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DESCRIPTION
Titre : ELECTRODE DE SOUDAGE POUR TOLES EN ALUMINIUM OU ACIER
ET PROCEDE D'OBTENTION DE L'ELECTRODE
La présente invention concerne le domaine des électrodes de
soudage.
L'invention est plus particulièrement relative à des
électrodes de soudage par résistance en cuivre.
Les électrodes selon l'invention seront particulièrement
intéressantes notamment pour le soudage de tôles en aluminium
entre elles.
Les électrodes selon l'invention peuvent également être
mises en uvre pour le soudage de tôles en acier.
A titre de remarque préliminaire, on entend, dans la suite
de la description, par tôles aluminium des tôles fabriquées à
partir d'alliages comportant de l'aluminium, notamment des tôles
en alliage AlMgSi (aluminium-magnésium-silicium) ou en alliage
AlMgMn (aluminium-magnésium-manganèse) .
Ces tôles en aluminium, une fois soudées et assemblées,
présentent une application notamment dans le domaine de
l'industrie automobile.
Traditionnellement, le soudage de deux tôles est réalisé par
la combinaison d'une forte intensité électrique et d'une pression
ponctuelle, également appelée effort de serrage .
Plus particulièrement, dans un premier temps, on augmente
l'effort de serrage entre lesdites deux tôles à assembler.
Ensuite, au cours d'une deuxième phase, et une fois les deux tôles
serrées, on fait passer du courant entre deux électrodes qui sont
disposées de part et d'autre desdites tôles.
Le passage du courant entre les deux électrodes entraine une
augmentation de la température au niveau de la zone concernée des
tôles, jusqu'au point de fusion entre les deux tôles, ce qui crée,
après solidification, un point de soudage à l'interface tôle-tôle.
Dans le cas du soudage de l'aluminium, l'effort de serrage
réduit la résistance de contact entre la tôle et l'électrode.
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La pression maintient le contact entre l'électrode et
l'assemblage de tôles. Pour souder, une pince plaque l'assemblage
avec des électrodes en cuivre, matière à la fois excellente
conductrice de l'électricité et de la chaleur. Ce choix permet de
réduire la zone chauffée, qui se trouve limitée à la zone de
contact entre les deux tôles à souder.
Une fois le point de fusion atteint, la pression est
maintenue, et l'intensité électrique est arrêtée pour refroidir
le point de soudage avant de séparer les électrodes des tôles
assemblées puis de procéder au point de soudage suivant.
Les paramètres de soudage sont donc dépendants, notamment,
de la résistance électrique des tôles, de la résistance
d'interface entre les tôles et l'électrode, de l'épaisseur totale
de l'assemblage et du diamètre des électrodes.
Un tel procédé est par exemple couramment utilisé dans
l'assemblage de tôles acier présentant une faible épaisseur.
Ce procédé peut également être mis en uvre, de manière moins
courante cependant, pour les tôles aluminium.
En ce qui concerne l'électrode en elle-même, on connaît, par
le document WO 2016/203122 de l'état de la technique, une
électrode de soudage pour tôles en acier, notamment les tôles
présentant un revêtement anticorrosion, et dont la composition de
base consiste en un alliage de cuivre, de chrome et de zirconium,
et comportant en outre du phosphore et/ou du magnésium.
La proportion de chrome dans l'alliage est comprise entre
0,4 et 0,8% en masse, celle de zirconium est comprise entre 0,02
et 0,09% et la proportion totale en phosphore et en magnésium est
supérieure à 0,005% en masse, avec une teneur en magnésium
inférieure à 0,1% en masse et une proportion en phosphore
inférieure à 0,03% en masse. Le restant de la composition consiste
en du cuivre.
La structure métallurgique de cette électrode est
particulière et comporte des précipités de chrome incohérents dont
plus de 90% ont une surface projetée inférieure à lpm2, lesdits
précipités de chrome incohérents ayant des dimensions comprises
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entre 10 et 50 nm. En outre, ladite électrode présente une
structure fibrée.
La conductibilité électrique d'une telle électrode pour le
soudage de tôles en acier est supérieure à 85% IACS.
De telles électrodes sont particulièrement intéressantes
pour le soudage des tôles acier, notamment car elles résistent
mieux au phénomène de corrosion que les électrodes habituelles.
Ce phénomène de corrosion résulte de la réaction chimique du
cuivre de l'électrode et du zinc du revêtement avec le fer de la
tôle en acier, et conduit à une dégradation de la couche de surface
de l'électrode, nécessitant un retrait régulier de la couche de
corrosion, voire même de changer d'électrode.
Quoiqu'il en soit, dans le cas du soudage de tôles en acier,
la température au point de soudage atteint une valeur de 1560 C
et, lors du contact avec la surface de la tôle en acier, la surface
de l'électrode va atteindre une température supérieure à 700 C.
Or, à de tels niveaux de température, d'une part, la réaction
chimique qui conduit à la corrosion de la surface de l'électrode
est accélérée mais, en plus, la matière même de l'électrode va se
déformer par un phénomène d'usure dénommé fluage à chaud
aboutissant à un détachement latéral de la couche de surface de
l'électrode et donc à un élargissement de ses extrémités.
En conséquence, la surface de contact entre l'électrode et
la tôle est agrandie, et il est alors nécessaire d'augmenter la
densité de courant pour maintenir une qualité du point de soudage
des tôles. Toutefois, une augmentation de surface et une
augmentation de courant signifient une corrosion encore plus
étendue.
L'électrode telle que décrite dans la demande internationale
WO 2016/203122 permet ainsi une amélioration dans la résistance
au fluage à des températures supérieures à 700 C, et pouvant
atteindre dans certains cas 800 C, lors du soudage de tôles acier
entre elles.
Cependant, la conductibilité de telles électrodes peut
encore être améliorée.
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En outre, il est également à noter que, pour diminuer le
poids des carrosseries automobiles, dans le but de limiter la
consommation d'essence, de plus en plus de constructeurs
automobiles remplacent aujourd'hui les tôles en acier par des
tôles en aluminium, notamment en alliage d'aluminium de type
alliage AlMgSi (aluminium-magnésium-silicium) ou alliage AlMgMn
(aluminium-magnésium-manganèse).
En effet, l'aluminium présente une densité à 35% de la
densité des tôles acier utilisées jusqu'alors.
Il est à noter également que la tendance de remplacer les
tôles en acier par celles en alliage d'aluminium est encore
amplifiée par le développement des voitures électriques et la
nécessité d'améliorer l'autonomie des batteries de ces dernières.
Un autre avantage dans l'utilisation de tôles aluminium est
une résistance améliorée à la corrosion, rendant inutile la
présence de revêtement anticorrosion à base de zinc, nécessaire
aux tôles acier.
