Assemblage Permanent PDF - Novembre 2005

Novembre 2005 Révision: 09/2024 Assemblage Permanent UEI RESI - REaliser Système Initial SAVOIR – RESI Assemblage permanent Enseignants: Laurent Langlois - Sandra Chevret 1 Stéphane Mat...

Novembre 2005 Révision: 09/2024 Assemblage Permanent UEI RESI - REaliser Système Initial SAVOIR – RESI Assemblage permanent Enseignants: Laurent Langlois - Sandra Chevret 1 Stéphane Mathieu  SAVOIR Des vidéos pour se familiariser avec le soudage Les transparents du cours et notice sur la découpe thermique L’énoncé de l’exercice avec les annexes Les cours enregistrés avec les différents procédés Fiches descriptives des procédés vu en Travaux Pratiques Fiches explicatives des procédés de fabrication (fait par des élèves) Pour approfondir avec les techniques de l’ingénieur Les règles de sécurité 2 Auto test pour se préparer au premier test  Déroulement SUR SAVOIR – POLYCOPIER DE COURS ET LES ÉNONCÉS DE TP – ÉCOUTER LES VIDÉOS MISE À DISPOSITION – RÉPONDRE AU TEST SUR SAVOIR (NON NOTÉ!) EXERCICES DIRIGÉS (CM) (8 heures) – 6 HEURES DE COURS SUR LE SOUDAGE (DÉCOUVERTE DES PROCÉDÉS) – 2 HEURES D’EXERCICES 3  Déroulement TRAVAUX PRATIQUE (TP ) (8 heures, 2 TPs) – TP1: SOUDAGE OXYACETYLENIQUE / SOUDAGE TIG – TP2: DÉCOUPE THERMIQUE / SOUDAGE MAG OBJECTIFS: DÉCOUVERTE DES PROCÉDÉS, DES PARAMÈTRES OPÉRATOIRES, DES MOYENS D’OBTENTIONS DES BRUTS TP1 TP2 2h 2h 2h 2h Soudage Oxyacétylénique b1 b3 Soudage Oxyacétylénique b2 b4 TiG Acier b3 b1 TiG Alu b4 b2 MAG 1 b1 b3 MAG 2 b2 b4 Découpe thermique b3 b1 Découpe thermique b4 b2 4  Déroulement EVALUATIONS (DOCUMENT NON AUTORISÉ): – TEST DE 15 MIN À LA DERNIERE SÉANCE D’ED. ATTENTION: LE TEST SE FAIT EN DÉBUT DE SÉANCE QUESTIONS DE COURS – EXAMEN A LA FIN DU SEMESTRE (1 heure) PORTANT SUR TOUT CE QUI A ÉTÉ VU (CM, TP) 5  Objectifs CONNAÎTRE LES PROCÉDÉS DE SOUDAGE – Mise en œuvre et paramètres opératoires des procédés de soudage – Faiblesses et les avantages – Domaines d’application CONNAÎTRE LES PROCÉDÉS DE DÉCOUPE SAVOIR ANALYSER LES PROBLÈMES DE FISSURATION A FROID SAVOIR ÉTABLIR UNE GAMME DE FABRICATION DE PIÈCES MÉCANO- SOUDÉES SAVOIR QUAND METTRE EN ŒUVRE LES PROCÉDÉS DE SOUDAGE ACQUÉRIR LE VOCABULAIRE TECHNIQUE 6  Table des matières 1. Procédés d’assemblage permanent 2. Présentation du brasage 3. Classification des procédés de soudage 4. Présentation d’une soudure / cordon de soudure 5. Les préparations des bords 6. Les procédés d’assemblage permanent 7. Réaliser un assemblage mécano-soudé 8. Déformation des assemblages 9. Concentration de contrainte 10. Accessibilité 11. Pénétration complète vs pénétration partielle 12. La fissuration à froid 7  Procédés d’assemblage permanent Procédé par enlèvement de matière: - usinage - rectification - grignotage Procédé de mise en forme: - fonderie - forge (déformation plastique) Procédé d’assemblage: - soudage - collage - mécanique (rivetage, agrafage,…) 8  Procédés d’assemblage permanent Réalisation de liaisons complètes non démontables Continuité de la Discontinuité matière et contact Discontinuité Et adhérence Liaison Soudage Adhérence par obstacle 9  Procédés d’assemblage permanent Continuité de la matière Cordon Plaque Zone de transition Plaque 1 Plaque 2 Macrographie d’une soudure en plusieurs passes (Institut de Soudure) Placage par explosion 0,5 mm 10  Procédés d’assemblage permanent Soudage: Fusion locale des matériaux de base Métal d’apport facultatif Cordon de soudure (1 + 2 + Matériau d’apport) 1 2 Matériaux de base Soudage