Soudage par résistance
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Le soudage par résistance électrique[1] (en anglais : Electric resistance welding (ERW)) est un moyen d’assemblage indémontable de tôles, entre elles, mais aussi d’écrous, vis, gougeons, sur une tôle, celles-ci peuvent être indifféremment d’acier, d’acier galvanisé ou électrozingué, d’aluminium mais aussi de cuivre (faible épaisseur), laiton, zinc, nickel, or, argent, plomb.
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Ce mode d’assemblage est très répandu dans l’industrie automobile et aéronautique[2] par exemple, pour sa rapidité d’exécution (grande partie robotisé) sa qualité mécanique et son faible coût.
Il existe de nombreux procédés de soudage par résistance. La norme ISO 4063:2023, définie la catégorie Soudage par résistance par le préfifixe 2 et son arborescence comme :
Le plus ancien procédé de soudage par résistance inventé est le soudage en bout, en 1877 par Elihu Thomson, breveté par le même en 1886[3], notamment utilisé pour souder les mailles des chaînes. Les autres procédés par résistance ne se développent qu’à partir de 1925.
Cas du soudage classique de deux tôles (celles-ci pouvant être de nature et d’épaisseur différente).
Les deux tôles sont placées l’une sur l’autre, puis fortement maintenues sous pression par la machine de soudage, entre deux électrodes, avant qu’un fort courant ne les traverse permettant après une brève pause, afin de refroidir le point de fusion, le relâchement des deux tôles unies pour toujours par soudure.
Il n’y a donc pour ce mode de soudage aucun métal d’apport (soudage autogène), il est exécuté sous pression avec comme chauffage un fort courant électrique par effet Joule : W = R . I2 . t
avec : dégagement de chaleur W en joules, résistance électrique R en ohms, intensité du courant I en ampères et temps t en secondes.
Le point de fusion a lieu entre les deux tôles car c’est le contact qui offre le plus de résistance au passage électrique, la résistance du circuit de soudage étant négligeable.
Il est également possible de souder des vis, des écrous ou des goujons sur une tôle. Pour cela il faut une machine assez puissante[C'est-à-dire ?], et des écrous et vis spécifiques qui possèdent sur la face inférieure en principe 3 bossages à 180º (petite réserve de matière qui va fondre et constituer la soudure).
Dans ce cas, les deux tôles à souder sont serrées par deux électrodes cylindriques (molette) en rotation qui entraînent les deux tôles dans un mouvement de translation. Périodiquement un courant de soudage traverse les deux tôles et crée un point de soudure dont le pas dépend de la vitesse d’avance et de la fréquence de soudage, à la limite l’on peut souder un cordon continu et en principe étanche.
La force (ou effort) notée (F) de compression en newtons (symbole N) ou multiples comme le décanewton (symbole daN) (convertible en pression du circuit pneumatique en bars d’une machine donnée d’après un abaque ou une courbe): C’est cette force qui est appliquée sur les deux pièces et qui détermine la résistance de contact électrique entre celles-ci, donc implicitement la qualité de la soudure. Trop faible, il y a un risque d’avoir trop de projection de métal en fusion, trop forte la qualité de la soudure peut en pâtir. Cette force est mesurée par un appareil autonome spécifique appelé U d’effort qui doit être annuellement étalonné.
Le temps d’accostage en périodes du réseau électrique: C’est en temps mécanique donné par la machine est son ouverture entre les électrodes (celle-ci doit être minimum sans gêner l’opérateur, dans le cas de petites pièces plates de 2 à 3 cm). Ce temps permet la fermeture de la machine et la montée en pression du vérin, jusqu’à la pression désirée (les machines anciennes fonctionnant encore sans contrôle de pression). C’est cette minuterie qui autorise le soudage, à moins d’avoir une machine équipée d’un contrôle de pression ou d’une électrovanne régulée.
Le temps d'accostage est donné comme tous les autres temps en périodes électriques (~): ici pour un réseau de fréquence (f) de 50 hertz, t en secondes = 1 / f, donc t = 1/50 de seconde donc 20 ms. Un temps d’accostage de 10 périodes veut dire 10 fois 20 ms donc 200 ms.
Un temps trop court peut endommager le matériel (si la machine n’a aucun contrôle de pression), un temps trop long diminue la productivité, le point est brûlé ou même percé. Sur la plupart des séquences de soudage, ce temps est divisé en premier accostage et accostage (pour le travail à la volée), toutefois le temps est cumulé donc cela n’a aucune influence sur le principe.
L’intensité du courant de soudage est notée I en kiloampères (kA). Elle est régulée par la séquence, qui doit comporter un tore de mesure, en fonction duquel elle ouvre plus ou moins les thyristors par le courant de gâchette.
Trop faible la soudure n’est pas bonne, trop fort le point est brûlé. Attention car I agit au carré (voir formule de l'effet Joule).
Nommé également temps de forgeage sur certaines machines, c’est le temps donné pour refroidir le point de soudure ; aucun courant ne passe mais la machine se maintient fermée sous pression. Il est dit de « forgeage » quand la machine permet d’obtenir un effort entre les électrodes supérieures pendant ce temps.