En outre, il s'est avéré qu'il est tout à fait possible,
pour les constructeurs automobiles, d'utiliser des lignes
d'assemblage de carrosseries tôle acier avec des robots de soudage
par résistance pour assembler des carrosseries tôle aluminium. Il
s'agit là d'un réel avantage pour les entreprises, étant donné
qu'il n'est pas nécessaire d'effectuer des investissements dans
une technique d'assemblage dédiée (collage, clinchage, rivetage,
laser, etc.).
A l'heure actuelle, les constructeurs d'automobiles
utilisent, par exemple, des électrodes en alliage de Cuivre-
Zirconium (0,15%) pour le soudage résistif de tôles en aluminium
pour les carrosseries automobiles, ces électrodes étant également
mises en uvre de manière courante dans le soudage de tôles acier.
Dans le cas de tôles aluminium, le point de soudage nécessite
d'atteindre une température de contact entre les deux tôles de
660 C, substantiellement inférieure à la température de 1560 C
qui est atteinte au point de soudage de deux tôles acier. La
température de surface de la tôle en contact avec l'électrode sera
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donc également inférieure à celle observée lors du soudage de
l'acier.
En effet, la bien meilleure conductivité électrique de
l'aluminium en comparaison avec celle de l'acier (4 à 5 fois plus
élevée), réduit considérablement l'échauffement résistif qui
permet d'atteindre la fusion au point de soudage.
Par conséquent, dans des conditions similaires de soudage,
il est nécessaire, pour souder deux tôles aluminium, d'augmenter
sensiblement l'intensité appliquée, typiquement de 120% en
comparaison avec l'intensité mise en uvre pour le soudage de
tôles acier, en réduisant simultanément le temps de soudage, ce
dernier devant typiquement être divisé par deux par rapport à
celui de l'acier.
L'énergie dissipée dans l'électrode est proportionnelle au
carré de l'intensité, à la résistance électrique de l'électrode,
et au temps de soudage. Concrètement, cette énergie dissipée est
2,4 fois plus élevée dans une électrode utilisée pour le soudage
de tôles aluminium par rapport à une électrode pour l'acier.
La résistance électrique étant inversement proportionnelle
à la conductivité électrique, il est nécessaire, pour souder de
l'aluminium, d'avoir une électrode présentant une conductivité
électrique supérieure à 90% IACS (pour International Annealed
Copper Standard), alors qu'une conductivité supérieure à 75% IACS
est requise pour le soudage de l'acier.
En outre, afin d'avoir une durée de vie acceptable des
électrodes de soudage des tôles aluminium, il faut également tenir
compte des réactions, chimique et thermomécanique, qui se
déroulent pendant ce soudage, lors du contact de la surface de
l'électrode avec la tôle aluminium.
La réaction chimique est le résultat du contact à chaud entre
l'aluminium de la tôle et le cuivre de l'électrode, qui forme une
couche d'alliage oxygène, aluminium et cuivre. Cette couche est
substantiellement plus résistive que la couche d'alliage de cuivre
et zinc qui se forme à la surface de l'électrode lors du soudage
de deux tôles d'acier revêtues d'une protection anticorrosion de
zinc.
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La couche de surface de l'électrode, lors du soudage de tôles
aluminium, est donc beaucoup plus susceptible de s'échauffer, sous
l'effet de la résistance et de l'intensité appliquée, que la
matrice de cette même électrode, et ce jusqu'à favoriser le
collage, par fusion, d'aluminium oxydé à la surface de
l'électrode, ce qu'il convient d'éviter.
Typiquement, la température de surface d'une électrode lors
du soudage de l'aluminium est située entre 500 et 550 C, alors
que cette même température est supérieure à 700 C lors du soudage
acier.
Ainsi, l'écart de température entre la surface de l'électrode
et la température du métal à souder est très supérieur dans le
cas du soudage de l'acier, par rapport au soudage de tôles
aluminium.
En effet, comme déjà mentionné plus haut dans la
description, la température de contact entre les deux tôles
lorsque celles-ci sont en acier doit atteindre 1550 - 1560 C pour
qu'il y ait fusion, tandis que la température de surface de
l'électrode est supérieure à 700 C, ce qui aboutit à un écart de
température de l'ordre de 750-850 C.
Dans le cas du soudage de l'aluminium, la température de
contact entre les deux tôles doit atteindre 660 C tandis que la
surface de l'électrode présente une température de l'ordre de 500
à 550 C, ce qui aboutit à un écart de température maximal de
l'ordre de 160 C.
D'autant que, dans le cas du soudage de tôles en acier, la
couche de surface en zinc protège l'acier de la tôle, pendant le
soudage à chaud, contre la corrosion. La couche de zinc bloque
l'échauffement de la tôle par l'effet de la chaleur latente de
fusion du zinc et empêche un contact direct du fer de l'acier avec
l'air.
Une telle couche de surface en zinc n'existe pas sur les
tôles en aluminium. Par conséquent, aucune protection n'est
apportée dans le cas du soudage de tôles aluminium. Ainsi, la
couche d'alliage comportant de l'oxygène, de l'aluminium et du
cuivre très résistive, et qui s'accumule à la surface de
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l'électrode à chaque soudage de deux tôles aluminium entre elles,
va augmenter cet effet résistif et augmenter la température de
contact entre l'électrode et la tôle d'aluminium, jusqu'à
atteindre la température de fusion de l'aluminium.
A ce moment-là, il y a expulsion du point soudé, autrement
dit éjection de métal fondu au niveau de la face extérieure des
tôles, et la qualité du point soudé s'en trouve dégradée.
En ce qui concerne la réaction thermodynamique lors du
contact de la surface de l'électrode avec une tôle aluminium ou
acier, celle-ci résulte, d'une part, du fluage à chaud de la
surface de l'électrode pendant le soudage, sous l'effet de
l'effort de serrage exercé par la pince de soudage, et, d'autre
part, de l'arrachement de surface de l'électrode sous l'effet de
l'effort d'ouverture de la pince à la fin du soudage.
Sous l'effort de serrage, la surface de contact de
l'électrode va s'élargir, entrainant, à intensité de soudage égale
une diminution de la densité de courant et un échauffement de
moins en moins localisé. Le diamètre du point soudé s'en trouve
réduit, et devient insuffisant pour garantir l'assemblage des deux
tôles.
Dans le cas du soudage de l'acier, sous l'effort d'ouverture,
plus l'électrode est collée à la tôle, plus de micro-arrachements
se produisent et dégradent la surface de contact de l'électrode.
Pour en revenir au soudage de l'aluminium, il est impératif
d'éviter l'expulsion du point soudé lorsqu'est atteinte une
température de surface de l'électrode proche de la température de
fusion de l'aluminium.
Dans ce but, il peut s'avérer intéressant d'augmenter
l'effort de serrage. En effet, plus l'effort de serrage est élevé,
meilleur est le contact entre la tôle et l'électrode, plus la
résistance de contact est faible et moins il y a d'échauffement à
la surface de contact de l'électrode, et, plus la température est
basse, moins il y a oxydation de l'aluminium et de transfert
d'oxyde d'aluminium à la surface de l'électrode.
