Centre Antoine-de-Saint-Exupéry SOUDEUSE À FROID Principe de fonctionnement, opération et entretien Préparé par : Michel Brassard Avril 2003
TABLE DES MATIÈRES 1. LES CARACTÉRISTIQUES DES MÉTAUX 3 1.1. Les propriétés mécaniques des métaux 3 1.2. Le diagramme de traction (ou courbe de traction) 7 2. LA SOUDURE À FROID 8 2.1. Principes généraux de la soudure 8 2.2. Les procédés de soudage 9 2.3. Principe de la soudure à froid 9 2.4. Les matériaux pouvant être soudés à froid 10 2.5. Présentation des soudeuses à froid de l entreprise 10 2.6. Caractéristiques des équipements 11 2.7. Présentation du tableau de sélection des filières 14 2.8. Procédure de montage de la filière 17 2.9. Procédure d ajustement de la filière 20 2.10. Procédure d inspection 21 2.11. Procédure d opération de la soudeuse à froid 22 3. L ENTRETIEN DES FILIÈRES ET DE L ÉQUIPEMENT 25 3.1. Inspection des filières 25 3.2. Le nettoyage de la filière 25 3.3. Inspection et remplacement de composantes (si nécessaire) 26 3.4. Lubrification 27 2
1. LES CARACTÉRISTIQUES DES MÉTAUX 1.1. Les propriétés mécaniques des métaux Au niveau mécanique, l une des caractéristiques importante des matériaux est le module d élasticité, appelé module de Young. À la figure 1.1, nous avons un matériau soumis à une force F appliqué à une section A, la section étant la surface du matériau. En divisant la force par la surface, on obtient la contrainte σ. σ = F/A σ = MPa ou Psi F = Newton (N) ou Livre (Lb) A = mètre cube ou pouce cube Le module de Young E est déterminé par la formule suivante : σ = Eε σ = Mpa ou Psi E = Mpa ou Psi ε = l/lo = (la déformation) Dans un très grand nombre de matériaux, et pour de petites déformations, cette déformation est proportionnelle à la contrainte (figure 1.2). La rigidité des matériaux La mesure de la rigidité est le module de Young. C est la propriété qu un corps a à se déformer sous l action d une contrainte appliquée. Plus le module de Young est faible, plus le corps pourra se déformer. On dira que le matériau est peu rigide. Le module de Young correspond à la pente de la ligne à la figure 1.2. Le module de Young permet une classification des matériaux, telle que montrée à la figure 1.3. 3
Le domaine élastique et le domaine plastique À la figure 1.4, vous pouvez voir comment se comportent les matériaux, selon la contrainte σ versus la déformation ε que l on appelle la courbe de traction. Le domaine plastique est la partie où la contrainte est proportionnelle à la déformation. Dans le domaine plastique la déformation est réversible ce qui signifie que si l on relâche la contrainte, la déformation s annule. Le matériau retrouve sa forme initiale. Si l on revient au concept de rigidité, on peut dire que moins un matériau est rigide plus il se déformera sous une contrainte, tout en reprenant sa forme initiale lorsque la contrainte sera relâchée. Au contraire, un matériau plus rigide se déformera moins sous la contrainte. Le module de Young détermine le domaine plastique d un matériau. Le domaine plastique signifie que lorsque l on relâche la contrainte, le matériau restera déformer. Ce qui pourra changer certaines propriétés mécaniques. 4
Les matériaux fragiles et les matériaux ductiles Un matériau est dit fragile lorsque qu il ne peut pas être déformé sous une contrainte, exemple : le verre, la céramique, la pierre, etc. Le module de Young est donc élevé pour ces matériaux qui casseront lorsque la contrainte appliquée sera trop élevée. Un matériau ductile est au contraire un matériau qui peut être déformé élastiquement, plastiquement sans rupture. Exemple : l acier, l aluminium, le caoutchouc, etc. Le module de Young est plus bas que celui des matériaux fragiles. La figure 1.5 nous permet de les comparer. La ductilité permet plusieurs types de mises en forme d un matériau, tels que : Le laminage Le forgeage Le matriçage Le pliage L emboutissage La soudure à froid!!! Figure 1.5 La ductilité d un matériau permet donc de mettre en forme le matériau en le déformant plastiquement, sans que le matériau ne rompe au cours de ses opérations. La résistance d un matériau La résistance d un matériau correspond au point sur les deux courbes de traction à la figure 1.5. La résistance correspond à la contrainte appliquée lorsqu il y a rupture du matériau. La résistance dépend de trois facteurs : De la nature du matériau. De sa forme. Des défauts internes qui existent dans tout matériau (fissures ou dislocations). 5
