Comparaison des technologies de soudage à haute densité d énergie

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1 Comparaison des technologies de soudage à haute densité d énergie 2 ème Séminaire Bodycote / Air Liquide octobre 2010 Peggy Gressel

2 Historique Sommaire Domaines d utilisation Le soudage plasma Le soudage K-TIG Le soudage par faisceau d électrons Le soudage laser Conclusions 2

3 Historique Soudage oxyacétylénique 1907 Soudage à l électrode enrobée Soudage TIG Soudage par résistance 1954 Soudage FE Soudage Laser 1990 FSW Les procédés de soudage à haute densité d énergie sont relativement récents. 3

4 Domaines d utilisation Un procédé de soudage à haute densité d énergie : c est quoi? C est un procédé qui permet de concentrer une énergie maximale sur une surface minimale. Densité de puissance Flamme de gaz Arc de soudage Jet de plasma Faisceau d'électrons Faisceau laser A titre comparatif : Arc TIG : 10 3 W/cm² Laser ou FE : 10 6 W/cm² 4

5 Domaines d utilisation Un procédé de soudage à haute densité d énergie : c est quoi? Procédés conventionnels = conduction Procédés HDE = keyhole 2 à 5 mm Soudage à l'arc (TIG) Plasma Faisceau laser Faisceau d'électrons Comparaison des zones fondues 5

6 Domaines d utilisation Un procédé de soudage à haute densité d énergie : pour quoi faire? Souder des épaisseurs plus fortes, en une seule passe Accroître les vitesses de soudage Réduire les déformations Faire des gains sur la préparation des pièces Dans la plupart des cas, pas d utilisation de métal d apport Etre reproductible et précis K-TIG Soudage à l électrode enrobée : 14 mm 25 mm 11 passes et un chanfrein en X TIG, 3 ème passe Soudage laser : 2 passes sur bords droits Comparaison des contraintes résiduelles sur un acier inoxydable 6

7 Soudage à l arc plasma Définition et principe : Procédé de soudage par fusion utilisant l énergie calorifique apportée par un jet de plasma très concentré obtenu par la constriction d un arc TIG. refroidissement électrode rétractaire tuyère arc buse gaz plasmagène gaz de protection 2 modes : Procédé à arc soufflé : utilisé principalement pour la projection à chaud Procédé à arc transféré : utilisé en soudage et coupage 7

8 Soudage à l arc plasma Avantages du procédé : Vitesse supérieure au procédé TIG (jusqu à 1m/min) Bonne qualité des cordons obtenus (même qualité de joint qu'en TIG conventionnel) Soudage en une seule passe jusqu à 10 mm Equipement peu onéreux Limites du procédé : Position de soudage : PA ou PC Non adapté au soudage de l'aluminium Limité à 8 mm d épaisseur sur les aciers carbone-manganèse Bruit important 8

9 Domaines : Industries chimiques, raboutage de tubes Matériaux : Aciers (alliés essentiellement), alliages de titane, de nickel, de cuivre Epaisseurs : 3 à 10 mm à bords droits Soudage à l arc plasma Ligne de fusion en soudage plasma sur une tôle en acier inoxydable 9

10 Définition et principe : Le procédé K-TIG est une variante du procédé TIG haute intensité : Soudage K-TIG Le TIG haute intensité fait appel à des courants de soudage bien plus élevés qu'en TIG conventionnel afin d'augmenter la pénétration. Il y a formation d'une cavité non débouchante. La forte pression d'arc peut cependant engendrer des instabilités et des défauts. Le K-TIG fait appel à des pressions d'arc encore plus fortes de manière à faire déboucher la cavité sur la face inférieure des pièces. On élimine ainsi les défauts de compacité. TIG conventionnel TIG haute intensité K-TIG 10

11 Soudage K-TIG Le K-TIG (Keyhole Tungsten Inert Gas) est une technologie de soudage développée par CSIRO et CRCWS (Australie). Avantages du procédé : Bonne qualité des cordons obtenus ( même qualité de joint qu'en TIG conventionnel) Soudage en une passe jusqu'à une épaisseur de 12 mm Simplicité : uniquement 2 paramètres de soudage principaux à gérer Equipement peu onéreux Limites du procédé : Position de soudage : PA ou PC Nécessite un bon accostage des pièces Non adapté au soudage de l'aluminium et du cuivre (haute conductivité thermique), et des aciers carbone-manganèse 11

12 Soudage K-TIG Domaines : Tuyauterie, industries chimiques, ferroviaire Matériaux : Aciers inoxydables Alliages base nickel Alliages de titane Epaisseurs : de 3 à 12 mm 12