Toutefois, avec l'élargissement de la surface de contact,
résultant de l'effort de serrage notamment, il est nécessaire
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d'augmenter le courant de soudage afin de maintenir une qualité
de point soudé satisfaisante, ce qui a pour conséquence une
dégradation encore plus importante de l'électrode.
Lorsque la dégradation de la surface de l'électrode est trop
importante, un décapage mécanique de cette surface est alors
indispensable, et ce afin de garantir la qualité du point soudé.
Une telle opération de décapage présente toutefois
l'inconvénient de nécessiter un arrêt du robot de soudage par
résistance sur la ligne d'assemblage des tôles, entrainant
inévitablement une diminution de la productivité, en particulier
si la fréquence de décapage est importante.
Il apparait donc nécessaire de proposer une électrode
répondant notamment aux besoins du procédé de soudage par
résistance de tôles en aluminium, présentant une conductibilité
électrique optimale et une performance au soudage améliorée en
comparaison avec les électrodes CuZr à 0,15% de zirconium
habituellement utilisées pour ce procédé.
De manière plus générale, il convient de proposer une
électrode présentant dans tous les cas une conductibilité
électrique améliorée, en particulier pour le soudage de tôles à
base d'aluminium, mais également pour le soudage de tôles acier,
et qui permette de réduire la résistance de contact entre la tôle
et l'électrode évitant ainsi l'échauffement à la surface de
contact de l'électrode et les inconvénients qui en découlent.
A cet effet, la présente invention concerne une électrode en
alliage de cuivre, de chrome, de zirconium et de phosphore pour
le soudage de tôles métalliques en acier et en aluminium ou en
alliages d'aluminium, caractérisée en ce que l'alliage est
constitué de chrome dans une proportion supérieure ou égale à 0,1%
et inférieure à 0,4% en masse, de zirconium dans une proportion
comprise entre 0,02 et 0,04% en masse, de phosphore dans une
proportion inférieure à 0,015% en masse, le reste de la
composition étant du cuivre et des impuretés inévitables dans une
proportion inférieure à 0,1% en masse, et la conductibilité
électrique de ladite électrode étant supérieure ou égale à 90%
IACS (International Annealed Copper Standard).
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De manière avantageuse, la structure de l'électrode comporte
des précipités de chrome incohérents dont plus de 90% ont une
surface projetée inférieure à lime, lesdits précipités de chrome
incohérents présentant des dimensions comprises au moins entre 10
et 50 nm, ladite électrode présentant en outre une structure
fibrée, visible suivant une coupe transversale de la face active
de ladite électrode après surfaçage et attaque chimique, ladite
structure étant constituée, d'une part, d'une pluralité de fibres
radiales, lesdites fibres présentant une épaisseur inférieure à 1
mm et, d'autre part d'une zone sensiblement centrale sans fibrage
ayant un diamètre inférieur à 5 mm.
Tout préférentiellement, ladite électrode, lorsqu'elle est
mise en uvre dans le cas de soudage de tôles en aluminium ou en
alliage d'aluminium, est apte à permettre le maintien d'une
pression spécifique supérieure ou égale à 120 MPa lors du soudage
entre elles de deux tôles en aluminium, pour limiter la résistance
de contact entre ladite électrode et la surface extérieure de
l'une des deux tôles en aluminium.
La diminution de la teneur en chrome dans l'alliage de
départ, en comparaison avec l'alliage CuCrZr comportant en outre
du phosphore et/ou du magnésium utilisé pour la fabrication
d'électrodes de soudage pour tôles acier dans la demande
WO 2016/203122, permet une amélioration substantielle de la
conductivité, celle-ci étant alors systématiquement supérieure ou
égale à 90% TACS, comme cela sera démontré dans les exemples
donnés ci-dessous.
En outre, une telle teneur réduite en chrome permet, contre
toute attente, de conserver les précipités incohérents de chrome
qui étaient déjà à l'origine de l'amélioration des performances
de soudage de l'électrode pour tôles en acier décrite dans la
demande internationale WO 2016/203122, en augmentant notamment la
résistance de cette électrode au fluage à chaud.
Ainsi, l'électrode selon la présente invention est
particulièrement intéressante et adaptée notamment pour une
utilisation dans le soudage de tôles en aluminium ou en alliage
d'aluminium, mais également pour le soudage de tôles acier, en
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particulier du fait de la conductibilité électrique
particulièrement élevée qu'elle présente.
De manière avantageuse, la proportion de chrome est comprise
entre 0,2 et 0,3% en masse.
Selon une autre particularité de l'invention, la proportion
de zirconium est comprise entre 0,03 et 0,04% en masse.
De manière intéressante, la proportion de phosphore est
inférieure à 0,01% en masse.
Préférentiellement, la proportion des impuretés inévitables
est inférieure à 0,05% en masse.
De manière toute particulière, un coefficient de pondération
est affecté à chaque élément chimique susceptible d'être présent
en tant qu'impureté dans l'alliage, en fonction de l'effet dudit
élément chimique sur la conductibilité électrique ; la somme des
proportions pondérées de chacun desdits éléments chimiques, en
partie par million, étant inférieure à 5000.
Encore plus préférentiellement, la somme des proportions
pondérées de chacun desdits éléments chimiques, en parties par
million, est inférieure à 2000.
La présente invention concerne encore un procédé de
fabrication d'une électrode de soudage selon l'invention, par
coulée continue, à partir d'un alliage constitué de chrome dans
une proportion supérieure ou égale à 0,1% et inférieure à 0,4% en
masse, de zirconium dans une proportion comprise entre 0,02 et
0,04% en masse, de phosphore dans une proportion inférieure à
0,015 % en masse, le reste de la composition étant du cuivre et
des impuretés inévitables dans une proportion inférieure à 0,1%
en masse, ledit procédé comportant au moins les étapes suivantes :
a) fusion des différents composants de l'alliage, à savoir
le cuivre, le chrome, le zirconium et du phosphore et/ou du
magnésium à une température supérieure ou égale à 1200 C ;
b) coulée continue à travers une filière cylindrique
présentant un diamètre d permettant d'obtenir une barre d'un
diamètre proche du diamètre d de la filière avec le maintien du
métal liquide dans le four de coulée à une température comprise
entre 1100 et 1300 C ;
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c) solidification de ladite barre et refroidissement
jusqu'à une température inférieure à 100 C, la vitesse de
refroidissement étant au moins égale à 100C/s jusqu'à atteindre
une température de la barre de 10600C, puis au moins égale à
150C/s entre 1060 et 1040 C, puis au moins égale à 20 C/s entre
1040 et 1030 C, puis au moins égale à 250C/s entre 1030 et 1000 C,
puis au moins égale à 30 C entre 1000 et 900 C, puis au moins
égale à 20 C/s pour des températures inférieures à 900 C, jusqu'à
ce que la barre soit refroidie à une température au plus de 100 C ;
d) déformation à froid pour obtenir un barreau d'un
diamètre inférieur à 20 mm ;
e) cisaillage dudit barreau afin d'obtenir des lopins puis
poinçonnage ou usinage par enlèvement de matière afin de conférer
à ladite électrode sa forme définitive,
ledit procédé comprenant au moins une étape de traitement de
vieillissement ou de revenu avant et/ou après l'étape e) de mise
en forme de l'électrode, et dans lequel procédé la structure
métallurgique de la face active de ladite électrode comporte des
précipités de chrome incohérents dont plus de 90% ont une surface
projetée inférieure à 11=2, lesdits précipités de chrome
incohérents présentant des dimensions comprises au moins entre 10
et 50 nm, ladite électrode présentant en outre une structure
fibrée, visible suivant une coupe transversale de la face active
de ladite électrode après surfaçage et attaque chimique, ladite
structure étant constituée, d'une part, d'une pluralité de fibres
radiales, lesdites fibres présentant une épaisseur inférieure à 1
mm, et, d'autre part, d'une zone sensiblement centrale sans
fibrage ayant un diamètre inférieur à 3 mm, et la conductibilité
électrique de ladite électrode étant supérieure ou égale à 90%
IACS (pour International Annealed Copper Standard).