La ténacité La ténacité se définit par l opposition que présente un matériau à la propagation brutale de fissures. Elle peut être mesurée par l énergie requise pour entraîner la rupture du matériau. La figure 1.6 permet de faire une corrélation entre la rigidité, la résistance et la ténacité de quelques matériaux. Figure 1.6 Il est important de faire une distinction entre la ténacité et la résistance d un matériau. Prenons l exemple de l aluminium versus le diamant. Bien que le diamant soit un des matériaux le plus résistant, donc plus résistant que l aluminium, il est cependant moins tenace (ou plus fragile) que l aluminium. La compression Une autre caractéristique mécanique importante d un matériau et qui nous intéresse particulièrement dans notre cas est la compression. Un matériau homogène soumis à un effort de compression se comportera généralement de la même manière que sous l action d un effort de traction mais, il y a une différence majeure : un effort de tension peut conduire à une décohésion de la liaison existant entre deux atomes ou deux molécules. Par contre, un effort de compression ne peut qu augmenter la cohésion interatomique. Pour nous aider à comprendre, regardons la figure 1.7 : Figure 1.7 6
À la figure 1.7, les atomes sont représentés par les points blancs et les liaisons entre les atomes sont représentées par les ressorts. Lorsqu un matériau est soumis à une force de traction les liaisons entre les atomes s étirent. Tant que la contrainte reste dans la partie élastique de la courbe, le matériau va revenir à sa forme initiale lorsque la contrainte sera enlevée. Si la contrainte appliquée dépasse la valeur maximale du domaine plastique, les ressorts resteront tendus lorsque la contrainte sera relâchée. Nous aurons une déformation plastique. En compression, c est exactement l inverse qui se produit. Figure 1.8 Les matériaux ductiles se déforment élastiquement et plastiquement en compression, selon les mêmes mécanismes qu en traction comme ci-haut démontré à la figure 1.8. Nous en reparlerons à la section 2. 1.2. Le diagramme de traction (ou courbe de traction) Figure 1.9 7
À la figure 1.9, vous avez une courbe de traction typique. Lorsque que vous effectuez un essai de traction sur une soudure à froid, c est ainsi que le fil de cuivre ou d aluminium se comporte au niveau de la force versus l élongation de l échantillon. Cette courbe se divise en trois parties. La première partie est la zone de déformation plastique que nous avons vu à la section précédente. On peut observer qu il y a proportionnalité entre la contrainte (en Mpa) et l élongation (en %). Lorsque que la contrainte sera relâchée, le matériau (dans votre cas le fil de cuivre ou d aluminium) reprendra sa forme d origine. Lorsque la déformation du matériau atteint une certaine limite, pour un matériau ductile la valeur est généralement 1%, la courbe atteint la zone 2 qui est la zone de déformation plastique. Si on enlève la contrainte appliquée, le matériau reste déformé donc ne revient pas à sa forme initiale. C est à la fin de la zone de déformation plastique que l on obtient une valeur importante, soit la résistance à la traction qui est la contrainte maximale que le matériau peut supporter en traction. C est cette valeur qui vous sert à valider la qualité de la soudure à froid sur un fil de cuivre ou d aluminium. À partir de cette valeur, l échantillon commence à se déformer de façon non homogène. Comme la section de l échantillon est de plus en plus petite, la contrainte appliquée baisse jusqu'à la rupture. 2. LA SOUDURE À FROID 2.1. Principes généraux de la soudure L objectif de la soudure est de réaliser l union entre deux pièces par fusion et solidification de leur partie en contact, généralement avec un métal d apport. Le soudage regroupe un ensemble de procédés, tels que : le soudage à l arc avec électrode enrobée (SMAW), le soudage à l arc sous protection gazeuse avec électrode fusible (GMAW), le soudage à l arc sous flux (SAW), le soudage à l arc sous protection gazeuse avec électrode au tungstène (GTAW). Les abréviations anglaises sont très utilisées pour désigner un procédé de soudage. Elles signifient : SMAW : shielded metal arc welding GMAW: gas metal arc welding SAW : submerged arc welding GTAW : gas tungsten arc welding Une explication plus générale d un procédé de soudage pourrait être que: l on fusionne deux composantes métalliques par l apport d énergie en s assurant d éliminer toutes les sources d impureté qui pourraient affaiblir l union de ces deux composantes. 8