Quand le temps est trop court, à la limite, les pièces peuvent se séparer. Quand le temps est trop long, il pénalise la productivité.
Un ordre de grandeur des paramètres est le suivant : pour le soudage de deux tôles d’acier de 1 mm avec des électrodes de 6 mm de diamètre, on a : F = 270 daN, I = 10 kA, temps de soudure = 10 ~ (périodes), temps d’accostage selon la machine, temps de maintien = 10 ~.
Pour améliorer la qualité d’une soudure on doit en premier augmenter I en fonction de la capacité de la machine, sinon augmenter le temps de soudage avec un impact sur la productivité, ou bien diminuer (inversement proportionnel) l’effort de soudage dans la limite possible du contrôle des projections.
Dans le cas de soudage de 3 tôles ou de tôles épaisses (épaisseur > 1,5 mm), le mode de soudage est spécifique car on utilise le soudage par pulsations. C’est-à-dire que pour souder une pièce plus épaisse et comme la capacité de la machine n’est pas illimitée, au lieu d’envoyer un courant plus fort, on utilise un temps plus long entrecoupé de courtes pauses (temps mort) afin de ne pas endommager le transfo et les thyristors. On envoie donc plusieurs séries ou trains de pulsations (courant d'intensité I pause courant, etc.). Il faut donc en plus définir le nombre de pulsations et le temps mort.
Dans le cas de tôles revêtues (galvanisées ou électrozinguées), le soudage est le même que pour une tôle nue sauf qu’il nécessite de 30 a 40 % en plus de courant. De plus le zinc se dépose lentement sur les électrodes en cuivre formant une couche de laiton, celle-ci nuisant fortement à la qualité de la soudure. C’est pourquoi on utilise pour ces pièces soudées en série une intensité de soudage variable qui augmente en fonction du nombre de points de soudure effectués (déphasage). L’usure est linéaire, et sous influence du matériel japonais, de plus en plus de fabricants européens utilise ce modèle, toutefois bon nombre de séquence de soudage ancienne encore en service utilise le modèle ancien de montée par paliers. Par exemple : de 0 à 200 points, 8 kA ; de 200 à 400 points, 8,5 kA d’intensité, etc. Cette méthode nécessite une mise au point délicate et longue afin de définir ces paliers (de plus très dépendant de la qualité et épaisseur du revêtement).
Quel que soit le mode utilisé il convient de périodiquement procéder à un rodage des électrodes, grâce à un rodoir manuel (sorte de lime plate aux traits parallèles, de 20 à 50 par cm) qui enlève la couche de laiton et une fraise pour recalibrer le diamètre de l’électrode ou bien un rodage d’une machine automatique, qui usine légèrement l’électrode (cas de robots de soudage). Même avec ces précautions, la périodicité de changement des électrodes est de l’ordre 5 fois plus importante que pour une tôle nue[réf. souhaitée].
Le point de soudage est en principe visible, pour le rendre invisible, ou presque, on utilise sur la face en question une électrode plate, toutefois la qualité s'en ressent. Pour compenser en principe on rajoute au minimum 1 kA à I.
Il est possible de faire plusieurs points en même temps sur la même pièce ou de souder deux pièces à la fois ; pour cela on utilise des machines spécifiques plus puissante, des presses à souder. Pour une bonne répartition des efforts et donc du courant, on dispose entre les plateaux de la machine des vérins d’équilibrage à graisse ou plus récents pneumatique.
Le contrôle de la qualité de la soudure est en principe destructif, sur la propre pièce si elle est peu onéreuse ou bien sur une éprouvette (2 petits bouts de tôle de même caractéristiques que la pièce à contrôler) dans le cas contraire. Il est effectué au marteau et burin, la pièce solidement fixée entre les mors d’un étau en ouvrant les deux pièces puis en frappant sur une d’elles, une des deux pièces assemblées doit se découper de manière cylindrique autour du point de soudure : C’est ce qu’on nomme le diamètre de déboutonnage, mesuré il ne doit jamais être inférieur au diamètre mini imposé par la norme en fonction du diamètre des électrodes et de la classe de qualité exigée à la soudure. Si aucun arrachement de métal se produit il s’agit d’un point appelé par les soudeurs « collé » qui est refusé.
Un contrôle plus précis peut être obtenu en laboratoire, essai sur une machine de traction. Par exemple pour deux tôles d’acier doux de 2 mm et un diamètre de 4 mm d’électrodes, le résultat en essai de traction donne une valeur de 500 daN. Pour un diamètre supérieur de 6 mm, la valeur augmente pour atteindre 700 daN.
L’autre option de contrôle est le contrôle non destructif par ultrasons.
L’opérateur d’une machine à souder doit impérativement utiliser des lunettes de protection, des gants et chaussures de sécurité ainsi qu’un tablier en cuir ou une blouse en coton (peu inflammable au regard des matières synthétiques).
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