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close this bookFormation Professionelle en Afrique: Technologie Generale pour Construction Métallique - Tome 2
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37. Le soudage électrique par résistance

Ce procédé de soudage est caractérise par:

- le mode d'apport de chaleur: celui-ci est du à l'effet Joule provoqué par le passage dans les parties à souder d'un courant électrique à forte intensité (2 000 à 150 000 A);

- une complète autogénéité (1), puisqu'il n'est jamais, d'une manière générale, fait appel a un métal d'apport;

- l'exercice d'une pression (de quelques grammes à 30 000 kg), qui localise le passage du courant et réalise le forgeage;

- la rapidité d'exécution due à la suppression presque totale des opérations de préparation ou de finition, et à l'emploi de fortes intensités. Ainsi, un point de soudure assemblant deux tôles d'acier doux de 0,8 mm d'épaisseur est exécuté en 8 à 12 centièmes de seconde; deux tôles de 4 mm sont soudées en 1 à 3 secondes.

Selon le mode d'application de l'énergie électrique et de la pression, le soudage électrique par résistance est dit: soudage par points.

I. Etude sommaire de la formation du point

Les pièces sont serrées entre deux électrodes. Le courant électrique de forte intensité, circule d'une électrode à l'autre à travers les pièces à souder.

La quantité Q de chaleur dégagée est donnée par la loi de Joule qu'exprime la formule:


, dans laquelle:

J est l'équivalent mécanique de la grande calorie (J = 4, 18 × 103);
l l'intensité,
T le temps de passage du courant;
R se décompose en cinq éléments


Fig. 1

(fig. 1):
r1 et r2, résistances au contact des électrodes sur la pièce;
r3 et r4, résistances ohmiques des parties à souder;
r5, résistance au contact entre les deux parties.

Pour réaliser la soudure dans de bonnes conditions, il faut faire en sorte que l'échauffement maximum se produise au point de contact: pour cela, on s'efforce de rendre r1, et r2 négligeables et de donner à r5 la plus grande valeur possible.

Sous l'effet du grand dégagement de chaleur, il se forme un noyau de métal fondu entouré de métal plastique (fig. 2).

Si la soudure est faite rapidement, la chaleur n'a pas le temps de se transmettre jusqu'aux surfaces extérieures avant la rupture du courant et l'éloignement des électrodes. Mais, si l'on dégage l'électrode mobile immédiatement après la rupture du courant, ou voit la surface du métal rougir sous l'effet de la chaleur, transmise par conductibilité thermique.

Au contraire, si l'on maintient les électrodes en position après la coupure du courant, elles favorisent l'évacuation de la chaleur que l'on peut accélérer par une circulation d'eau, et la température en surface reste relativement basse. Cela permet d'exercer une forte pression qui assurera le forgeage du métal plastique.

Si l'intensité utilisée est plus petite, le temps de soudage augmente, on réalise un soudage lent. La température des pièces s'élève, ainsi que celle des électrodes. La température de recuit de ces dernières étant vite atteinte, elles se détériorent rapidement.

D'autre part, le métal, rendu plastique jusqu'en surface, non seulement ne peut plus supporter une pression suffisante pour obtenir le forgeage du point de soudure, mais il garde l'empreinte profonde des électrodes.

De plus, la dispersion de chaleur ainsi provoquée entraîne une plus grande consommation de courant.

Enfin, par suite du dégagement relativement important de chaleur, chaque point de soudure joue le rôle d'une chaude de retrait ce qui entraîne l'apparition de tensions internes et de déformations.

Cette courte étude montre les avantages du soudage rapide: meilleure qualité des soudures, consommation moindre d'électricité, soudures peu marquées, pas ou peu de déformations, possibilité de souder des pièces fragiles qui se déformeraient en soudage lent, possibilité de souder entre eux des métaux à points de fusion très différents, tenue des électrodes améliorée.

II. Le point de soudure

1. Noyau de métal fondu l'examen microscopique montre une orientation radiale des grains de métal et une légère retassure à la partie supérieure.

2. Zone de métal plastique où selon les conditions d'exécution il peut y avoir soudure par diffusion.

3. Zone affectée thermiquement.

4. Empreinte des électrodes.


Fig. 2

Remarque: Le noyau de métal fondu se forme au contact des deux tôles puisque c'est le lieu de la plus grande résistance électrique.