2.2. Les procédés de soudage L objectif du cours n étant pas de connaître en profondeur les procédés de soudage mais plutôt de comprendre le principe, nous allons élaborer sur l un des procédés le plus utilisé, soit le procédé SMAW, que l on nomme souvent : soudage à la rod. À la figure 2.1, vous avez un dessin présentant le principe de fonctionnement de ce procédé. Figure 2.1 Dans ce procédé la différence de potentiel entre l électrode et la pièce à souder fait naître l arc électrique; la chaleur qui en résulte produit la fusion du métal de base et du bout de l électrode. L enrobage de l électrode forme en fondant un bouclier de gaz inerte qui empêche l air d entrer en contact avec le métal fondu. Sans cet enrobage, la soudure serait oxydée et très fragile. L enrobage peut également servir pour introduire certains éléments chimiques dans la soudure. L enrobage se retrouve à la surface de la soudure sous forme de scories. 2.3. Principe de la soudure à froid Le principe de la soudure à froid fait appel au concept de la compression des matériaux ductiles, comme nous l avons vu à la section 1.1. C est en fait d amener une déformation plastique en compression pour unir ensemble deux bouts de fil d aluminium ou de cuivre. Si on compare avec le principe de la soudure à l arc, la soudure à froid c est simplement d unir deux bouts de fil. Le métal d apport étant le fil lui-même et l énergie pour unir les fils est fournie par la force fournie par l opérateur à travers la machine à souder. Afin d obtenir une soudure de qualité, nous n avons pas besoin de gaz ou d enrobage mais seulement de s assurer de l absence de saleté ou de matière graisseuse là où le joint se fait entre les deux fils. 9
Voici un tableau comparatif : Éléments Soudure à l arc Soudure à froid 1 Matériaux à souder Plaques, barres, structures, Fils etc. 2 Métal d apport Électrodes Le fil lui-même 3 Bouclier Enrobage, gaz, etc. Propreté de la filière 4 Énergie Courant électrique Opérateur 2.4. Les matériaux pouvant être soudés à froid Comme le principe de fonctionnement de la soudure à froid est basé sur la compressibilité des matériaux, il est impératif que le matériau soit ductile. Selon le manufacturier des soudeuses à froid, voici les matériaux pouvant être soudés : 1- Cuivre 2- Argent 3- Aluminium 4- Nickel 5- Plomb 6- Zinc, etc. Le diamètre de fil pouvant être soudé par les soudeuses à froid de type KBM-5, KBM- 9 et M-101 est de 0.010 po à 0.197 po. Il faut prendre en considération le matériau du fil car, moins le matériau sera ductile, moins le diamètre du fil pouvant être soudé sera grand. 2.5. Présentation des soudeuses à froid de l entreprise Le modèle KBM-5 permet de souder du fil d un diamètre de 0.040 po jusqu'à 0.1285 po. Figure 2.2 10
Le modèle M-101 permet de souder du fil de cuivre d un diamètre de 0.040 po à 0.142 po et du fil d aluminium de 0.040 po à 0.197 po de diamètre Figure 2.3 Le modèle KBM-9 permet de souder du fil plus petit allant de 0.010 po à 0.057 po de diamètre Figure 2.4 2.6. Caractéristiques des équipements Les soudeuses à froid de ces trois modèles sont toutes opérées à la main par l opérateur. Comme vu à la section 1, le principe de soudage des fils se fait par la compression des deux bouts à fusionner. C est une filière composée de quatre parties mobiles qui permettent de compresser les deux bouts ensemble. Le principe est simple. 11
a) Insérer les deux bouts de fil à souder aux deux entrées de la filière(voir figure ci-dessous) : Figure 2.5 b) S assurer que l ouverture de la filière est bien ajustée en fonction du diamètre du fil à souder (voir section 2.9). Lorsque l on commence à actionner le levier, ce sont les deux parties de la filière parallèle aux fils qui se referment qui serrent les fils dans la filière. Ainsi, ils ne pourront plus bouger dans la filière (voir figure 2.6). Figure 2.6 12
Une fois les deux fils serrés dans la filière, le reste de l action du levier sera de comprimer les deux bouts de fils l un dans l autre (voir figure ci-dessous). Figure 2.7 c) Pour s assurer d une bonne fusion, le levier devra être actionné trois à quatre fois. Le résultat final pourrait ressembler aux figures 2.8 et 2.9. Figure 2.8 13
