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L'ALUMINIUM ET L'ACIER RÉCONCILIÉS

Publié le

Enquête Véritable serpent de mer, l'assemblage de métaux hétérogènes avance grâce à de nouveaux procédés thermiques et thermomécaniques.

Le soudage de l'acier avec l'aluminium... C'est comme le froid et le chaud. Difficile, voire impossible à marier. « Créer une liaison entre deux matériaux dont les propriétés physicochimiques sont si différentes revient à résoudre la quadrature du cercle », constate Fabrice Scandella, le responsable de la plateforme assemblage à l'Institut de Soudure (IS). Si les technologies d'assemblage mécanique (vissage, rivetage, clinchage, etc.) ou le collage présentent peu de difficultés techniques, les opérations de soudage thermiques ou thermomécaniques s'avèrent complexes. « Le terme soudage est d'ailleurs impropre, il faut plutôt parler d'assemblage », juge Jean-Luc Marchand, spécialiste chez Messer et vieux routier du soudage. Tous les manuels sont formels : il est pratiquement impossible de souder à l'arc électrique des métaux dont la température de fusion, le coefficient de dilatation ou le potentiel électrochimique sont très différents. « Le risque, c'est de provoquer des tensions résiduelles, voire des déformations importantes après soudage », ajoute Jean-Luc Marchand, en relevant un autre danger : la différence de potentiel électrique, qui génère des phénomènes de corrosion galvanique côté aluminium. « De plus, il y a une très grande affinité entre les éléments chimiques des deux métaux, remarque Koen Faes, spécialiste à l'Institut belge de la Soudure (IBS). Alors, des assemblages intermétalliques indésirables apparaissent rapidement. Une couche très dure et friable, qui a un impact catastrophique sur les propriétés mécaniques de l'assemblage. »

Et pourtant, le soudage des métaux hétérogènes fait l'objet de travaux continus, de nombreux secteurs industriels étant confrontés à ce défi. L'industrie électrique, l'aérospatiale, la défense, la construction navale... « Les fabricants d'éoliennes ou les constructeurs des toitures de halls s'y intéressent », souligne Fabrice Scandella. L'industrie automobile, qui utilise de plus en plus l'aluminium pour alléger le poids des véhicules, réfléchit aux assemblages aluminium-acier répondant aux contraintes d'allègement, mais aussi d'amélioration de la performance des véhicules (anticorrosion, recyclage).

« Certains procédés de soudage sont utilisés depuis longtemps pour réaliser des assemblages hétérogènes sans apport, tels que le soudage par friction et par explosion », note Fabrice Scandella. Ils présentent cependant certains inconvénients, ce qui explique la recherche intensive d'autres procédés, comme les techniques d'assemblage, qui permettent de ne pas fondre l'acier. « On peut ainsi réaliser des assemblages hétérogènes par soudo-brasage, grâce aux procédés MIG, TIG ou laser, compatibles avec les cadences de fabrication du secteur automobile », indique le spécialiste de l'IS. Pour y parvenir, des alliages de soudo-brasage ont été spécifiquement développés.

Évolution notable, l'apparition, ces dernières années, des procédés à faible énergie. Comme les Cold Process, CMT (Cold Metal Transfert) ou Cold Arc. « Rapides, ils assurent des gains sensibles en termes de productivité, mais aussi de qualité, en éliminant les opérations de parachèvement, relève Fabrice Scandella. Plus récemment, le procédé de soudage FSW (Friction Stir Welding), ou soudage par friction-malaxage, a donné de bons résultats pour assembler des alliages de cuivre-aluminium et cuivre-acier (soit en soudage linéaire ou par points). Avec des résistances mécaniques satisfaisantes, malgré la formation inévitable d'éléments intermétalliques dues aux déformations intenses de la matière au niveau de la zone malaxée. Le procédé de soudage par impulsion magnétique, qui possède des similitudes avec le soudage par explosion, est actuellement évalué pour réaliser des assemblages hétérogènes. L'intérêt d'un point de vue industriel étant en particulier le temps de soudage, inférieur à la milliseconde. » Chacun des quatre procédés a ses atouts.