Préférentiellement, la fusion des différents composants de
l'alliage de l'étape a) est effectuée à une température comprise
entre 1200 C et 1300 C.
En ce qui concerne la coulée continue de l'étape b), celle-
ci est, de manière avantageuse, réalisée avec le maintien d'une
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température du métal liquide dans le four de coulée comprise entre
1150 et 1250 C.
Le refroidissement de ladite barre de l'étape c) peut être
effectué à une vitesse de refroidissement au moins égale à 30 C/s
pour des températures inférieures à 900 C, jusqu'à ce que la barre
soit refroidie à une température au plus de 100 C.
Pour ce qui est du traitement de vieillissement, celui-ci
peut, dans un premier mode de réalisation du procédé, être
effectué avant l'étape e) de mise en forme de l'électrode et
consister en un traitement de précipitation réalisé à une
température comprise entre 450 et 480 C pendant une période de 1
à 2 h.
Dans un deuxième mode de réalisation, on procède au
traitement de précipitation, réalisé à une température comprise
entre 450 et 480 C pendant une période de 1 à 2 h, suivant l'étape
e) de mise en forme de l'électrode.
Le diamètre d de la filière est de préférence compris entre
et 70 mm, de préférence entre 20 et 40 mm.
Au cours de l'étape d) de déformation à froid, une opération
20 d'usinage extérieur, inférieure à 0,5 mm d'épaisseur est, de
manière avantageuse, effectuée pour éliminer les défauts de
surface générés lors de l'étape c) de solidification.
La présente invention comporte de nombreux avantages.
Premièrement, de par la composition de l'alliage de base
utilisé pour la fabrication de l'électrode selon l'invention, la
conductibilité électrique de cette dernière est particulièrement
élevée, typiquement supérieure ou égale à 90% IACS. Cette
conductibilité améliorée permet de pallier la diminution de
résistance électrique de l'aluminium, par rapport à celle de
l'acier.
En second lieu, l'électrode de l'invention présente une
résistance substantiellement améliorée au phénomène de fluage, et
ce comparativement aux électrodes CuZr utilisées actuellement pour
le soudage de tôles aluminium en industrie automobile. Cette
résistance améliorée au fluage résulte d'une dureté élevée
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conservée malgré l'échauffement généré dans l'électrode et à sa
surface pendant le soudage.
Il en résulte que la surface de contact de l'électrode avec
la tôle sera moins soumise à un élargissement sous l'effet de
l'effort de serrage exercé par la pince de soudage et donc le
collage de l'électrode sur la tôle sera limité. Par conséquent,
lors de l'ouverture de la pince, moins de micro-arrachements de
surface se produiront au niveau de l'électrode.
Cette résistance au fluage permet de réduire l'effet
d'élargissement de la surface de contact qui est susceptible
habituellement d'entrainer une diminution de la densité de courant
et une réduction du diamètre du point soudé, qui deviendrait
insuffisant pour garantir l'assemblage des deux tôles.
Troisièmement cette résistance au fluage permet de maintenir
une pression spécifique élevée et de réduire la résistance de
contact. Dans le cas du soudage de tôles en aluminium ou en alliage
d'aluminium, une mauvaise résistance de contact favorise la
diffusion d'aluminium dans le cuivre à la surface de l'électrode
et le transfert d'oxyde d'aluminium sur la surface de l'électrode.
La résistance de contact résulte de la formation d'une couche
d'alliage oxygène, aluminium et cuivre très résistive qui
s'accumule à la surface de l'électrode à chaque soudage.
Dans le cas du soudage de l'acier la pression spécifique est
de l'ordre de 80 MPa, dans le cas de l'aluminium cette pression
doit rester supérieure à 120 MPa pour éviter une résistance de
contact trop élevée.
L'électrode de l'invention permet de maintenir une pression
spécifique supérieure à 120 MPa lors du soudage de tôles en
aluminium sans générer un élargissement rapide de la surface de
l'électrode par un fluage à chaud important.
Finalement, il résulte, de ce qui précède que, par rapport
aux électrodes CuZr actuelles, l'électrode de l'invention pourra
être utilisée pendant un nombre de cycles plus élevé avant que
l'opération de décapage mécanique ne soit nécessaire pour
restaurer la qualité de la surface de ladite électrode,
aboutissant à un gain non négligeable en termes de productivité.
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D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
ressortiront de la description détaillée qui va suivre des modes
de réalisation non limitatifs de l'invention, en référence à
l'unique figure annexée illustrant, à gauche, une électrode selon
l'invention et, à droite, une électrode en alliage de cuivre et
zirconium, contenant 0,15% en masse de zirconium, et utilisée
actuellement par les constructeurs automobiles pour le soudage de
tôles aluminium.
La partie grisée visible au niveau de l'extrémité arrondie
de chacune des deux électrodes représente la quantité de matière
à éliminer, par décapage mécanique, pour maintenir une qualité
optimale du point soudé, après avoir effectué un soudage en
appliquant des paramètres identiques aux deux électrodes, en
termes notamment de nombre de points soudés, d'intensité
électrique appliquée, de temps de soudage, etc.
La présente invention a pour objet notamment une électrode
fabriquée en un alliage constitué de :
- chrome dans une proportion supérieure ou égale à 0,1% et
inférieure à 0,4% en masse, avantageusement entre 0,2 et 0,3% en
masse,
- zirconium dans une proportion comprise entre 0,02 et 0,04%
en masse, plus préférentiellement entre 0,03 et 0,04% (soit entre
300 et 400 ppm, 1 ppm correspondant à 1 mg/kg),
- phosphore dans une proportion inférieure à 0,015 % en
masse, de manière avantageuse inférieure à 0,01 % (inférieure à
100 ppm),
- le reste de la composition étant du cuivre et des impuretés
inévitables dans une proportion inférieure à 0,1% en masse,
sachant que, plus préférentiellement encore, la proportion en
impuretés est inférieure à 0,05%, soit inférieure à 500 ppm.