Figure 2.9 Exercice : Avec une soudeuse à froid, veuillez nommer les différentes composantes et les inscrire aux lignes ci-dessous : 2.7. Présentation du tableau de sélection des filières Avant d opérer une soudeuse à froid, le premier élément à considérer est le diamètre du fil à souder. Comme la gamme de diamètres de fils pouvant être soudés avec chaque type de soudeuse est étendue, il est impératif de déterminer la bonne filière adaptée au fil à souder. Le diamètre déterminera le choix de la filière à installer sur la soudeuse. Pour ce faire il y a des chartes qui, à partir du diamètre du fil à souder, donneront le type de filière à installer. Notez que le diamètre de la filière correspond au diamètre minimum du fil pouvant être soudé avec la filière. Ci-dessous, vous avez les chartes pour les soudeuses KBM-5 et M-101. 14
SOUDEUSE À FROID MODÈLE KBM-5 15
SOUDEUSE À FROID MODÈLE M-101 Exercice : 1- Vous avez un fil d aluminium de 4.70 mm de diamètre, quelle soudeuse et quelle filière allez-vous utiliser? 2- Pourquoi on ne peut pas souder du fil d acier? 16
2.8. Procédure de montage de la filière Après avoir sélectionné la bonne filière et avant d opérer la soudeuse à froid, il est important de bien installer la filière dans la soudeuse. C est une opération qui n est pas difficile mais, il faut faire attention à certains points tels que : Avant tout, il faut effectuer une vérification sommaire de la filière. Vous devez vous assurer que la filière est propre. Qu il n y a aucune trace de graisse ou autres lubrifiants. C est un élément très important car, s il y a la présence de matières lubrifiantes, la soudure sera assurément de moindre qualité. Autre élément à vérifier, c est de s assurer qu il n y a aucune poussière et aucun copeau ( chip ) de métal sur et dans la filière. Vous devez également vérifier la propreté dans le logement de la filière sur la soudeuse à froid. Une fois fait, vous pouvez commencer l installation de la filière (voir figure 2.10). Avant d insérer la filière sur la soudeuse, les deux plaques de fixation doivent être dévissées et glissées vers l extérieur de la soudeuse (voir figure 2.10). Figure 2.10 17
Le levier doit être levé au maximum pour ouvrir le logement. Actionner le petit levier sur le côté aussi (voir figure 2.11). Figure 2.11 Installer la filière dans son logement tout en maintenant les quatre sections de la filière collées les unes contres les autres. S assurer de la bonne orientation de la filière (voir figure 2.12). Figure 2.12 18
Pousser la filière jusqu au fond du logement (voir figure 2.13). Figure 2.13 Une fois la filière installée, refermer les deux plaques de fixation (voir figure 2.14). Figure 2.14 19
Il ne reste plus qu à visser les plaques à la soudeuse pour fixer la filière (voir figure 2.15). 2.9. Procédure d ajustement de la filière Figure 2.15 Afin d obtenir une soudure de qualité, il est important de bien ajuster la filière. La filière s ajuste avec la manette indiquée ci-dessous à la figure 2.16. Figure 2.16 20
Cette manette sert à ajuster la distance indiquée à la figure 2.17. Figure 2.17 Cette opération sert à ajuster la distance entre les deux sections qui vont maintenir le fil en place lors de la soudure. Selon le manufacturier, cette distance doit être égale à 1/3 du diamètre du fil à souder. Si l ouverture est trop grande, les deux bouts de fils vont glisser au lieu de se compresser l un sur l autre lors de la soudure. Si l ouverture est trop serrée, vous aurez de la difficulté à insérer les bouts de fils dans les trous d entrée de la filière. Ce paramètre est important car, il peut influer sur la qualité de la soudure et sur la facilité d opérer la soudeuse à froid. Distance = 1/3 x diamètre du fil Cette valeur de la distance est une approximation. Il est possible que vous ayez à ajuster différemment cette distance mais, en principe la distance optimale se situe près de cette valeur. Le mieux est d effectuer deux ou trois essais avec des bouts de fils provenant du même lot avant de souder le fil durant la production. Exemple : Quelle serait la distance théorique entre les sections de la filière, si le fil à un diamètre de 4.87 mm? 2.10 Procédure d inspection Avant d opérer la soudeuse à froid, il est important de vérifier les points suivants : S assurer que la filière corresponde au fil à souder. S assurer que la filière soit propre donc pas de poussières, de limailles ou de traces d agents lubrifiants. S assurer que le réglage de fermeture de la filière soit correct. Vérifier si le mécanisme fonctionne bien. 21