III. Le soudage par points peut se pratiquer suivant trois procédés

1. Soudage par points, réalisé par concentration du courant et de la pression entre deux électrodes poitues (fig. 3 et 4). La soudure (métal fondu plus métal forgé), a un aspect circulaire.

2. Soudage par bossages. Des bossages sont préparés sur l'une des pièces aux emplacements des points de soudure; les électrodes sont plates (fig. 5). Les bossages ont pour but de concentrer le courant et la pression aux emplacements des points de soudure.

3. Soudage à molettes. Les électrodes sont des disques dits «molettes» qui roulent sur les pièces assembler et les entraînent. La pression est généralement permanente, mais le courant est interrompu et rétabli selon une cadence déterminée et réglable; on peut ainsi obtenir soit des points régulièrement espacés, soit des points qui se chevauchent et forment une soudure continue rendant le joint étanche (fig. 6).


Fig. 3 Principe du soudage par points


Fig. 4 Principe du soudage par points multiples - Le courant passe d'une électrode à l'autre en traversant les pièces à assembler


Fig. 5 Après soudage


Fig. 6 Soudure par points - Soudure continue

Actuellement, les épaisseurs d'acier soudables par points varient de quelques dixièmes de millimètre à 2 fois 20 mm et celles des alliages légers de 2 fois 0,5 mm à 2 fois 8 mm.

IV. Le soudage par points est applicable a un grand nombre de métaux et alliages

La soudabilité des métaux et alliages est fonction de leur résistivité* électrique, on peut, de ce point de vue, les ranger en deux groupes:

* La résistivité d'un métal est la résistance électrique d'un fil de ce métal ayant une longueur de 1 mm et une section de 1 mm2.

1. Ceux à grande résistivité électrique et faible conductibilité thermique, tels les aciers, qui se soudent avec des intensités relativement faibles et des temps de passage relativement longs.

2. Ceux à faible résistivité électrique et à grande conductibilité thermique, tels: l'aluminium et ses alliages, les alliages de cuivre, qui se soudent avec de fortes intensités et des temps très courts.

- L'acier doux se soude très facilement, ainsi que les aciers à faible teneur en éléments spéciaux.

- Les aciers trempants sont soudables, mais ils exigent un recuit après soudage car la soudure par suite du refroidissement rapide, est devenue fragile. Ce recuit est effectué automatiquement sur certaines machines à souder.

- Les aciers inoxydables au chrome-nickel se soudent très bien par l'emploi d'un courant modéré, sous une pression forte et en un temps de soudage court et précis (pour éviter la précipitation des carbures de chrome).

- Le nickel et ses alliages se soudent facilement avec une intensité assez élevée.

- L'aluminium, le magnésium et leurs alliages sont soudables à condition d'employer un courant très intense pendant un temps très court, et de contrôler rigoureusement la quantité d'énergie fournie.

- Le laiton se soude plus facilement que l'aluminium en employant un courant élevé pendant un temps court.

- Le zinc et ses alliages contenant du zinc ou du plomb sont très délicats à souder en raison de leur faible température de fusion.

- Le cuivre sur cuivre est impossible a souder ou donne une très mauvaise soudure; les alliages rouges et les bronzes phosphoreux se soudent mieux.

- Des métaux et alliages de nature différente sont soudables par points s'ils forment un alliage et si leurs températures de fusion ne sont pas trop différentes.

V. Séquences d'un cycle de soudage

Une opération de soudage par points comprend quatre phases:

l'accostage, le soudage, le maintien et le temps mort.

Dans les schémas de principe (fig. 8) et les explications, le temps mort se décompose en deux fonctions comme pour la réalisation d'un unique point de soudure sur deux tôles à assembler.


Fig. 7

1. Accostage
sous l'effet de la pression, les électrodes assurent un contact étroit entre les pièces.

2. Soudage
l'intensité et le temps sont fonction de la nature des métaux et des épaisseurs.

3. Forgeage ou maintien de la pression
La pression des électrodes est maintenue afin d'assurer la solidification du noyau et le forgeage de la zone chauffée.

4. Cadence ou temps mort
Espace de temps entre la réalisation de deux points consécutifs.


Fig. 8

P. Préchauffage
variable en fonction des métaux à assembler.

T. Traitement thermique du point du soudure comme pour le préchauffage, cette séquence sera en relation avec la nature des matériaux à assembler.

VI. La pratique du soudage par points

1. Emplacement et résistance des soudures:

L'assemblage doit être choisi de façon que les points de soudure soient sollicités de préférence au cisaillement, car un point résiste mal à l'extension, médiocrement à la torsion et de façon optimum au cisaillement par traction.

