles - basée sur
l’utilisation de forces
électromagnétiques pour souder des
pièces.
Quelques soudures expérimentales
ont été menées à bien.
La recherche ultérieure va se diriger
vers l’assemblage de matériaux
difficilement soudables et vers des
assemblages hétérogènes.
Cette méthode de soudage ne fait
pas usage de chaleur de telle sorte
que des matériaux à point de fusion
très différent peuvent être assemblés
avec cette technique de soudage.
Le procédé possède un potentiel
réel pour la réalisation rapide
et économique de ces
assemblages. ‰