Soudage/Soudage par friction
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LE SOUDAGE Sommaire
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Généralités
modifierOn utilise ici le frottement, phénomène susceptible de transformer l'énergie mécanique en chaleur dans la zone de contact de deux pièces mobiles l'une par rapport à l'autre. Ces phénomènes sont étudiés dans un livre spécial :
pour en savoir plus : tribologie, sciences et techniques du frottement, de l'usure et de la lubrification
Soudage par rotation
modifierLe soudage par rotation est bien adaptée aux pièces de révolution. L'une des pièces est entraînée en rotation et frotte contre l'autre, qui est maintenue immobile par un outillage. La chaleur dégagée dans la zone frottante permet de faire fondre les matériaux qui se soudent, une fois le mouvement arrêté. Ce procédé s'applique aux métaux, il permet d'ailleurs de lier entre eux des alliages que l'on ne saurait pas souder autrement, et à beaucoup de matériaux thermoplastiques.
Procédé « Friction Stir Welding » (FSW) ou « soudage malaxage »
modifierCe procédé reprend le principe du soudage par friction en rotation mais il utilise un outillage spécifique. Cet outillage mis en rotation rapide vient dans un premier temps frotter au niveau du plan de joint des deux pièces à assembler, qui ont été préalablement mises en contact. Ceci provoque un certain « ramollissement » des matériaux en présence, qui deviennent pâteux. L'outil pénètre alors dans le plan de joint et mélange intimement les matériaux lors d'une opération qui s'apparente au forgeage ou à l'extrusion. L'assemblage complet est obtenu lors de la progression de l'outil, qui parcourt progressivement toute la zone qui doit être soudée.
Il s'agit d'un soudage « à l'état solide » qui ne nécessite ni métal d'apport, ni flux ou gaz de protection ; le procédé est purement mécanique, il n'y a aucune émission d'effluents ni aucune fumée. Comme il n'y a pas de fusion, les déformations des éléments sont faibles et les problèmes liés au passage du métal à l'état liquide, tels que soufflures ou inclusions, sont fortement diminués, voire supprimés. On peut souder ainsi des matériaux difficiles à souder par les procédés traditionnels, comme certains alliages d'aluminium, et les caractéristiques mécaniques des joints sont supérieures à celles que l'on obtient par les procédés mettant en œuvre la fusion.
Le soudage FSW est utilisé par exemple par la NASA pour assembler les éléments de la fusée ARES 1, qui sont faits d'un aluminium-lithium (2195) à la fois très léger et très solide. Les procédés traditionnels rendent cet alliage poreux et amoindrissent donc sa résistance. L'outil est une tige du diamètre d'un crayon tournant à haute vitesse. La machine utilisée par la NASA mesure près de 12 m de haut, pèse 60 tonnes et il faut six opérateurs pour la faire fonctionner.
Soudage par vibrations
modifierLe soudage par ultrasons met à profit l'énergie dépensée à l'interface de deux pièces sous l'effet de vibrations mécaniques à haute fréquence. Elle permet de réaliser très facilement des points de soudure et des rivetages sur des pièces thermoplastiques, on l'utilise très couramment dans l'industrie automobile pour l'assemblage des phares, des tableaux de bord, etc.
Le soudage par friction concerne essentiellement les métaux et les matières plastiques, mais une information quelque peu inattendue concerne la possibilité de souder des pièces de bois par friction.
Le prix Schweighofer de l’innovation technologique a été remis le 13 juin 2005 à une équipe franco-suisse conduite par Tony Pizzi (INRA-ENGREF-Université Nancy I) et Balz Gfeller (Suisse) pour leurs travaux sur le soudage du bois par friction.
À la suite d'une erreur de manipulation, on a découvert que des pièces de bois soumises à un frottement important, suivi d'une mise en pression, pouvaient se souder entre elles sans qu'il soit besoin d'utiliser de la colle. À des températures supérieures à 180 °C, les constituants du bois (lignine et hémicellulose) changent en effet de comportement, de nouveaux composés chimiques apparaissent (furfural entre autres) et des liaisons très solides se forment dans les réseaux de fibres constituant le matériau. Des jonctions se forment en quelques secondes et leur résistance équivaut à celle des joints obtenus au bout de longues heures de séchage ou de polymérisation avec les colles acryliques ou vinyliques habituelles.
Il est possible de souder des pièces planes d'une même essence ou de deux essences différentes. Les machines à souder par friction déjà utilisées pour l'assemblage des métaux conviennent aussi pour le bois mais on peut utiliser des outils plus simples comme des perceuses, par exemple pour mettre en place les chevilles destinées aux éléments d'ameublement. Il y a toutefois une limitation, les joints de bois soudés ne résistent pas dans les milieux humides.
Sachant que 100 000 tonnes de colles d'origine pétrochimique sont consommées chaque année en France, dont une bonne part dans l'industrie du bois, on mesure l'intérêt de ce procédé pour diminuer la consommation de matières premières tout en évitant les risques de pollution dus aux composés volatils et/ou toxiques présents dans ces produits.