autogène: les métaux de bases participent à la formation de la liaison 11  Présentation du brasage Brasage: Fusion seule du matériau d’apport (obligatoire) T fusion < T fusion 1 et 2 Propriétés capillaires Matériau d’apport seul 1 capillarité 2 Diffusion: continuité de la matière 12  Présentation du brasage Brasage: vidéo sur le brasage de pièces en cuivre (brasage tendre) https://www.youtube.com/watch?time_continue=38&v=OXF4U3z7s_Y&feature=emb_logo Brazing Training Course, demo 4 I Cours formation brasage, démonstration 4 Images CASTIOLIN 13  Présentation du brasage Exemple, brasage du cuivre à l’argent Images CASTIOLIN Métal d’apport Argent Cuivre Cuivre Cuivre Cuivre 14 Joint Brasé x80 Structure du joint Brasé x200  Présentation du brasage Exemple, brasage d’échangeur en aluminium Vidéo: https://www.youtube.com/watch?v=EWSWO6gY2JA http://cryogenics-energy.fivesgroup.com/equipment/brazed-heat-exchangers/bahx.html  Classification des procédés de soudage Apport d’énergie locale: - électrique - mécanique 1 - chimique 2 - faisceau à haute énergie Electrique Mécanique - Les procédés de soudage à arc électrique - Le soudage par friction - Le soudage par point - Le soudage par friction malaxage - Etc. - Etc. Chimique Faisceaux à haute énergie - Soudage Oxyacétylénique - Soudage laser - Le plaquage par explosion - Soudage par faisceaux d’électrons - Etc. - Etc. 16  Classification des procédés de soudage Protection du bain de fusion contre l’oxydation: - vide Les métaux à l’état liquide - gaz inerte sont très sensibles à l’oxydation - laitier - aucune Porosités résultant d’une protection gazeuse inefficace Vide Gaz Inerte - Soudage par faisceaux d’électrons - TIG, MAG, MIG - Etc. - Soudage Laser - Etc. Aucune Laitier - Soudage Oxyacétylénique - Electrode Enrobée - Etc. - Soudage sous flux solide - Etc. 17 Image: Soudage et techniques connexes, Nov / Déc 2011, Vol. 65 n°11/12  Présentation d’une soudure / cordon de soudure Les différentes zones au voisinage d’une soudure: - Zone fondue, Zone affectée thermiquement - Métal de base et métal d’apport, dilution - Cordon de soudure et passe de soudage Zone Affectée Thermiquement (ZAT) Zone Fondue Cordon de soudure e 20 m/min), v  Soudage MIG, MAG Métal Inerte Gaz, Métal Active Gaz Le poste à souder: 41  Mode de transfert en soudage MAG MAG = domaine d’application, que les aciers doux (aciers faiblement alliés) Courant continu: polarité indirecte (le – sur la pièce) U Transfert en court-circuit pulvérisation axiale fil Grosses gouttes Métal fondu court-circuit I Arc électrique En = U*I/va [kJ/cm] Transfert globulaire pulvérisation axiale 42 (par grosses gouttes)  Mode de transfert en soudage MAG MAG = domaine d’application, que les aciers doux (aciers faiblement alliés) Transfert en court-circuit U pulvérisation axiale Grosses gouttes court-circuit I Transfert globulaire Pulvérisation axiale (par grosses gouttes) 43 F. Scandella, J. Haouas, L. Jubin, O. Cheminat, Variantes MIG-MAG à faible énergie et à forte pénétration : principes et applications, soudage et techniques connexes septembre-octobre 2015  Mode de transfert en soudage MAG MAG = domaine d’application, que les aciers doux (aciers faiblement alliés) Transfert en court-circuit Transfert globulaire (par grosses gouttes) Pulvérisation axiale 44 https://www.rocdacier.com/cours-soudure-mig/  Mode de transfert en soudage MAG MAG = domaine d’application, que les aciers doux (aciers faiblement alliés) Silicate 45  Mode de transfert en soudage MAG