COLD PROCESS, CMT ET COLD ARC : MOINS ÉNERGIVORES

Les procécés Cold Process, CMT et Cold Arc sont en fait trois variantes des techniques de soudo-brasage MIG-MAG, qui réduisent l'apport calorifique et limitent la formation de la couche intermétallique. À l'Institut Maupertuis, qui étudie les différents procédés de soudage multimatériaux, un système Cold Process de Cloos fonctionne depuis plusieurs années en courant pulsé. À chaque impulsion, la polarité s'inverse, ce qui réduit l'énergie développée par l'arc électrique. Mise au point par la société EWM, la technologie Cold Arc utilise un système de commutation de courant à haute dynamique combiné avec un contrôle de processus de soudage rapide. Manuel ou automatisé, ce procédé réduit drastiquement l'apport calorifique.

Le CMT intègre l'opération de dévidage du fil dans le processus de régulation du courant et de la tension de soudage. Développé par Fronius en collaboration avec un aciériste, le groupe Voestalpine, ce procédé assure un soudage côté aluminium et un brasage pour la tôle en acier. Détenteurs de plusieurs brevets, les partenaires ont déjà fabriqué des pièces hybrides (aluminium et acier) déformables. Ce système permet de former des profilés ou des amortisseurs par pliage, laminage ou emboutissage. La technique consiste à réaliser des assemblages par soudo-brasage des deux côtés de manière synchrone, de haut en bas. De tels assemblages sont adaptés à ce type de pièces. Les tôles d'acier sont galvanisées (comme il est d'usage dans la construction automobile), tandis que les tôles d'aluminium sont en alliage AW5xxx ou 6xxx. Le matériau d'apport pour le soudage et le brasage est l'AlSi3Mn1. La couche de zinc sur la tôle d'acier joue le rôle d'un conducteur et sert de liant pour l'acier. La phase déterminante est la phase intermétallique, qui doit être supérieure ou égale à 10 µm. La résistance de l'assemblage est élevée, le cordon de soudage résiste aux essais de rupture habituels dans l'automobile. La tôle d'aluminium peut se déformer et absorbe l'énergie du choc. Audi exploite ce procédé dans la fabrication de ses modèles qui utilisent l'aluminium.

LE LASER : PLUS RAPIDE

L'intérêt du laser tient à son très faible apport calorifique et à des vitesses de soudage plus élevées que celles des procédés Cold Arc ou CMT. En revanche, les tolérances qu'il faut respecter sont plus sévères : l'écartement entre les deux pièces doit être aussi étroit que possible. Dans la plupart des approches, l'aluminium est fondu (avec ou sans métal d'apport) et humidifie l'acier. « La réussite de l'opération est liée au bon positionnement du rayon laser et à l'utilisation d'un appareillage de fixation adéquat », précise Koen Faes de l'IBS. L'institut de recherche allemand Bias a mis au point deux procédés de soudage laser hybride : le laser-MIG et le laser-plasma. Le premier permet, par exemple, de souder bout à bout 2 mm d'aluminium à de l'acier avec une vitesse de 6 m/min. Les chercheurs allemands étudient aussi ces procédés dans l'assemblage de l'aluminium avec des matériaux composites ou avec le titane.

La technologie Fluxless Laser Brazing de Tata Steel assure, elle, l'assemblage, grâce à la fonte de l'aluminium avec un métal d'apport en aluminium et le brasage de l'acier. L'épaisseur de la couche intermétallique du côté de l'acier est d'environ un micromètre. Ce procédé de brasage sans flux s'adresse surtout à l'industrie automobile.