La présence d'impuretés dans un alliage est inhérente au
procédé d'élaboration de cet alliage. La proportion totale de
toutes les impuretés dans l'alliage utilisé pour la fabrication
de l'électrode de l'invention ne doit cependant pas excéder 0,1%
en masse pour ne pas influer de manière négative sur les
caractéristiques de ladite électrode, notamment sur sa
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conductibilité électrique particulièrement élevée, supérieure ou
égale à 90% IACS (International Annealed Copper Standard).
Les impuretés inévitables résultent de l'élaboration de
l'alliage et regroupent tous les éléments, autres que ceux entrant
dans la composition de l'alliage, qui sont susceptible de nuire à
la conductibilité, à l'exception toutefois de l'argent.
En effet, une addition jusqu'à 0,05 % en masse (500 ppm)
d'argent est envisageable sans nuire à la performance de
l'électrode.
L'argent ne sera, par conséquent, pas compté dans les
impuretés et pourra être ajouté jusqu'à une proportion de 500 ppm
sans que cela nuise aux caractéristiques de l'électrode selon
l'invention.
Comme mentionné ci-dessus, il est important que les impuretés
présentes ne réduisent la conductibilité électrique. Or, certains
éléments considérés ici comme des impuretés agissent plus sur la
réduction de la conductibilité électrique que d'autres.
Il convient donc de tenir compte de ce fait en affectant à
chaque impureté un coefficient de pondération, comme indiqué dans
le tableau 1 ci-dessous :
Valeur du coefficient de pondération suivant l'élément
chimique
1 2 5 10 20
Ni Al As
Pb Ge Be Fe Ti
Zn Sn Co Se
Mg Si
Mn
Sb
Tableau 1 : Valeur du coefficient de pondération suivant l'élément
chimique
La somme de la proportion de chaque impureté en ppm pondérée
du coefficient ne doit pas dépasser la valeur de 5000.
De manière avantageuse, la somme pondérée des impuretés ne
dépasse pas 2000.
Ainsi, par exemple, si dans l'alliage sont retrouvées, en
tant qu'impuretés, dans les proportions indiquées, 100 ppm de
=
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silicium (Si), 100 ppm de fer (Fe), 50 ppm d'étain (Sn), 50 ppm
d'aluminium (Al), 50 ppm de zinc (Zn), 20 ppm de soufre (S) et
100 ppm d'autres impuretés, la proportion totale des impuretés
est de 470 ppm.
En ce qui concerne la somme pondérée des impuretés, elle est
calculée comme suit, en multipliant les proportions, en ppm, de
chaque impureté présente par leur coefficient de pondération
respectif, et en additionnant les proportions pondérées.
En reprenant les impuretés données dans l'exemple ci-dessus,
leur somme pondérée est donc calculée comme suit :
100 x 10 + 50 x 2 + 50 x 2 + 50 x 1 + 20 x 20 = 2650.
La présente invention a également pour objet un procédé pour
la fabrication d'une électrode de soudage par résistance à partir
d'un alliage dont la composition consiste en du cuivre, du chrome,
du zirconium et du phosphore, dans les proportions indiquées
notamment ci-dessus.
Le procédé de fabrication de l'électrode est un procédé de
coulée continue et il comprend au moins les étapes suivantes :
a) on fusionne les différents composants de l'alliage à
une température supérieure à 1200 C, de préférence entre 1200 C
et 1300 C ;
b) on effectue une coulée continue à travers une filière
cylindrique, ou un moule cylindrique, présentant un diamètre d
permettant d'obtenir une barre ;
Cette coulée peut être réalisée à une température de maintien
du métal liquide dans le four de coulée comprise entre 1100 et
1300 C, de préférence entre 1150 et 1250 C.
c) on solidifie ladite barre et on la refroidit, de
préférence à une vitesse de refroidissement définie jusqu'à une
température inférieure à 100 C, la vitesse de refroidissement
étant au moins égale à 10 C/s jusqu'à atteindre une température
de la barre de 1060 C, puis au moins égale à 150C/s entre 1060 et
1040 C, puis au moins égale à 200C/s entre 1040 et 1030 C, puis
au moins égale à 25 C/s entre 1030 et 1000 C, puis au moins égale
à 30 C entre 1000 et 900 C, puis au moins égale à 20 C/s pour des
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températures inférieures à 900 C, jusqu'à ce que la barre soit
refroidie à une température au plus de 100 C.
La vitesse de refroidissement est donc d'au moins 200C/s et
ce jusqu'à atteindre au moins une température de barre de 100 C.
Préférentiellement, la vitesse de refroidissement est au
moins égale à 300C/s pour des températures inférieures à 900 C,
jusqu'à ce que la barre soit refroidie à une température au plus
de 100 C.
Avantageusement, le refroidissement de ladite barre de
l'étape c) est effectué à une vitesse de refroidissement toujours
au moins égale à 300C/s pour des températures inférieures à 700 C.
Cette étape de solidification et refroidissement n'inclut
pas de traitement thermique spécifique, la mise en solution
pouvant se faire dès la fin de la solidification à 1060 C.
d) on procède à une déformation à froid de ladite barre
pour obtenir un barreau d'un diamètre inférieur à 20 mm, de
préférence compris entre 12 et 19 mm ; de manière optionnelle,
une opération d'usinage extérieure, avantageusement inférieure à
0,5 mm d'épaisseur, peut être effectuée de sorte à éliminer des
défauts de surface éventuellement générés par l'étape précédente ;
e) on effectue une mise en forme de l'électrode par
cisaillage dudit barreau afin d'obtenir des lopins puis un
poinçonnage ou un usinage par enlèvement de matière afin de
conférer à ladite électrode sa forme définitive.
Au cours du procédé, on effectue au moins un traitement de
vieillissement, ou traitement de revenu. Cette étape a lieu avant
et/ou après l'étape e) de mise en forme de l'électrode.
Ce traitement de vieillissement consiste en un traitement
thermique pouvant être réalisé de différentes manières.
De préférence, il s'agit d'un traitement de précipitation
réalisé à une température comprise entre 450 et 480 C, pendant
une durée comprise entre lh et 2h.
Il est par conséquent possible d'effectuer ce traitement de
précipitation à une température comprise entre 450 et 480 C,
pendant une durée comprise entre lh et 2h entre l'étape d) de
déformation à froid et l'étape e) de mise en forme de l'électrode.
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Selon un autre mode de réalisation, le traitement de
précipitation est réalisé suivant l'étape e) de mise en forme de
l'électrode, en tant que seul traitement de vieillissement du
procédé.
La mise en uvre d'un traitement par précipitation en toute
fin de procédé, après l'étape e), présente l'avantage d'apporter
une plus grande stabilité des caractéristiques mécaniques de
l'électrode.