13 Soudage K-TIG Acier inoxydable 316L ép. 8 mm Paramètres de soudage : Vitesse de soudage : 51 cm/min Intensité : 670 A Tension d'arc : 18 V Gaz de protection : Ar - H 2 / 24 L/min Titane TA6V ép. 10 mm Paramètres de soudage : Vitesse de soudage : 51 cm/min Intensité : 570 A Tension d'arc : 18 V Gaz de protection : Ar / 26 L/min 13

14 Soudage par faisceau d électrons Définition et principe : Procédé de soudage par fusion pour lequel la source de chaleur est constituée d un faisceau d électrons focalisé à la surface des pièces à souder. La chaleur est produite par transformation au point d impact de l énergie cinétique des électrons. filament wehnelt anode bobine de focalisation faisceau vers pompe à vide Principal inconvénient: utilisation sous vide Machines jusqu à 100 kw et enceintes de quelques dm 3 à plusieurs centaines de m 3. 14

15 Soudage par faisceau d électrons Avantages du procédé : Soudage de fortes épaisseurs Vitesses de soudage élevées (jusqu à plusieurs m/min) Nombreux matériaux soudables Assemblages hétérogènes possibles Bonne qualité des cordons de soudure Limites du procédé : Investissement élevé Utilisation sous vide Sensible au magnétisme Faibles tolérances d accostage 15

16 Soudage par faisceau d électrons Domaines : aéronautique/avionique, spatial, automobile, nucléaire, électronique Matériaux : matériaux métalliques très divers : aciers, alliages cuivreux, alliages d aluminium, de titane, de nickel, de zirconium, métaux réfractaires Epaisseurs : de quelques dixièmes à plusieurs dizaines de mm Alliage de cuivre 30 mm Alliage d aluminium 100 mm Acier HLE 12 mm Sans et avec lissage 16

17 Soudage par faisceau d électrons Assemblage hétérogène Alliages d aluminium 1000/5086 Assemblage hétérogène Alliages d aluminium 6061/

18 Soudage par faisceau laser Définition et principe : Procédé de soudage par fusion utilisant l énergie transportée par un faisceau laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) focalisé à la surface des pièces. E E E Milieu actif (gaz, solide), placé entre deux miroirs (résonateur) Miroir semi-réfléchissant Miroir Émission spontanée Émission stimulée 18

19 Soudage par faisceau laser Avantages du procédé : Flexibilité (fibre optique) Vitesse de soudage élevées (jusqu à plusieurs m/min) Bonne qualité des cordons de soudure Possibilité d utiliser un métal d apport Possibilité d ajouter un arc électrique : soudage hybride Soudage laser de pipe Limites du procédé : Investissement élevé Soudabilité limitée pour certains matériaux (aluminiums, cuivres) Faibles tolérances d accostage Sécurité Soudage hybride laser-arc 19

20 Soudage par faisceau laser Domaines : automobile, aéronautique, spatial, nucléaire, ferroviaire, électronique, médical, horlogerie/bijouterie Matériaux : aciers, alliages de nickel, de titane, d aluminium Epaisseurs : de quelques dixièmes à 15 mm en une seule passe. Acier inoxydable AISI304L Epaisseur 0.8mm Acier non-allié 2.5/1.8mm Deux passes interpénétrées Acier 16MnCr5 20

21 Soudage par faisceau laser Pièce en alliage de titane TA6V Assemblage en angle Longueur 3 m Epaisseur 2 mm Pièce en acier inoxydable duplex Longueur 4 m Epaisseur 10 mm 21

22 Soudage par faisceau laser Soudage en T par transparence, sur un acier inoxydable Acier Inoxydable / acier non-allié Soudage Inconel Epaisseur 4 mm Alliage de Titane TA6V Epaisseur 3 mm 22

23 Conclusions Les procédés à haute densité d énergie concernent les dérivés du soudage TIG et les procédés avec faisceau focalisé. Ils ont chacun leur domaine d utilisation; ils sont souvent complémentaires et parfois concurrents. Si le soudage plasma ou le soudage K-TIG sont plus accessibles et plus tolérants à l accostage, leurs applications restent limitées, notamment du fait de leur utilisation en régime débouchant uniquement (stabilité). Les procédés laser et FE permettent le soudage d épaisseurs plus fortes et les applications industrielles sont très variées, malgré un investissement élevé et des contraintes comme le vide ou la sécurité. 23

24 Merci de votre attention. Des questions? Peggy Gressel Institut de Soudure Plateforme Assemblage 4 boulevard Henri Becquerel Yutz Tél : pe.gressel@institutdesoudure.com 24