Soudage par friction rotatif est un procédé de soudage à l'état solide dans lequel deux matériaux similaires ou dissemblables sont amenés à se frotter l'un contre l'autre pour produire suffisamment de chaleur à l'interface et une force de refoulement ultérieure fusionne les deux matériaux ensemble. Les impuretés à l'interface sont éliminées sous forme de flash et la liaison formée sera plus forte que l'un des deux matériaux.

Les phénomènes physiques moteurs du soudage par friction sont la génération de chaleur, la conduction thermique, la déformation plastique, l'abrasion des surfaces de friction et la diffusion du matériau

Il peut être utilisé pour joindre une grande variété de géométries de pièces comme

Tube à TubeTube sur disqueTube à Bar
Barre à barreBarre à assietteTube à plaque

Comment ça marche

L'assemblage des métaux peut être défini comme la réalisation d'une liaison métallique à travers l'interface. Dans une liaison métallique idéale, les électrons de valence ne sont liés à aucun atome particulier, mais se déplacent librement dans tout le métal. La raison de ce comportement est que les électrons de valence dans un métal sont beaucoup plus éloignés du noyau de l'atome que ceux des non-métaux. En se déplaçant le long d'orbites plus larges, les électrons de valence passent dans des régions éloignées de leurs atomes parents et sont exposés à l'attraction des noyaux voisins. Par conséquent, les électrons de valence dans les métaux ne sont jamais associés en permanence à un atome particulier, mais circulent librement dans un arrangement aléatoire comme une sorte de «gaz d'électrons» libre. Ainsi, la structure d'un métal peut être considérée comme un assemblage d'ions positifs constitués chacun du coeur d'un atome (noyau plus électrons non valents) immergé dans un «gaz» ou nuage d'électrons libres. L'attraction entre les ions positifs et le gaz d'électrons donne au métal sa structure et sa cohérence. Cette attraction forme le lien métallique.

Lors du soudage de deux pièces du même matériau, si les deux surfaces à coller sont débarrassées des couches d'oxyde et de tous les autres contaminants, elles sont alors mises en contact intime l'une avec l'autre de sorte qu'il y a une mobilité entre les électrons des deux surfaces et les des forces de répulsion entre les atomes s'établissent, puis les deux surfaces vont se souder et la liaison entre elles sera similaire à celle entre deux grains du même matériau. Si les deux pièces sont de matériaux différents, la possibilité d'établir une liaison métallique entre leurs surfaces non contaminées est toujours possible, mais la résistance de la liaison dépendra des matériaux concernés.

Le processus

ÉTAPE 1 - Préparation

Il y a deux exigences de base, qui doivent être satisfaites avant que le soudage par friction puisse avoir lieu entre les métaux. Elles sont:

i) produire deux surfaces absolument propres et non contaminées;
ii) Apportez cette surface propre et non contaminée en contact intime les uns avec les autres afin qu'une liaison métallique puisse être produite à travers l'interface.

La surface d'un véritable morceau de métal est loin d'être la surface idéale ou vierge.

Il montre à la fois l'ondulation et la rugosité. L'ondulation est un attribut macroscopique d'une surface métallique réelle et la rugosité est sa qualité microscopique.

Les contaminants de surface sont de trois types. Elles sont:

a) Films organiques
b) Gaz absorbés
c) Composés chimiques du métal de base, généralement des oxydes.

Pour démarrer le processus, un composant est placé dans une pince qui est fixe et l'autre composant est chargé dans une broche rotative. La broche rotative se déplace alors vers l'avant de sorte que les deux composants se touchent. La broche est ensuite amenée à une vitesse angulaire prédéterminée et ensuite une force axiale prédéfinie est appliquée.

vlcsnap hms

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ÉTAPE 2 - Chauffage

La chaleur générée par le frottement augmente la température des composants et diminue la limite d'élasticité. Une fois que les surfaces en contact atteignent un état plastique, elles cèdent et s'écoulent vers l'extérieur pour former le flash. Ce processus élimine la couche oxydée sur les deux matériaux. Ils ne sont plus en contact avec l'atmosphère et donc aucune nouvelle couche d'oxyde ne peut se former. Les surfaces naissantes entrent en contact les unes avec les autres. Les surfaces en regard auront généralement de minuscules crevasses et cette étape aide à uniformiser les surfaces dans une zone plane parfaite.

Une fois le brûlage souhaité atteint, le processus passe ensuite à l'étape suivante - l'étape de forgeage.

ÉTAPE 3 - Forgeage

Dans cette étape, le mouvement de rotation est arrêté et une force de forge est appliquée pendant un temps prédéterminé. Cette force entraîne la fusion des deux surfaces en une liaison permanente.