FRICTION ET FRICTION MALAXAGE : PROMETTEURS

Lors du soudage par friction conventionnelle, les deux pièces sont pressées l'une contre l'autre. L'une des pièces est mise en rotation et échauffée jusqu'à une température inférieure au point de fusion. Ensuite, elle est soumise à un forgeage. Ce procédé limite la formation de la couche intermétallique, ce qui rend acceptables les propriétés mécaniques de l'assemblage obtenu. Ce système a connu plusieurs variantes, comme le soudage par friction linéaire ou orbitale. Au début des années 1990, le « friction stir welding » (FSW), ou soudage par friction-malaxage, a été inventé par The Welding Insitute (l'institut du soudage anglais). Il met en oeuvre un outil en rotation qui se déplace à la surface de deux pièces à assembler et assure la chaleur de friction. Baptisé « pion », la partie de l'outil enfoncée dans le matériau assure également le mélange mécanique des pièces à souder. À la différence du soudage par friction classique qui impose qu'une des deux pièces soit symétrique en rotation, le FSW autorise le soudage des tôles et des profilés en bout à bout ou avec recouvrement. Mazda a été le premier constructeur d'automobile à utiliser ce procédé pour le soudage aluminium-acier galvanisé du couvercle de coffre de sa MX-5. Le constructeur a annoncé, lors de cette application, une réduction du coût d'investissement de 40 % par rapport au soudage par résistance. La diminution de la consommation d'énergie lors du soudage a été, toujours selon les spécialistes de Mazda, de 99 %.

IMPULSION MAGNÉTIQUE : ÉCOLOGIQUE

Technologie similaire au soudage par explosion, l'impulsion magnétique n'utilise pas de chaleur pour réaliser l'assemblage de deux pièces. Une bobine placée au-dessus des pièces à souder, mais sans être en contact avec elles, est traversée instantanément par une très grande quantité d'énergie électrique. Cette décharge induit des courants de Foucault dans la pièce externe. La répulsion entre les deux champs magnétiques développe une force qui transmet une très grande vitesse (> 1 000 km/h) de la pièce externe à la pièce interne. Ce qui provoque une déformation rémanente, sans retour de la pièce à sa forme initiale. Ce procédé convient à l'assemblage de produits tubulaires qui se recouvrent. Inventé dans les années 1960, il fait l'objet de recherches intenses dans les instituts de soudure comme dans l'IBS ou l'IS, mais aussi dans de nombreuses entreprises industrielles. Il présente plusieurs avantages pour le soudage de matériaux hybrides, comme sa productivité ou l'élimination des opérations de finition ainsi que celle de produits d'apport. Écologique, il est adapté à la production en grande série : une machine peut souder facilement un million de pièces par an en deux équipes. Autres avantages : peu de maintenance et des réglages rapides pour changer de type de pièces à souder.

« L'assemblage thermique facilitera la conception »

MATHIEU KIELWASSER, expert en applications laser de PSA Peugeot Citroën, responsable de projets d'assemblages multimatériaux et multitechniques

« L'émission de CO2 des automobiles est sous haute surveillance. Il faudra donc envisager l'utilisation des matériaux à basse densité (aluminium, composites...) pour réduire leur masse embarquée. L'utilisation de l'aluminium dans la fabrication d'automobiles ne date pas d'hier. Nous l'avons déjà utilisé, par exemple, pour la fabrication des ouvrants comme le capot ou le collecteur d'air de la DS des années 1950-1960. Les portes de la Citroën C6 ou des capots de nombreux véhicules Peugeot et Citroën actuels sont en aluminium. Pour l'introduction plus massive de l'aluminium, on peut, bien sûr, continuer à faire appel à des assemblages mécaniques (rivetage, clinchage, vissage, etc.) ou aux assemblages collés. Ils présentent néanmoins quelques limites par rapport aux procédés thermiques ou thermomécaniques dont les atouts sont la souplesse de conception accrue (accès unilatéral du procédé au niveau du plan de joint, liaisons continues) et des vitesses de réalisation plus importantes. Les assemblages thermiques faciliteront, en effet, la conception des éléments d'automobiles acier-aluminium, encourageant la productivité. Mais il faut encore améliorer les propriétés mécaniques et industrialiser les procédés. Ainsi, l'étude des solutions laser menée avec le centre de transfert technologique Irepa d'Illkirch (Bas-Rhin) nous a éclairés sur leur potentiel. Reste à revoir les tenues mécaniques des assemblages mixtes et à rendre industriels les procédés. Ce qui n'est pas une mince affaire... »

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