Transfert en courant pulsé: I pulsation t0 t1 t t0 t1 Intérêt: éviter la formation de trop grosses goutes rendre le dépôt de métal régulier 46  Rôles du gaz en soudage MIG/MAG -Protection gazeuse contre l’oxydation -Action sur la caractéristique de l’arc électrique -Puissance -Stabilité -Forme du cordon: tension de mouillage et tension superficielles -Action métallurgique Principaux éléments: Base: Argon, hélium, Argon+Hélium, CO2 Ajout: H2, O2, N2, CO2 47  Soudage MIG, MAG Domaine d’application: -Faible à moyennes épaisseurs -Automatisable facilement du fait de l’autorégulation -Toute position -Pas de laitier -Soudage Aciers, Aluminium, cuivre, alliage de nickel et de cobalt Inconvénients: Protection gazeuse: - défaut de compacité (soufflures…) - faible tenue mécanique des soudures Non utilisé dans certains secteurs industriels 48  Soudage à l’électrode enrobée - Arc électrique - Protection par laitier - Électrode fusible (métal d’apport) Cordon Laitier Âme diamètre D I Plaque Enrobage v Cordon Laitier 49 Paramètres: I = 50 * (D - 1)), v D = 2.5, 3.15, 4  Soudage à l’électrode enrobée Après opération de soudage Suppression du laitier Laitier 50  Soudage à l’électrode enrobée Le poste à souder: 51 Soudage à l’électrode enrobée 52  Soudage à l’électrode enrobée Rôle de l’enrobage: - Électrique: comportement de l’arc Stabilité de l’arc, pénétration de la soudure, taux de dépôt tension d’amorçage - Protection: création d’une atmosphère réductrice élément réducteur en solution (Mn, Si) Protection contre l’oxydation (de l’air) Affinement métallurgique du bain de fusion (idem fonderie) - Mécanique maintien du bain de fusion par le laitier aspect du cordon Meilleure pénétration, position de soudage, forme du cordon 53  Soudage à l’électrode enrobée Électrodes rutiles (TiO2): -Facile à amorcer -Laitier facile à retirer -Ne convient pas si risques métallurgiques (fissuration à froid) -Restreintes aux aciers doux -Soudage en toute position pour certaines d’entre elles Électrodes basiques (CaF2): (améliore la soudabilité métallurgique, évite les problèmes de fissuration) -Affinage du bain de fusion (désoxydation et désulfurisation) -Meilleures résistances de la soudure et baisse de la sensibilité à la fissuration -Bas point de fusion du laitier -Soudage en toute position -Surface des soudures grossière et convexe Électrodes cellulosiques -Excellente pénétration 54  Soudage sous flux solide - Arc électrique - Protection par laitier - Électrode fusible (métal d’apport) v Aspiration du flux non fondu Dépôt du flux solide Laitier en fusion Cordon Laitier Arc électrique Paramètres: I (200 à 1600 A), U (20 à 45 V) v (qq 10 cm/min à qq m/min) 55  Soudage sous flux solide Le poste à souder: 56  Soudage sous flux solide Le poste à souder: Aspirateur Buse Cordon de soudure Flux Recouvert d’un laitier 57 Soudage sous flux solide Applications -Soudure de fortes épaisseurs (15 mm en une passe) -Tenue du flux (pas de soudure en corniche ou au plafond) En = U*I/va [kJ/cm] 58  Le soudage par point - Protection: non contact avec l’air - sans métal d’apport Résistance d’interface puissance dissipée = R i2 I i: densité surfacique de courant Tôle 1 Tôle 2 Électrodes Ligne de courant Paramètre: I (plusieurs kilo ampères), t (quelques dixièmes de s) P (Pression de serrage des deux tôles) 59  Le soudage par point Énergie électrique: soudage par point Une voiture conventionnelle présente entre 2000 et 3000 points de soudure réalisés de cette manière. Avantages du soudage RSW dans fabrication de véhicules en grande série : Coût faible (~0,05 € par soudure) Processus rapide (< 1 seconde par soudure) Automatisation simple (processus flexible) Aucun consommable par soudure (c.