Les points soudés, exécutés normalement, qui assemblent des plats en acier doux ont une résistance au cisaillement supérieure à celle de boulons en acier doux de même diamètre.

REMARQUE:

On admet un coefficient supérieur 4 pour les points soudés et 3 pour les boulons.

2. Préparation:

* Pince minimum: r = 2 e + 4 mm.

* Recouvrement minimum: R = 4 e + 8 mm.

* Distance au bord minimum: m = 2 e + 4 mm.

* Pas: si l'on soude un point trop près d'un autre, une partie du courant passe à travers ce dernier et est perdue pour la soudure.

Pour E (épaisseur totale) = 2 e ne pas descendre au-dessous de P = 12 e pour e > 3 mm et P = 13 e + 4 pour e < 3 mm

Pour E = 3 e, prendre

P > 16 e pour e > 3 mm
P > 18 e + 4 pour e < 3 mm.

* Etat des pièces: utiliser de préférence du métal propre, exempt de rouille, d'une couche épaisse de calamine, de peinture, etc., car ces corps nuisent au passage du courant. Les joints des tôles présentant ces défauts doivent être décapés ou meules, ou alors soudés avec des machines munies de dispositifs spéciaux tels que préchauffage.


Fig. 9

La graisse et l'huile ne gênent pas le soudage

Une couche faible de calamine disparaît pendant le soudage sous forme d'étincelles (soudage lent avec pression élevée).

Les revêtements électrolytiques ne nuisent pas a la qualité de la soudure, mais ils encrassent rapidement les électrodes. Un refroidissement énergique des électrodes est nécessaire:

a) pendant le soudage des fers blancs, tôles plombées ou galvanisées en raison du bas point de fusion du revêtement; toutefois la couche de métal protecteur est généralement détruite au droit des points sur les tôles d'une épaisseur supérieure à 1,2 mm;

b) pendant le soudage des tôles chromées ou nickelées, afin d'éviter l'oxydation des points.

3. Le soudage par bossages:

Les bossages présentent plusieurs avantages:

- accostage facile et très bon;
- possibilité de souder plusieurs points simultanément (fig. 5);
- usure réduite des électrodes.

Les figures 10 et 11 donnent deux exemples de bossages.


Fig. 10 Bossage tronconique pour tôle de 2,5 a 6 mm.


Fig. 11 Bossage en dôme pour tôle de 0,6 à 2 mm.

4. Soudage de plusieurs épaisseurs:

Les machines à souder peuvent souder jusqu'à dix feuilles de tôle dont chaque épaisseur correspond à la capacité de la machine, elles peuvent également souder deux épaisseurs inégales mais la plus faible épaisseur devra être réduite légèrement.


Fig. 12 Capacité de soudage sur pièces propres de petites dimensions pour une machine de puissance maximum: 50 kVA

5. Réglage des machines:

Il est, en principe, lié à la plus mince des épaisseurs à souder. Pratiquement, il se fait en deux temps:

- détermination du profil et du diamètre des points d'électrodes, ou détermination des bossages;
- évaluation de la pression et réglage de l'intensité et du temps de passage du courant.

En faisant varier ces trois derniers paramètres, il est possible de trouver un grand nombre de combinaisons qui donnent satisfaction, c'est-à-dire l'énergie W de soudage, entre deux limites: soudage lent et soudage rapide.

Soudage par points de l'acier doux a 0,1% C non calaminé.

Le premier nombre donne le réglage en soudage rapide, le second nombre le réglage en soudage lent.

épaisseur de la plus mince des 2 tôles mm

effort entre les électrodes kg

temps de soudage en secondes

courant secondaire Ampères

1

270

90

0,1

0,4

8 800

5 000

2

500

195

0,3

1

12 000

7 500

5

1 700

450

1,3

4,5

22 000

12 000

VII. Les électrodes

1. Matière:

Le métal de base des électrodes est le cuivre, en raison de sa grande conductibilité électrique. Il est employé pur (cuivre électrolytique écroui), ou allié au chrome, au cobalt, au tungstène, etc., lorsqu'une plus grande résistance mécanique est recherchée ou pour éviter le collage des électrodes au métal soudé.

2. Forme des pointes:

elles sont plates ou en dôme.