Deux traitements par précipitation dans les conditions
susmentionnées de durée et de température peuvent également être
conduits, l'un avant l'étape e), et le second suivant cette étape
e) de mise en forme de l'électrode.
De manière particulièrement avantageuse, dans l'étape b) du
procédé de l'invention, le diamètre d de la filière cylindrique
de coulée continue est inférieur à 70 mm.
De préférence, ledit diamètre d est compris entre 20 et 70
mm et, plus préférentiellement encore, ce diamètre est compris
entre 20 et 40 mm.
En outre, la vitesse de refroidissement appliquée lors de
l'étape c) du procédé et permettant la solidification de la barre
puis le refroidissement solide, est particulièrement importante,
entrainant une solidification rapide et un refroidissement
périphérique extrêmement puissant.
Préférentiellement, la vitesse de refroidissement est
également variable en fonction de la température de ladite barre.
Plus précisément, ladite vitesse de refroidissement est,
avantageusement, au moins égale à 100C/s lorsque la barre a une
température supérieure à 1060 C, =puis au moins égale à 150C/s
lorsque la température est comprise entre 1060 et 10400C, puis au
moins égale à 20 C/s lorsque la température est comprise entre
1040 et 1030 C, puis au moins égale à 250C/s lorsque la température
est comprise entre 1030 et 1000 C, puis au moins égale à 30 C/s
entre 900 et 1000 C. Pour des températures de barre inférieures à
900 C, le refroidissement est préférentiellement effectué à une
vitesse au moins égale à 200C/s.
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La vitesse de refroidissement peut encore être au moins égale
à 300C/s pour des températures inférieures à 900 C.
De préférence, dans le procédé selon l'invention, le
refroidissement n'est pas appliqué sur un solide mais sur un
liquide et commence dès le solidus, c'est-à-dire à une température
de l'ordre de 1070 C. En particulier, il a été mis en évidence un
intervalle de température, entre 1060 et 900 C, pour une
amélioration de la mise en solution avec une vitesse de
refroidissement minimum qui a été reprise ci-dessus lors de la
définition du procédé.
En dessous de 900 C la mise en solution est impossible, on
s'assurera pour les températures inférieures à 900 C de poursuivre
le refroidissement avec un minimum de 200C/s pour ne pas générer
un vieillissement non maitrisé.
Plus précisément, la solidification et le refroidissement
très rapides, jusqu'à une température où la diffusion des atomes
de chrome est limitée, permet une répartition homogène des
précipités cohérents et incohérents de chrome.
Ces conditions de refroidissement, qui sont en outre
appliquées sur un moule cylindrique ayant un diamètre réduit entre
20 et 70 mm, de préférence entre 20 et 40 mm, participent à
l'obtention d'une barre avec une texture de solidification
colonnaire orientée de manière radiale. Cette texture est visible
par réalisation d'une coupe transversale de ladite barre, et sur
l'ensemble du volume de cette dernière.
La filière ou le moule, présentant une forme cylindrique,
est préférentiellement entourée d'une enveloppe au sein de
laquelle circule soit une huile, soit un gaz réfrigérant, ou
encore de l'eau, de sorte à permettre la solidification et le
refroidissement.
Un autre avantage du procédé selon l'invention réside dans
le fait qu'il permet d'éviter une recristallisation dynamique à
chaud, due à un réchauffage et une déformation simultanée. De ce
fait, les précipités et textures intéressants issus de la mise en
uvre du procédé de l'invention sont conservés.
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Au sein de l'alliage de base utilisé pour la fabrication des
électrodes de soudage innovantes, on retrouve, de préférence, une
teneur en chrome dans une proportion supérieure ou égale à 0,1%
et inférieure à 0,4% en masse, cette proportion étant
préférentiellement comprise entre 0,2 et 0,3%.
Par le biais du procédé selon l'invention, des précipités
incohérents de chrome, c'est-à-dire des particules sans relation
cristallographique avec la matrice, sont en excès de limite de
solubilité.
En effet, dans le procédé de l'invention, l'application du
traitement de trempe dès la solidification de l'alliage, qui est
complète à une température de l'ordre de 1070 C, permet de
maximiser la solubilité du chrome dans le cuivre et de maintenir
l'eutectique cuivre chrome aux joints de grain.
Il a pu être déterminé que, de manière particulièrement
surprenante, une proportion de chrome supérieure ou égale à 0,1%
et inférieure à 0,4% permet de produire la précipitation de chrome
recherchée.
Ainsi, contrairement à l'idée communément établie dans
l'état de la technique, malgré une diminution de la proportion de
chrome au sein de l'alliage, la combinaison des étapes du procédé
mises en uvre sur la composition de l'alliage décrite ici permet
de conserver les précipités de chrome incohérents, et cela sans
engendrer des précipités de chrome de taille trop importante, qui
seraient susceptibles d'entrainer l'apparition de décohésions
lors de l'étape d) de transformation à froid.
La texture de solidification colonnaire très fine, obtenue
par la mise en uvre du procédé de l'invention, permet de manière
particulièrement avantageuse de répartir l'hétérogénéité de
composition de chrome (chrome en solution solide, chrome
eutectique et chrome métal) de manière homogène, et ce dans
l'ensemble du volume de l'électrode de soudage obtenue par ledit
procédé.
Ces précipités de chrome sont à l'origine de l'amélioration
des performances de soudage de l'électrode, en augmentant la
résistance de cette dernière au fluage à chaud. A titre de
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remarque, pour ce qui est du soudage de tôles acier avec un
revêtement zinc, ces précipités ont pour fonction de retarder ou
bloquer la diffusion du fer et du zinc qui sont à l'origine de la
corrosion chimique de la face active de ladite électrode.
Le procédé de l'invention, et notamment l'application
préférentielle du refroidissement dès le solidus, favorise
également une répartition homogène des précipités cohérents de
chrome, c'est-à-dire les précipités présentant une continuité avec
la structure cristallographique de la matrice.
Par la mise en uvre du procédé de l'invention, l'électrode
obtenue présente également une structure fibrée, due à la présence
de précipités de cuivre, ou grains, qui présentent eux-mêmes une
forme très fibrée.
Suivant une coupe longitudinale d'une électrode de
l'invention après poinçonnage (résultats non montrés), il apparait
que le fibrage est symétrique droite gauche, les fibres partant
de la face active, et à proximité de la face interne de
refroidissement de l'électrode et se dirigeant en se resserrant
vers la jupe de l'électrode.
Suivant une coupe transversale de cette même électrode, les
fibres sont assimilables aux rayons d'une roue dont le moyeu,
correspondant à la zone centrale de l'électrode sans fibrage
distinctif présente un diamètre inférieur à 5 mm, de préférence
inférieur à 3 mm. Les fibres radiales fines présentent quant à
elles une épaisseur avantageusement inférieure à 1 mm, et, plus
avantageusement encore, inférieure à 0,5 mm.