-à-d. pas de surcoût pour le prix de la pièce, pas d’inventaire, pas de poids additionnel ou aucune difficulté supplémentaire en ce qui concerne le recyclage) Faible coût de formation (pour les opérations manuelles). 60  Le soudage par point Énergie électrique: soudage par point Exemple: soudage par point réalisé par Georg et Fischer, sous traitant de Porsche, pour l’assemblage des portes de la Panamera 61 Images: Soudage et techniques connexes, Mars / Avr 2012, Vol. 66 n°3/4  Le soudage oxyacétylénique Énergie chimique: Soudage à la flamme - protection: gaz de combustion 2C2H2 + 5O2 ==> 4CO2 + 2H2O + énergie Métal d’apport C2H2 O2 Débit + air v Buse: diamètre donné pour un débit Gaz de combustion Épaisseur à souder e Paramètre: Puissance (débit d’acétylène en l/heure ≈ 100 e), v 62  Le soudage oxyacétylénique Énergie chimique: Soudage à la flamme 63  Le soudage oxyacétylénique https://youtu.be/QEWEMCwSMuw Énergie chimique: Soudage à la flamme Métal d’apport Dard Buse va Métal solidifié Bain de fusion 64 Sources: Le soudage des aciers de Construction, TBA1376, Techniques de l’Ingénieur http://panache-du-soudeur.over-blog.com/2017/02/le-soudage-oxyacetylenique-creation-du-bain-de-fusion.html  Le placage par explosion Energie: chimique  mécanique EXPLOSIF SUPER-ALLIAGE JET Jeu entre matériau METAL DE BASE De façon usuelle: Tôles planes, Tubes Dimension: 700*700 jusqu’à 2000*2000 Épaisseur plaquée: 1mm jusqu’à 20mm (dépend du matériau) Soudage hétérogène: Aluminium sur acier, acier sur cuivre, … 65 Le placage par explosion 66  Le placage par explosion Macrographie d’un cordon de soudure: 67  Soudage par friction rotative Energie: mécanique C, N Effort de forge Fixe Vitesse de rotation N Assemblage à l’état solide F -Possibilité de soudage Hétérogène -Soudage par friction inertielle Échauffement Forgeage -Soudage par friction linéaire par frottement 68  Soudage par friction rotative Exemple: soudage par friction inertielle N F Échauffement Forgeage par frottement 69  Soudage par friction rotative Micrographie d’un joint soudé par friction: liaison homogène 30CD4 Image Institut de Soudure Source: Précis de construction mécanique tome 1 - Projets-méthodes, production, normalisation. Auteurs: JM. Dejans, H. Lehu, R. Quatremer, J.-P. Trotignon ISBN: 2-12-300431-6 Précis de construction mécanique 1 – dessin conception et normalisation. Auteurs: R. Quatremer, J.-P. Trotignon. ISBN: 2-12-355 318-2 70  Soudage par friction rotative Exemple de pièces 71 Source: Techniques de l’Ingénieur, Mise en forme des aciers par estampage, Marcel GAUCHERON, M3200  Soudage par friction malaxage FSW (friction Stir Welding) Apport d’énergie: Mécanique - frottement - malaxage Soudage à l’état solide (à haute température) Tsoudage < Tfusion des matériaux 72  Soudage par friction malaxage (FSW) L’outil de soudage – Description d’un outil Constitué d’un pion et d’un épaulement, l’outil est en rotation au cours du soudage Au passage de l’outil en rotation, la matière est malaxée et le cordon se forme Plusieurs géométries existent F [N] Epaulement ω Cordon Images IS Avance Plaque 2 non représentée Pion  Soudage par friction malaxage (FSW) – L’épaulement En contact avec la surface des pièces à assembler Rôle: confiner la matière autour du pion et contribuer au malaxage, forgeage