Les forces interatomiques d'attraction entrent en jeu avec les mouvements atomiques des atomes et des valences qui ont lieu pour achever la soudure.

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Paramètres de processus et graphique

La qualité de la soudure résultant du soudage par friction est déterminée par les paramètres suivants

  • Vitesse de broche
  • Force axiale
  • Déplacement
  • torque

Le graphique ci-dessous montre les paramètres de soudure à travers les trois phases:

Combinaisons soudables possibles

Soudage par friction rotatif offre une occasion unique de joindre des types de matériaux différents qui sont autrement difficiles à souder ensemble. Le tableau ci-dessous détaille ce qui peut / ne peut pas être forgé ensemble en utilisant ce processus:

Avantages

Il y a de nombreux avantages à Soudage par friction rotatif, par rapport à d'autres processus. Parmi eux, les plus importants

  • Temps de cycle très court (quelques secondes)
  • Idéal pour la production de masse
  • Économies de matériaux coûteux si un composant bimétallique est utilisé (par exemple, forets - HSS / MCS)
  • Les zones à faible chaleur affectée et donc les composants semi-finis peuvent être soudés
  • Aucune préparation de bord, matériau de remplissage, gaz de protection, éclaboussures, fumées et rayonnement
  • Excellente soudure: joint aussi solide ou plus fort que le matériau d'origine
  • Des métaux aussi divers que Cu en Al, Cu ou Al en acier, Titane en acier inoxydable, etc. peuvent être soudés
  • Pas d'inclusions telles qu'une couche d'oxyde.
  • Un prétraitement et un post-traitement ne sont nécessaires que pour quelques métaux non ferreux spécifiques et certains aciers alliés.
  • Très productif avec un temps de cycle réduit.
  • Des métaux différents peuvent être soudés.
  • Le processus est écologique.
  • Pas de fumée, scories ou consommables tels que gaz, flux ou matériau de remplissage.
  • Les composants de forme tels que hexagonaux, carrés, elliptiques, etc. peuvent être soudés.
  • Faible consommation d'énergie par rapport aux autres procédés de soudage.
  • La surveillance des soudures fournit un contrôle de qualité du processus à 100%.

Soudage par friction rotatif est un procédé de soudage à l'état solide dans lequel deux matériaux similaires ou dissemblables sont amenés à se frotter l'un contre l'autre pour produire suffisamment de chaleur à l'interface et une force de refoulement ultérieure fusionne les deux matériaux ensemble. Les impuretés à l'interface sont éliminées sous forme de flash et la liaison formée sera plus forte que l'un des deux matériaux.

Les phénomènes physiques moteurs du soudage par friction sont la génération de chaleur, la conduction thermique, la déformation plastique, l'abrasion des surfaces de friction et la diffusion du matériau

Il peut être utilisé pour joindre une grande variété de géométries de pièces comme

Tube à TubeTube sur disqueTube à Bar
Barre à barreBarre à assietteTube à plaque

Comment ça marche

L'assemblage des métaux peut être défini comme la réalisation d'une liaison métallique à travers l'interface. Dans une liaison métallique idéale, les électrons de valence ne sont liés à aucun atome particulier, mais se déplacent librement dans tout le métal. La raison de ce comportement est que les électrons de valence dans un métal sont beaucoup plus éloignés du noyau de l'atome que ceux des non-métaux. En se déplaçant le long d'orbites plus larges, les électrons de valence passent dans des régions éloignées de leurs atomes parents et sont exposés à l'attraction des noyaux voisins. Par conséquent, les électrons de valence dans les métaux ne sont jamais associés en permanence à un atome particulier, mais circulent librement dans un arrangement aléatoire comme une sorte de «gaz d'électrons» libre. Ainsi, la structure d'un métal peut être considérée comme un assemblage d'ions positifs constitués chacun du coeur d'un atome (noyau plus électrons non valents) immergé dans un «gaz» ou nuage d'électrons libres. L'attraction entre les ions positifs et le gaz d'électrons donne au métal sa structure et sa cohérence. Cette attraction forme le lien métallique.

Lors du soudage de deux pièces du même matériau, si les deux surfaces à coller sont débarrassées des couches d'oxyde et de tous les autres contaminants, elles sont alors mises en contact intime l'une avec l'autre de sorte qu'il y a une mobilité entre les électrons des deux surfaces et les des forces de répulsion entre les atomes s'établissent, puis les deux surfaces vont se souder et la liaison entre elles sera similaire à celle entre deux grains du même matériau. Si les deux pièces sont de matériaux différents, la possibilité d'établir une liaison métallique entre leurs surfaces non contaminées est toujours possible, mais la résistance de la liaison dépendra des matériaux concernés.

