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Soudage par résistance

Le soudage par résistance électrique[1] est un moyen d’assemblage indémontable de tôles, entre elles, mais aussi d’écrous, vis, gougeons, sur une tôle, celles-ci peuvent être indifféremment d’acier, d’acier galvanisé ou électrozingué, d’aluminium mais aussi de cuivre (faible épaisseur), laiton, zinc, nickel, or, argent, plomb.

Machine de Elihu Thomson de 1890 de soudage en bout

Ce mode d’assemblage est très répandu dans l’industrie automobile et aéronautique par exemple, pour sa rapidité d’exécution (grande partie robotisé) sa qualité mécanique et son faible coût.

Histoire

Inventé en 1877 par Elihu Thomson, breveté par le même en 1886, le soudage par résistance ne se développa qu’à partir de 1925.

Principe du soudage par résistance par points

Soudage par point

Cas du soudage classique de deux tôles (celles-ci pouvant être de nature et d’épaisseur différente).

Les deux tôles sont placées l’une sur l’autre, puis fortement maintenues sous pression par la machine de soudage, entre deux électrodes, avant qu’un fort courant ne les traverse permettant après une brève pause, afin de refroidir le point de fusion, le relâchement des deux tôles unies pour toujours par soudure.

Il n’y a donc pour ce mode de soudage aucun métal d’apport (soudage autogène), il est exécuté sous pression avec comme chauffage un fort courant électrique.

La loi qui explique ce phénomène est l'effet Joule : W=RI² t

Dégagement de chaleur W en joules, résistance électrique R en ohms, intensité du courant I en ampères et temps t en secondes. Le point de fusion a lieu entre les deux tôles car c’est le contact qui offre le plus de résistance au passage électrique, la résistance du circuit de soudage étant négligeable.

Contrôle de la qualité de la soudure

Le contrôle de la qualité de la soudure est en principe destructif, sur la propre pièce si elle est peu onéreuse ou bien sur une éprouvette (2 petits bouts de tôle de même caractéristiques que la pièce à contrôler) dans le cas contraire. Il est effectué au marteau et burin, la pièce solidement fixée entre les mors d’un étau en ouvrant les deux pièces puis en frappant sur une d’elles, une des deux pièces assemblées doit se découper de manière cylindrique autour du point de soudure : C’est ce qu’on nomme le diamètre de déboutonnage, mesuré il ne doit jamais être inférieur au diamètre mini imposé par la norme en fonction du diamètre des électrodes et de la classe de qualité exigée à la soudure. Si aucun arrachement de métal se produit il s’agit d’un point appelé par les soudeurs «collé» qui est refusé. Un contrôle plus précis peut être obtenu en laboratoire, essai sur une machine de traction. Par exemple pour deux tôles d’acier doux de 2 mm et un diamètre de 4 mm d’électrodes le résultat en essai de traction donne une valeur de 500 daN, bien sur pour un diamètre supérieur de 6 mm la valeur augmente pour atteindre 700 daN.

L’autre option de contrôle est le contrôle non destructif par ultrasons.

Alimentations nécessaires au raccordement d’un matériel de soudage

Machine de soudure par points
  • Alimentation Ă©lectrique du rĂ©seau.
  • Alimentation pneumatique (air lubrifiĂ©) circuit de 6 bars.
  • Alimentation en eau de refroidissement (circuit fermĂ© d’eau non calcaire).

Constitution d’une machine de soudage ou d’un robot équipé pour le soudage

  • Transformateur de soudage.
  • Panneau Ă  thyristors (2 montĂ©s en tĂŞte bĂŞche) pour la rĂ©gulation du courant de soudage.
  • SĂ©quence de soudage (automate spĂ©cifique qui rĂ©gule l’intensitĂ© de soudage, les temps du cycle, le changement d’électrodes...)
  • Circuit Ă©lectrique de soudage en cuivre.
  • Circuit pneumatique (vĂ©rin, dĂ©tendeur, filtre...)
  • Circuit de refroidissement Ă  eau du transformateur, panneau Ă  thyristors, et circuit en cuivre de soudage.
Cycle de soudage t1: tps d'accostage; t2 tps de soudage; t3 tps de maintien+ tps d'ouverture