de la matière Surface concave (inclinaison de la tête de soudage nécessaire pour améliorer le forgeage) ou plane (pas d’inclinaison, présence de rainures sur la surface de contact) – Le pion Placer au niveau de l’interface, à faible distance de l’enclume Rôle: malaxer, permettre une déformation plastique de la matière autour de lui par la rotation et l’avance, extrusion de la matière Surface filetée ou lisse, présence éventuelle de rainure(s) ou (gorges) 74  Soudage par friction malaxage (FSW) Le cordon de soudure – Aspect Caractérisé par la présence de stries Photo IS Photo CEWAC Coupe transversale : Largeur de l’épaulement Photo IS Exemple de soudure FSW sur 75 Plaque 1 Plaque 2 un alliage aluminium  Soudage par friction malaxage (FSW) Phase opératoire du procédé 76  Soudage par friction malaxage (FSW) Phase opératoire du procédé Paramètres du procédé: -Vitesse de rotation de l’outil (200 à 2000 tr/min) -Vitesse d’avance (jusqu’à 2m/min) -Effort de forge (vertical) de qq kN à qq 10 kN) 77  Soudage par friction malaxage (FSW) Applications: soudage des alliages d’aluminium principalement possibilités soudage hétérogène: aluminium sur cuivre Meilleures caractéristiques mécaniques que soudage par fusion 78 Soudage par friction malaxage (FSW) 2024-T3 1.3mm on 1.6mm Image Institut de Soudure Photo IS 79  Le soudage Laser Energie: Faisceau à haute énergie - Protection: gaz - Pas de métal d’apport Laser: CO2 (10,6µm) Infrarouges Sources YAG (1,06µm) Diode (0,808 et 0,940µm) Bain de Point focal fusion Protection gazeuse (Ar, He) Capillaire (vapeur) Paramètres: Puissance du laser, Vitesse d’avance 80  Le soudage Laser Faisceau à haute énergie On vaporise le métal Effet de chaine pour créer le bain de fusion Sources Soudage à forte pénétration  Bain de fusion étroit Bain de Point focal fusion Nécessite des préparations de bords en usinage Capillaire (vapeur) 81  Le soudage Laser Applications: Soudage bord à bord d’épaisseur: qq 1/10mm à 15mm De façon générique, il faut 1kW pour souder 1 mm à une vitesse de 1m/min - Laser YAG: fibre optique Possibilité de robotisation - Laser CO2: transport par miroirs: Machine de type portique - Laser diode: robotisable Pénétration en fonction de la puissance et de la vitesse, pour des lasers CO2 82 Source: Soudage par faisceaux à haute énergie: faisceau d’électron et laser, Roland Cazes, B 7 740  Le soudage Laser Préparation des bords: « Aucun » jeu: limité en fonction Accès du faisceau du diamètre du faisceau au joint Combinaisons de procédé: Laser Hybride (MIG/MAG) Dépôt d’un cordon MAG (métal d’apport) suivi d’une source laser pour la pénétration -Augmenter la tolérance sur le jeu de soudage et le décalage entre l’axe du faisceau et le joint à souder 83 -Augmenter les vitesses de soudage  Le soudage Laser Préparations des bords: « Aucun » jeu: limité en fonction du diamètre du faisceau Accès du faisceau entre 0,25 et 0,75 mm au joint Configuration possible 84  Le soudage Laser Les soudures obtenues: Soudure par transparence Soudure à clin Exemple d’application: échangeur Exemple d’application: tôlerie thermique Source: DMA Laser http://www.dma-laser.fr/soudure-laser-welding-a-clin-bout-a-bout-par-transparence.html  Le soudage Laser Les soudures obtenues: Soudure en T Demonstration stiffened panel in 2014 alloy Section of a two-pass laser weld in 2014 alloy, typical of those made on the panel shown Source: Laser welding of aluminium alloy airframe structures - TWI (twi-global.com)  Soudage par faisceau