Le processus


ÉTAPE 1 - Préparation
Il y a deux exigences de base, qui doivent être satisfaites avant que le soudage par friction puisse avoir lieu entre les métaux. Elles sont:

i) produire deux surfaces absolument propres et non contaminées;
ii) Apportez cette surface propre et non contaminée en contact intime les uns avec les autres afin qu'une liaison métallique puisse être produite à travers l'interface.

La surface d'un véritable morceau de métal est loin d'être la surface idéale ou vierge.

Il montre à la fois l'ondulation et la rugosité. L'ondulation est un attribut macroscopique d'une surface métallique réelle et la rugosité est sa qualité microscopique. Les contaminants de surface sont de trois types. Elles sont:
a) Films organiques
b) Gaz absorbés
c) Composés chimiques du métal de base, généralement des oxydes.

Pour démarrer le processus, un composant est placé dans une pince qui est fixe et l'autre composant est chargé dans une broche rotative. La broche rotative se déplace alors vers l'avant de sorte que les deux composants se touchent. La broche est ensuite amenée à une vitesse angulaire prédéterminée et ensuite une force axiale prédéfinie est appliquée.

ÉTAPE 2 - Chauffage

La chaleur générée par le frottement augmente la température des composants et diminue la limite d'élasticité. Une fois que les surfaces en contact atteignent un état plastique, elles cèdent et s'écoulent vers l'extérieur pour former le flash. Ce processus élimine la couche oxydée sur les deux matériaux. Ils ne sont plus en contact avec l'atmosphère et donc aucune nouvelle couche d'oxyde ne peut se former. Les surfaces naissantes entrent en contact les unes avec les autres. Les surfaces en regard auront généralement de minuscules crevasses et cette étape aide à uniformiser les surfaces dans une zone plane parfaite.

Une fois le brûlage souhaité atteint, le processus passe ensuite à l'étape suivante - l'étape de forgeage.

ÉTAPE 3 - Forgeage

Dans cette étape, le mouvement de rotation est arrêté et une force de forge est appliquée pendant un temps prédéterminé. Cette force entraîne la fusion des deux surfaces en une liaison permanente.
Les forces interatomiques d'attraction entrent en jeu avec les mouvements atomiques des atomes et des valences qui ont lieu pour achever la soudure.

Paramètres de processus et graphique

La qualité de la soudure résultant du soudage par friction est déterminée par les paramètres suivants

  • Vitesse de broche
  • Force axiale
  • Déplacement
  • torque

Le graphique ci-dessous montre les paramètres de soudure à travers les trois phases:

Combinaisons soudables possibles

Soudage par friction rotatif offre une occasion unique de joindre des types de matériaux différents qui sont autrement difficiles à souder ensemble. Le tableau ci-dessous détaille ce qui peut / ne peut pas être forgé ensemble en utilisant ce processus: -

Combinaisons soudables possibles

La source: https://lib.ugent.be/fulltxt/RUG01/001/805/267/RUG01-001805267_2012_0001_AC.pdf

Avantages

Il y a de nombreux avantages à Soudage par friction rotatif, par rapport à d'autres processus. Parmi eux, les plus importants

  • Temps de cycle très court (quelques secondes)
  • Idéal pour la production de masse
  • Économies de matériaux coûteux si un composant bimétallique est utilisé (par exemple, forets - HSS / MCS)
  • Les zones à faible chaleur affectée et donc les composants semi-finis peuvent être soudés
  • Aucune préparation de bord, matériau de remplissage, gaz de protection, éclaboussures, fumées et rayonnement
  • Excellente soudure: joint aussi solide ou plus fort que le matériau d'origine
  • Des métaux aussi divers que Cu en Al, Cu ou Al en acier, Titane en acier inoxydable, etc. peuvent être soudés
  • Pas d'inclusions telles qu'une couche d'oxyde.
  • Un prétraitement et un post-traitement ne sont nécessaires que pour quelques métaux non ferreux spécifiques et certains aciers alliés.
  • Très productif avec un temps de cycle réduit.
  • Des métaux différents peuvent être soudés.
  • Le processus est écologique.
  • Pas de fumée, scories ou consommables tels que gaz, flux ou matériau de remplissage.
  • Les composants de forme tels que hexagonaux, carrés, elliptiques, etc. peuvent être soudés.
  • Faible consommation d'énergie par rapport aux autres procédés de soudage.
  • La surveillance des soudures fournit un contrôle de qualité du processus à 100%.

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