Cette texture fibrée, très caractéristique de l'électrode
obtenue par mise en uvre du procédé de l'invention, est la
conséquence directe de la structure métallurgique obtenue après
l'étape c) dudit procédé, et est très différente de la structure
fine et homogène de certaines électrodes traditionnelles.
Le fibrage de l'électrode obtenue par le présent procédé,
notamment dû à la présence de grains de cuivre en aiguille ayant
une longueur importante, permet une amélioration de la résistance
aux champs de sollicitations thermomécaniques, comprenant le champ
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de déformation et le champ de température, de la face active de
ladite électrode lors du soudage.
Plus particulièrement, le fibrage de l'électrode de
l'invention favorise, pendant le soudage des tôles acier ou
aluminium, une évacuation des calories de manière radiale et
longitudinale, depuis la zone centrale de l'électrode, où la
température est maximale, vers les zones froides, c'est-à-dire la
face interne et la périphérie de l'électrode. Par conséquent,
l'électrode de l'invention est plus résistante notamment au
phénomène de fluage.
Il a déjà été évoqué, précédemment, la composition de
l'alliage de base pour obtenir ladite électrode de l'invention.
Cet alliage comporte du cuivre et du chrome, ce dernier composant
étant présent dans l'alliage dans une proportion supérieure ou
égale à 0,1% et inférieure à 0,4%.
Outre ces deux constituants, l'alliage selon l'invention
comprend également du zirconium dans une proportion comprise de
préférence entre 0,02 et 0,04% en masse. Une telle proportion
permet avantageusement d'éviter de générer des précipités qui
seraient susceptibles de favoriser une fissuration à froid du
matériau.
La proportion de zirconium est, encore plus avantageusement,
comprise entre 300 et 400 ppm, soit entre 0,03 et 0,04%.
Il est également avantageux que l'alliage de base comporte
du phosphore dans une proportion inférieure à 0,015% en masse,
cette proportion étant préférentiellement inférieure à 100 ppm.
Cet élément, qui est à la fois plus désoxydant que le chrome
et moins que le zirconium, facilite une bonne maîtrise de la
teneur en zirconium résiduel lorsque des grandes quantités de
production sont envisagées.
La présente invention est également relative à une électrode
susceptible d'être obtenue par le procédé décrit précédemment.
Comme déjà mentionné précédemment, lesdites électrodes de
l'invention présentent des propriétés microscopiques originales
par rapport aux électrodes traditionnelles.
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Des analyses par microscopie à transmission de la structure
du matériau des électrodes de l'invention, avant et après soudage,
ont permis de mettre en évidence des différences par rapport à la
structure microscopique des électrodes CuZr traditionnelles, et
notamment sur la morphologie des grains cristallins ainsi que sur
les dimensions et la répartition des précipités de chrome.
En particulier, on observe à l'échelle microscopique que le
matériau de l'électrode selon l'invention comporte plus de 90%
des précipités incohérents de chrome qui présentent une surface
projetée inférieure à 11=2.
En outre, à l'échelle nanométrique, on observe, en plus des
précipités de chrome cohérents ayant des dimensions de l'ordre de
2 à 5 nm, une population de précipités de chrome incohérents avec
des dimensions comprises entre 10 et 50 nm, et plus précisément
entre 10 et 20 mn.
Ces précipités de chrome incohérents sont caractéristiques
des électrodes de l'invention et ne sont pas visibles au niveau
du matériau des électrodes CuZr traditionnelles.
En outre, il est à noter que les analyses effectuées ont
également démontré une évolution dimensionnelle de ces précipités
incohérents de chrome, pendant l'étape de soudage de tôles, en
l'occurrence de tôles acier avec revêtement de zinc, au moyen de
l'électrode de l'invention.
En effet, au cours du soudage de tôles acier revêtues de
zinc, on observe une coalescence des précipités à l'approche de
la face active de l'électrode et, plus précisément, des précipités
nanométriques incohérents de 30 à 50 nm dans la couche
et de
100 à 150 nm dans la couche y.
Typiquement, la couche 3 de la couche de réaction chimique
est la plus éloignée de la surface de l'électrode. C'est une
couche jaune de diffusion du zinc dans le cuivre, à 40% de zinc.
En surface, la couche de réaction chimique comporte une couche
riche en fer, typiquement 25%, qui se forme lors du collage de la
tôle acier sur la surface de l'électrode à une température
supérieure à 850 C. Enfin, entre la couche et
la couche riche
en fer se trouve la couche y à 55% de zinc.
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D'autres analyses menées sur les électrodes de l'invention
ont montré que les précipités incohérents de chrome présents dans
la couche y s'enrichissent en fer et, de ce fait, permettent de
bloquer la diffusion du fer.
Enfin, des essais de caractérisation mécanique à chaud ont
également été conduits sur des électrodes obtenues par le procédé
de l'invention. Les résultats de ces essais ont montré que la
température de fluage est augmentée de 100 C avec les présentes
électrodes, par rapport à la température de fluage de certaines
électrodes traditionnelles.
Plus précisément dans le cas de soudage de tôles en acier,
généralement, le fluage de la face active d'une électrode
traditionnelle devient sensible, pendant l'opération de soudage,
à une température de l'ordre de 700 C. En effet, avec
l'adoucissement de surface de l'électrode, il y a fluage de la
surface et fissuration de la couche y, ce qui favorise une
diffusion du fer dans la couche y puis dans la couche sous forme
de précipités FeZn. La couche devient résistive, et s'échauffe
au-delà de 850 C, entrainant la disparition de la couche y. Par
conséquent, la matière de ladite électrode traditionnelle va
commencer à s'arracher au fur et à mesure des points de soudage,
entrainant une dégradation rapide du point de soudure.
Au contraire, pour une électrode selon l'invention, dans le
cas de soudage de tôles en acier, cette température de fluage est
de l'ordre de 800 C, ce qui permet de retarder la sollicitation
mécanique de la couche y, favorisant ainsi le maintien protecteur
de ladite couche y au niveau de la face active de ladite électrode.
De de ce fait, les électrodes obtenues par la mise en uvre
du présent procédé présentent notamment une durée de vie augmentée
et des performances au soudage améliorées.
Afin d'illustrer l'intérêt et les caractéristiques
techniques de l'électrode selon l'invention pour le soudage
résistif de tôles en aluminium, trois exemples comparant la
performance de ladite électrode aux électrodes cuivre-zirconium
(0,15%), utilisées actuellement par les constructeurs automobiles
avec carrosserie aluminium, sont donnés ci-dessous.
=
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Exemple 1 : Essais comparatifs de caractérisation de la
couche de 3 mm à la surface de l'électrode avant et après
traitement thermique
La dureté Brinell (dureté HB) a été mesurée à la surface et
à moins 3 mm de la surface d'une électrode CuZr utilisée
actuellement par les constructeurs automobiles et d'une électrode
selon l'invention, avant et après un traitement thermique de 500 C
appliqué pendant une durée de 8h.
En outre, la conductivité %IACS a également été mesurée pour
ces deux électrodes, avant et après traitement thermique.