d’électrons Energie: Faisceau à haute énergie Protection: vide Lentille Pas de métal d’apport magnétique Faisceau d’électrons (U accélération, I) Enceinte Bain de sous vide fusion Capillaire (vapeur) 87 Paramètres: Puissance du faisceau, Vitesse d’avance  Soudage par faisceau d’électrons Notion d’épaisseur soudée de puissance requise: Aciers épaisseur (mm) Puissance (kW) Vitesse de soudage (cm/min) 2 1 150 4 1,5 90 6 2,5 100 8 3 90 10 4 100 14 6 120 20 10 120 40 24 80 130 50 12,5 Epaisseur maximale ≈ 400 mm Puissance(kW ) ≈ 4e − 3 à plus ou moins 30% épaisseur (mm).vitesse(cm / min) 88  Soudage par faisceau d’électrons Epaisseur maximale ≈ 400 mm Puissance(kW ) ≈ 4e − 3 à plus ou moins 30% épaisseur (mm).vitesse(cm / min) 89 Source: Techniques de l’Ingénieur, Soudage par faisceaux à haute énergie: faisceau d’électron et laser, Roland Cazes, B 7 740  Soudage par faisceau d’électrons Préparations de bord « Aucun » jeu: limité en fonction du diamètre du faisceau entre 0,25 et 0,75 mm  Jeu 5,8s Il ne devrait plus y avoir de problème de fissuration à froid. Un préchauffage à 100°C sera suffisent 130 La fissuration à froid – étude de cas Température de préchauffage Préchauffage à 100°C: TR800-500 = 8s Sans préchauffage: TR800-500 = 5s 3 7 5 4 100°C 6 2 1 131  Références et pour approfondir Techniques de l’Ingénieur: Soudage à l’Arc, Roland CAZES, B 7 730 Le soudage des aciers de Construction, TBA1376, Techniques de l’Ingénieur Montage des pièces pour soudage à l’arc électrique, Alian Chabenat, bm7610 Soudage et soudabilité métallurgique des métaux, Guy MURRY, m715 Soudage par friction, Roland Cazes, B 7 745 Soudage par faisceaux à haute énergie: faisceau d’électron et laser, Roland Cazes, B 7 740 Constructions métalliques – Assemblages par soudage, Jean-Pierre Muzeau, c 2522 Soudage par résistance, Roland CAZES, B 7 720 Soudage, René RHORER, a780 Constructions métalliques – Assemblages par soudage, Jean-Pierre Muzeau, c 2522 Soudage à l’arc généralité, Roland Cazes, b616 Soudage à la flamme, Lucien Vignardet, B 7 710 Soudage par friction malaxage, bm7746, Roland CAZES 132  Références et pour approfondir Ouvrages: Les bases métallurgiques du soudage, Henry GRANJON, Publi. de la soudure autogène Guide des sciences et technologies industrielles, Jean-Louis Fanchon, ISBN 978-2-09- 161037-5 Précis de consctruction mécanique tome 2 - Projets-méthodes, production, normalisation. Auteurs: J.-P. Trotignon, Th. Coorevits, J.-M. David, R. Dietrich, G. Facy, E. Hugonaud, M. Pompidou. ISBN: 2-12-300422-7 Autres: Fissuration et soudage, Carpreau Jean-Michel, 8éme Colloque Modélisation et simulation Numérique du soudage 25 Mars 2010, http://www.afm.asso.fr/LinkClick.aspx?fileticket=u8hfqfrrufs%3D&tabid=346&mid=1503 (consulté le 17 juillet 2014) 133  Comment retrouver les documents de cours Vous trouverez ce document ainsi que les documents utilisés durant le cours sont sur la plateforme SAVOIR : UEI – Réaliser Système (Mise en œuvre) Assemblage permanent Vous avez accès aux Techniques de l’Ingénieur A partir de Etre: « Ressources » puis « Ressources Documentaires » vous trouverez le lien pour accéder directement au site web. 134  Si vous avez des questions N’hésitez pas à passer nous voir! Sandra CHEVRET Laurent LANGLOIS Arts et Métiers Paristech Arts et Métiers Paristech 4, rue Augustin Fresnel 4, rue Augustin Fresnel 57078 Metz Cedex 3 57078 Metz Cedex 3 Tél : +33 3 87 37 54 75 Tél : +33 3 87 37 54 56 [email protected] [email protected] Bureau bâtiment B -154 135