* Pointe plate pour soudage des aciers

Le diamètre (d) de la plage de contact est lié à l'épaisseur de la pièce la plus mince a souder

3. Entretien:

Il n'est possible de réaliser de bonnes soudures qu'avec des électrodes en parfait état. Les électrodes creuses, mal ajustées ou ayant un dépôt de métal sur la pointe entraînent une baisse d'intensité et un crachement en forme de bourrelet sur un côté du point.

Les électrodes se réparent soit au tour, soit à la lime (éviter l'emploi de la toile émeri: celle-ci laisse souvent des grains qui détériorent à nouveau l'électrode).

VIII. Schéma d'une installation de soudage par point

DESCRIPTIF:

1. Transformateur statique délivrant des intensités au secondaire pouvant atteindre 200 K A sous un faible potentiel dans un temps très court (quelques centièmes de seconde). Le secondaire est généralement constitué par une, deux ou trois spires.

2. Coffret de commande permettant le réglage des différents paramètres de soudage:

- pression des électrodes
- temporisation des différentes séquences

* accostage
* soudage
* forgeage
* traitement thermique
* cadence


Fig. 18

3. Contacteurs

Compte tenu de l'intensité du courant secondaire, les contacteurs sont placés sur le circuit primaire.

Ces contacteurs statiques sont les Thyratrons ou des Thyristors.

4. Sélectionneur à plots

Le choix des intensités de soudage se fait en modifiant le nombre de spires du circuit primaire du transformateur.

5. Ensemble pneumatique qui assure le mouvement de l'électrode supérieure.

6. Système de refroidissement des électrodes.

7. Electrodes de soudage elles sont en cuivre électrolytique écroui ou en alliage de cuivre. Leurs formes et dimensions varient selon les matériaux, les épaisseurs à assembler et la géométrie des pièces.

8. Pédale de déclenchement du cycle.

9. Pièces à souder.

IX. Soudage à molettes

1. Principe:

Les électrodes sont des disques mobiles autour de leur axe et roulent de façon continue ou discontinue sur le recouvrement des pièces a assembler.

Le courant passe pas impulsions successives et l'on réalise une succession de points de soudure qui peuvent être espacés ou jointifs.


Fig. 19

Dans ce dernier cas, on réalise ainsi un cordon de soudure étanche.

Un faible recouvrement des pièces a souder, l'emploi de molettes épaosses et un effort de pression élevé produisent pendant le soudage un écrasement du recouvrement et ramènent les deux pièces soudées dans le même plan.


Fig. 20 Continue ou cordon étanche


Fig. 21 Discontinu

2. Différentes phases d'une opération de soudage à la molette:


Fig. 22

- A: éléments à souder posés l'un sur l'autre
- B: descente de la molette supérieure
- C: rotation des molettes
- D: passage du courant électrique de soudage
- E: fin de l'opération de soudage, arrêt de l'effort de pression

3. Description d'une machine a souder à la molette:


Fig. 23

1 - bâti supportant les bras terminés par les molettes de soudage
2 - vérin produisant l'effort de soudage
3 - transformateur électrique alimenté par le réseau et fournissant le courant de soudage
4 - conducteurs connectant le transformateur aux molettes
5 - un circuit de commande et de réglage du courant et des temps de la séquence de soudage
6 - système d'entraînement de l'une ou des deux molettes

un ou plusieurs circuits hydrauliques de refroidissement des molettes est également prévu.

4. Types de soudage:

* Le soudage transversal permet:

- l'assemblage de deux tôles de grande longueur - avec comme limite de largeur pour l'une, la longueur utile maximale de la machine,

- l'assemblage de fonds circulaires sur des corps cylindriques,

- l'assemblage de pièces telles que réservoirs ou radiateurs comportant un joint périphérique d'allure générale curviligne,

- partielle ou fermée.

* Le soudage longitudinal permet:

- l'assemblage des vires de corps cylindriques ou parallélépipédiques avec comme limite de dimension deux fois la longueur utile de la machine (soudage en deux fois en retournant la pièce).


Fig. 24


Fig. 25

5. Différents types de molettes:

* Soudage des aciers


Profil plat


Profil à simple biseau


Profil à double biseau

* Soudage des alliages légers

PROFIL BOMBÉ


Figure

r = 50 mm pour tôles d'épaisseur
0,5 à 1,5 mm

r = 75 mm pour tôles d'épaisseur
1,5 à 2 mm

* Soudage des tôles d'acier revêtues

PROFIL BOMBÉ


Figure

L = 4 a 6 mm
r = 2L