La composition de l'alliage qui a été utilisé pour fabriquer
l'électrode qui a été testée est la suivante :
- Cr : 0.2 à 0.3% ;
- Zr : 300 à 400 ppm ;
- P : 80 à 120 ppm ;
- Restant : cuivre et impuretés inévitables dans une
proportion inférieure à 300 ppm avec une somme pondérée <
2000.
Les résultats obtenus lors de ces essais comparatifs sont
récapitulés dans le tableau 2 ci-après.
CuZr Invention
avant TTh après TTh avant TTh
après TTh
dureté HB surface 170 100 155 140
dureté HB surface - 3mm 140 120 150 140
conductivité %IACS - 3mm 86 94 91 93
Tableau 2 :
Comparaison des caractéristiques dureté et
conductivité entre une électrode usuelle CuZr et une électrode de
l'invention avant et après traitement thermique
Les résultats présentés dans le tableau 2 montrent que, en
comparaison avec l'électrode CuZr traditionnelle, les
caractéristiques dureté HB et conductivité %IACS de
l'électrode selon l'invention sont plus constantes entre avant et
après le traitement thermique qui a été appliqué.
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En effet, la surface d'une électrode CuZr neuve, avant
traitement thermique, est moins conductrice que la surface d'une
électrode neuve selon l'invention, avec une conductivité %IACS de
86 contre 91.
Par conséquent, l'électrode traditionnelle CuZr va
s'échauffer de manière plus importante et résister moins bien à
l'adoucissement thermique, ce qui se traduit par une baisse de
dureté après traitement thermique à 100 HB contre 140 HB pour
l'électrode de l'invention.
Une telle différence dans la conductivité conduit finalement
à un fluage de surface plus important pour l'électrode CuZr que
pour l'électrode selon la présente invention.
Exemple 2 : Essais comparatifs de caractérisation de la
couche de surface après soudage
La dureté Brinell (dureté HB) a été mesurée à la surface et
à moins 3 mm de la surface d'une électrode CuZr utilisée
actuellement par les constructeurs automobiles et d'une électrode
selon l'invention, avant le soudage (électrode neuve ) et après
soudage ( fin de soudage ). Pour l'électrode selon l'invention
uniquement, la dureté HB a également été mesurée après 30 points
de soudage.
En outre, la conductivité %IACS a également été mesurée pour
ces deux électrodes, avant et après soudage, et après 30 points
de soudage pour l'électrode de l'invention.
Les résultats obtenus lors de ces essais comparatifs sont
récapitulés dans le tableau 3 ci-après.
CuZr Invention
fin de soudage fin de
neuve soudage neuve 30 pts soudage
dureté HB surface 170 125 155 155 150
dureté HB surface - 3mm 140 150 150 150 150
Conductivité %IACS - 3mm 88 86 90 90 92
Tableau 3 : Comparaison des caractéristiques dureté et
conductivité entre une électrode usuelle CuZr et une électrode de
l'invention avant et après soudage
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Les résultats récapitulés dans ce tableau démontrent
également que l'électrode selon l'invention est beaucoup plus
constante entre avant et après soudage.
L'électrode de l'invention travaille, dans tout son cycle de
fonctionnement, d'une part avec une conductivité plus élevée
(entre 90 et 92 contre 86-88) et d'autre part avec une meilleure
résistance à l'adoucissement. En effet, l'électrode selon
l'invention présente encore une dureté HB de surface de 150 en
fin de soudage alors que l'électrode usuelle a, en fin de soudage,
une dureté de 125 HB.
Les résultats obtenus montrent également que la perte
d'adoucissement sur les électrodes CuZr est localisée en surface.
En effet, la dureté à moins 3 mm de la surface reste sensiblement
constante, de l'ordre de 140-150HB, et la conductivité n'est pas
remontée à 94. Malgré cela, le fluage de surface de l'électrode
CuZr conduit à l'élargissement de la face de contact et à un
diamètre de point soudé insuffisant.
L'électrode de l'invention fonctionne dans un domaine où
elle conserve ses caractéristiques mécaniques.
En particulier, l'électrode de l'invention conserve une
dureté à un niveau élevé, malgré l'échauffement généré dans
l'électrode pendant le soudage, et la résistance au fluage est
ainsi accrue.
Par conséquent, ladite électrode se déforme moins lors du
soudage, permettant à l'utilisateur de gagner en productivité car
la fréquence des décapages mécaniques diminue.
Exemple 3 : Essais comparatifs de performances au soudage
Le troisième essai, en référence à la figure unique annexée,
consiste à comparer la performance au soudage entre une électrode
CuZr usuellement mise en uvre par les constructeurs et une
électrode de l'invention.
Du fait de la meilleure résistance au fluage lors du soudage,
et tous paramètres égaux par ailleurs (en termes de paramètres de
soudage : intensité, temps de serrage,
refroidissement
CA 03087845 2020-07-07
WO 2019/141916 - 28 - PCT/FR2019/000007
notamment), lors du décapage mécanique pour remettre la surface
de l'électrode à l'état initial, on retire 15% de matière en moins
avec l'électrode de l'invention.
La quantité de matière qui est retirée, lors de l'opération
de décapage mécanique, de l'électrode de l'invention 1 correspond
à la partie grisée de la figure 1 ci-jointe. Cette quantité de
matière qu'il convient de retirer est inférieure pour l'électrode
de l'invention 1, en comparaison avec l'électrode classique CuZr
2, cette dernière subissant un fluage important aboutissant à un
élargissement de son extrémité, comme illustré sur la figure 1.
Un cycle correspond au nombre de points soudés avant de
réaliser l'opération de décapage mécanique.
Il est possible, avec l'électrode de l'invention, et sans
changement des paramètres de soudage, d'une part d'augmenter le
nombre de cycles de 15% et, d'autre part, d'augmenter le nombre
de points par cycle de 10%, par rapport au nombre de cycles et au
nombre de points par cycle moyens pouvant être effectués avec une
électrode CuZr utilisée actuellement, avant qu'il soit nécessaire
de procéder au décapage mécanique de ladite électrode de
l'invention pour conserver une qualité optimale du point soudé.
L'électrode de l'invention permet, par conséquent,
d'améliorer la productivité de l'ordre de 27%, sans changer les
paramètres de soudage.
L'électrode de l'invention présente une très grande
stabilité lors des cycles de soudage sur tôle en aluminium, en
mettant en uvre les paramètres de soudage définis spécifiquement
pour une utilisation optimale des électrodes CuZr.
Cela implique que les paramètres de soudage, définis pour
ces électrodes en CuZr, ne dégradent pas la surface de l'électrode
de l'invention, malgré un nombre de points soudés accrus de 27%
avec cette dernière.
Il semble par conséquent évident pour l'homme de l'art qu'une
définition des paramètres de soudage propres à l'électrode de
l'invention permettra une amélioration supplémentaire en termes
de nombre de points soudés.