Paramètres de soudage

  • La force (ou effort) notĂ©e (F) de compression en newtons (symbole N) ou multiples comme le dĂ©canewton (symbole daN) (convertible en pression du circuit pneumatique en bars d’une machine donnĂ©e d’après un abaque ou une courbe): C’est cette force qui est appliquĂ©e sur les deux pièces et qui dĂ©termine la rĂ©sistance de contact Ă©lectrique entre celles-ci, donc implicitement la qualitĂ© de la soudure. Trop faible, il y a un risque d’avoir trop de projection de mĂ©tal en fusion, trop forte la qualitĂ© de la soudure peut en pâtir. Cette force est mesurĂ©e par un appareil autonome spĂ©cifique appelĂ© U d’effort qui doit ĂŞtre annuellement Ă©talonnĂ©.
  • Le temps d’accostage en pĂ©riodes du rĂ©seau Ă©lectrique: C’est en temps mĂ©canique donnĂ© par la machine est son ouverture entre les Ă©lectrodes (celle-ci doit ĂŞtre minimum sans gĂŞner l’opĂ©rateur, dans le cas de petites pièces plates 2 Ă  cm). Ce temps permet la fermeture de la machine et la montĂ©e en pression du vĂ©rin, jusqu’à la pression dĂ©sirĂ©e (les machines anciennes fonctionnant encore sans contrĂ´le de pression). C’est cette minuterie qui autorise le soudage, Ă  moins d’avoir une machine Ă©quipĂ©e d’un contrĂ´le de pression ou d’une Ă©lectrovanne rĂ©gulĂ©e.

Il est donné comme tous les autres temps en périodes électriques (~): ici pour un réseau de fréquence (f) de 50 hertz, t en secondes =1/f

donc t= 1/50 de seconde donc 20 ms. Un temps d’accostage de 10 périodes veut dire 10 fois 20 ms donc 200 ms.

Un temps trop court peut endommager le matériel(si la machine n’a aucun contrôle de pression), un temps trop long diminue la productivité. Sur la plupart des séquences de soudage, ce temps est divisé en premier accostage et accostage (pour le travail à la volée), toutefois le temps est cumulé donc cela n’a aucune influence sur le principe.

  • Le temps de soudage en pĂ©riodes du rĂ©seau Ă©lectrique : C’est le temps pendant lequel passe le courant Ă©lectrique, trop court la soudure n’est pas bonne, trop long le point est brĂ»lĂ© ou mĂŞme percĂ©.
  • L’intensitĂ© de soudage notĂ©e I en kA : C’est l’intensitĂ© du courant de soudage donnĂ© en kiloampères (kA), elle est rĂ©gulĂ©e par la sĂ©quence, qui doit comporter un tore de mesure, en fonction duquel elle ouvre plus ou moins les thyristors par le courant de gâchette. Trop faible la soudure n’est pas bonne, trop fort le point est brĂ»lĂ©. Attention car I agit au carrĂ© (voir formule de Joule).
  • Le temps de maintien (ou de forgeage sur certaines machines) : C’est le temps donnĂ© pour refroidir le point de soudure, aucun courant ne passe mais la machine ce maintien fermĂ©e sous pression. Il est dit de "forgeage" quand la machine permet d’obtenir un effort entre les Ă©lectrodes supĂ©rieures pendant ce temps. Trop court Ă  la limite les pièces peuvent se sĂ©parer, trop long il pĂ©nalise la productivitĂ©.

Ordre de grandeur des paramètres (soudage de deux tôles d’acier de 1 mm avec des électrodes de 6 mm de diamètre): F = 270 daN, I = 10 kA, temps de soudure = 10 ~ (périodes), temps d’accostage selon la machine, temps de maintien = 10 ~.

Remarque : Pour améliorer la qualité d’une soudure on doit en premier augmenter I en fonction de la capacité de la machine, sinon augmenter le temps de soudage avec un impact sur la productivité, ou bien diminuer (inversement proportionnel) l’effort de soudage dans la limite possible du contrôle des projections.

Cas particuliers

Cas du soudage de tĂ´les Ă©paisses ou de trois tĂ´les

Dans le cas de soudage de 3 tôles ou de tôles épaisses (épaisseur > 1,5 mm), le mode de soudage est spécifique car on utilise le soudage par pulsations. C’est-à-dire que pour souder une pièce plus épaisse et comme la capacité de notre machine n’est pas illimitée, au lieu d’envoyer un courant plus fort on utilise un temps plus long entrecoupé de courtes pauses (temps mort) afin de ne pas endommager le transfo et les thyristors, l’on envoie donc plusieurs séries ou trains de pulsations (courant d'intensité I pause courant, etc.) Il faut donc en plus définir le nombre de pulsations, et le temps mort.

Cas de tôles revêtues (galvanisées ou électrozinguées)

Le soudage est le même que pour une tôle nue sauf qu’il nécessite de 30 a 40 % en plus de courant. De plus le zinc se dépose lentement sur les électrodes en cuivre formant un couche de laiton, celle-ci nuisant fortement à la qualité de la soudure. C’est pourquoi l’on utilise pour ces pièces soudées en série une intensité de soudage variable qui augmente en fonction du nombre de points de soudure effectués (déphasage). L’usure est linéaire, et sous influence du matériel japonais, de plus en plus de fabricants européens utilise ce modèle, toutefois bon nombre de séquence de soudage ancienne encore en service utilise le modèle ancien de montée par paliers. Par exemple de 0 à 200 points 8 kA de 200 à 400 points 8,5 kA d’intensité etc. Ce qui nécessite une mise au point délicate et longue afin de définir ces paliers (de plus très dépendant de la qualité et épaisseur du revêtement).