2.11 Procédure d opération de la soudeuse à froid Après avoir inspecté la soudeuse à froid, vous pouvez maintenant l opérer. L opération de la soudeuse est très simple, si les réglages ont été bien effectués (voir section 2.9). a) Insérer les deux fils à souder aux deux extrémités de la soudeuse (voir figure 2.18). Figure 2.18 b) Insérer le deuxième bout et resserrer la filière par un mouvement partiel du levier. Ainsi les fils seront maintenus solidement dans la filière. Les deux bouts devraient être en contact dans la filière et leur extrémité le plus à plat possible (voir figure 2.19). Figure 2.19 22
c) Noter l espace entre la partie gauche et la partie droite de la filière en comparaison avec le diamètre du fil (voir figure 2.20). Figure 2.20 d) Pour souder les bouts, abaisser le levier trois à quatre fois. Si les bouts ne se soudent pas après un ou deux coups de levier, vérifier le réglage de fermeture de la filière et le réajuster au besoin. Il est possible d avoir à le diminuer légèrement (voir figure 2.21). Figure 2.21 23
e) Lorsque que le levier est actionné, les bouts sont compressés l un sur l autre. Noter la présence de surplus de matériel (voir figure 2.22). Figure 2.22 f) Après avoir actionné le levier trois ou quatre fois, retirer le fil soudé de la filière en actionnant le petit levier qui désengagera le levier. Nous avons maintenant un fil soudé qui ressemble à la figure 2.23. Figure 2.23 24
Il ne reste plus qu à enlever le surplus de matière avec une pince et une lime. La soudure est belle.la vie est belle!!! Pour valider la soudure, on peut aller faire vérifier la soudure avec un échantillon sur le banc de traction au laboratoire. Question Lors de l essai de traction, où le fil va-t-il casser? Pourquoi? Maintenant assez parlé, allons faire quelques soudures ensemble! 3. L ENTRETIEN DES FILIÈRES ET DE L ÉQUIPEMENT 3.1 Inspection des filières Une inspection périodique des filières est très importante pour assurer l intégrité des filières. Voici les points de vérification à effectuer : Le diamètre des orifices de la filière. S il n y a pas de particules collées sur la filière. S il n y a pas d agents lubrifiants sur la filière. Si le mécanisme de la filière fonctionne bien. Les tiges devraient être amovibles dans les filières. 3.2 Le nettoyage de filière S il y a présence d agents lubrifiants (graisse, huile), vous devez enlever toute trace de ces derniers avec un solvant (kérosène, diluant à peinture, etc.). Vous devrez lubrifier les tiges, les boulons hexagonaux et les surfaces de la filière avec une huile fine, sans toutefois lubrifier les trous dans lesquels passent les bouts de fils. Les surfaces angulaires de la filière devraient être lubrifiées avec de la graisse Moly-Kote G (ou un équivalent). S il y a des particules ou de la poussière, vous pouvez les enlever avec un linge, une brosse en fibre de verre ou une brosse d acier très douce, en faisant bien attention de ne pas égratigner la filière. Le manufacturier suggère d immerger la filière dans une solution de caustique (200 grammes de sodium hydroxyde de cristal dans 1 litre d eau que l on peut faire chauffer pour plus d efficacité) pendant cinq minutes et plus. Cela aura pour effet de dissoudre les impuretés d aluminium collées sur la filière. 25
3.3 Inspection et remplacement de composantes (si nécessaire) Le manufacturier recommande de démonter complètement la soudeuse une fois par année pour nettoyer, inspecter et lubrifier les composantes de la soudeuse. La fréquence peut être augmentée si la soudeuse est utilisée dans un milieu où il y a la présence d agents lubrifiants ou de la poussière. La séquence de démontage et de remontage est dans le manuel du manufacturier. Vous devez dégraisser, nettoyer et sécher chaque composante. Vérifiez les composantes si elles ont des traces d usure ou si elles sont endommagées. Si possible, vous pouvez les réparer, sinon il faut les remplacer. Lors du remontage, vous devrez ajuster la position des blocs en V. Voir figure 3.1 cidessous : Figure 3.1 26
3.4 Lubrification Avant de remonter les composantes, vous devez les lubrifier avec une huile légère. Les surfaces des roulements doivent être lubrifiées avec de la graisse Moly-Kote G (ou un équivalent). L assemblage des blocs en V doit être recouvert d huile SAE 90. Pour toute information, voici les nouvelles coordonnées du fabricant des soudeuses à froid : Koldweld LLC 38257 Airport Pkwy. #5 Willoughby, Ohio 44094 Toll Free: (800) 587-6039 Phone: (440) 975-3559 Fax: (440) 975-3560 sales@koldweld.com 27