Électrodes

Quel que soit le mode utilisé il convient de périodiquement procéder à un rodage des électrodes, grâce à un rodoir manuel (sorte de lime plate aux traits parallèles, de 20 à 50 par cm) qui enlève la couche de laiton et une fraise pour recalibrer le diamètre de l’électrode ou bien un rodage d’une machine automatique, qui usine légèrement l’électrode (cas de robots de soudage). Même avec ces précautions, la périodicité de changement des électrodes est de l’ordre 5 fois plus importante que pour une tôle nue.

Soudage par bossage

Cas du soudage de vis, écrous, gougeons … par bossage

Il est possible de souder des vis des écrous sur une tôle, pour cela il faut une machine assez puissante, et des écrous et vis spécifiques qui possèdent sur la face inférieur en principe 3 bossages à 180º (petite réserve de matière qui va fondre et constituer la soudure).

Cas du point de soudage invisible

Le point de soudage est en principe visible, pour le rendre invisible, ou presque, on utilise sur la face en question une électrode plate, toutefois la qualité s'en ressent. Pour compenser en principe on rajoute au minimum 1 kA à I.

Cas de plusieurs points de soudure soudés en même temps sur la même machine

Il est possible de faire plusieurs points en même temps sur la même pièce ou de souder deux pièces à la fois; pour cela l’on utilise des machines spécifiques plus puissante, des presses à souder. Pour une bonne répartition des efforts et donc du courant, l’on dispose entre les plateaux de la machine des vérins d’équilibrage à graisse ou plus récents pneumatique.

Soudage Ă  la molette

Dans ce cas, les deux tôles à souder sont serrées par deux électrodes cylindriques (molette) en rotation qui entraînent les deux tôles dans un mouvement de translation. Périodiquement un courant de soudage traverse les deux tôles et crée un point de soudure dont le pas dépend de la vitesse d’avance et de la fréquence de soudage, à la limite l’on peut souder un cordon continu et en principe étanche.

Soudage Ă  la molette

Règles de sécurité

L’opérateur d’une machine à souder doit impérativement utiliser des lunettes de protection, des gants et chaussures de sécurité ainsi qu’un tablier en cuir ou une blouse en coton (peu inflammable au regard des matières synthétiques).

Notes et références

  1. Le soudage électrique par résistance de Jean Nègre, Publications de la soudure autogène Paris

Bibliographie

  • Le Soudage Ă©lectrique par rĂ©sistance de Jean Nègre, chez Publications de la soudure autogène Paris, 4e Ă©dition. Notice BnF
  • Soudage par rĂ©sistance de Claude Drouart chez Publications du soudage et ses applications, 1993 (ISBN 2-85701-254-3) Notice BnF
  • G. L'heureux, E. Belotte, Le Soudage par rĂ©sistance, Dunod, 1965.

Normes ISO

  • ISO 5182, Soudage par rĂ©sistance — MatĂ©riaux pour Ă©lectrodes et Ă©quipements annexes
  • ISO 10447, Soudage par rĂ©sistance — Essais de dĂ©boutonnage au burin et de pelage appliquĂ©s aux soudures par rĂ©sistance par points et par bossages
  • ISO 14270, Dimensions des Ă©prouvettes et mode opĂ©ratoire pour l'essai par dĂ©boutonnage mĂ©canisĂ© des soudures par rĂ©sistance par points, Ă  la molette et par bossages
  • ISO 15609-5, Descriptif et qualification d'un mode opĂ©ratoire de soudage pour les matĂ©riaux mĂ©talliques — Descriptif d'un mode opĂ©ratoire de soudage; Partie 5: Soudage par rĂ©sistance
  • ISO 15614-12, Descriptif et qualification d'un mode opĂ©ratoire de soudage pour les matĂ©riaux mĂ©talliques — Épreuve de qualification d'un mode opĂ©ratoire de soudage; Partie 12: Soudage par points, Ă  la molette et par bossages
  • ISO 17677-1, Soudage par rĂ©sistance — Vocabulaire — Partie 1: Soudage par points, par bossages et Ă  la molette
  • ISO 18278-1, Soudage par rĂ©sistance — SoudabilitĂ© — Partie 1: Évaluation de la soudabilitĂ© pour le soudage par rĂ©sistance par points, Ă  la molette et par bossages des matĂ©riaux mĂ©tallique
  • ISO 18278-2, Soudage par rĂ©sistance — SoudabilitĂ© — Partie 2: MĂ©thodes alternatives d'Ă©valuation des tĂ´les d'acier pour le soudage par points

Liens externes

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