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Soudage : nouveau départ pour la friction (01/03/2001)

Le procédé Friction Stir Welding (FSW) devrait révolutionner le monde de l'assemblage. L'arrivée sur le marché de machines sur catalogues lui en donne les moyens.

 

 

Peut-on encore faire du neuf avec du vieux ? The Welding Institute (TWI), près de Londres, le plus célèbre centre technique consacré au soudage, le démontre brillamment avec le procédé de soudage par friction baptisée FSW, pour Friction Stir Welding. "Breveté en 1991 au TWI, le procédé FSW est une variante du procédé d'assemblage par friction classique", explique Stephan Kallee, spécialiste au TWI. La friction est en effet utilisée depuis de nombreuses années - et dans plusieurs métiers - pour assembler les métaux. Dans l'industrie automobile, par exemple, on assemble de cette manière les éléments de transmission (raboutage de barres). Pour cette application, les machines d'assemblage par friction sont intégrées dans les lignes de frappe à froid. Le procédé est également prisé dans l'industrie aérospatiale pour assembler des matériaux dissemblables ou dans le forage pétrolier.


Une machine-outil spéciale


Le procédé FSW renouvelle le genre. Le soudage par friction consiste à frotter entre elles deux pièces métalliques. Les surfaces en contact s'échauffent puis se soudent. Le FSW y ajoute un outil doté d'une pointe fine qui pénètre entre les deux pièces préalablement fixées - donc immobiles - et fortement rapprochées. Le passage de l'outil les soude par frottement lorsque les matériaux ont atteint leur point de plasticité. Le procédé est mis en oeuvre sur une machine spécialement conçue ou sur une machine-outil classique (fraiseuse par exemple) dotée d'un système de bridage et d'un outil spécifique.


Les avantages de ce nouveau procédé sont autant techniques qu'économiques. Au plan technologique la liste est longue : une qualité de soudage et une résistance des soudures supérieures à celles obtenues par des moyens classiques; très peu de déformation; l'élimination des travaux de préparation; un état de surface du joint qui réduit ou élimine les travaux de finition...


À cela s'ajoute surtout la possibilité de souder entre eux certains alliages d'aluminium à haute résistance (comme les 2000, les 7000) ou d'autres alliages d'aluminium (tels que les 5000 ou les 6000). Ces alliages très prisés dans l'aéronautique sont en effet très difficiles à souder avec les moyens classiques (le soudage à l'arc par exemple). Cela oblige les constructeurs d'avions à recourir au rivetage pour le fuselage et les ailes. Ici, l'utilisation du FSW réduit la consommation d'énergie mais surtout : "Le temps de cycle est divisé dans certains cas par deux, voire trois, ce qui réduit les coûts de fabrication de près de 40 % par rapport au procédé classique", affirme Christian Boucher, conseiller scientifique à l'Institut de soudure (http://www.institutdesoudure.com).


Très actif dans la diffusion du procédé en France, l'Institut français se dotera d'ailleurs prochainement d'installations dédiées à ce procédé de soudage et à ses diverses applications. En dépit de ces avantages, le FSW ne s'est diffusé que très lentement dans l'industrie depuis les premières démonstrations en 1991. Principale raison de cette lenteur : il devait être mis en oeuvre sur des machines spéciales, ce qui supposait des coûts d'investissements relativement importants en équipements et outillages.


À cela s'est ajoutée la nécessité de reconcevoir souvent les assemblages. Sa totale nouveauté était aussi un frein : des secteurs tels que l'aéronautique demandent à qualifier le procédé avant de l'autoriser ce qui réclame un délai certain. En fait, ce n'est que depuis deux ans qu'un véritable essor de la technologie est envisageable. La raison ? L'apparition des premières machines quasi-catalogue comme les SuperStir du suédois Esab ou les PowerStir de l'anglais Crawford Swift. Avec ces outils, de nouvelles applications industrielles commencent à voir le jour. Dans le domaine aérospatial, bien sûr, mais également dans la construction navale, les transports, etc.


Déformation minime et haute reproductibilité


Ainsi, la société Hydro Marine Aluminium qui fabrique des panneaux en aluminium de catamarans, utilise-t-elle les machines SuperStir dont la longueur de soudage peut atteindre les 16 mètres. Depuis 1996, date à laquelle elle a commencé l'utilisation du FSW, la société norvégienne a soudé quelque 1 700 panneaux pour une longueur totale de soudage de 160 km. Pour Stephan Kallee du TWI, les avantages économiques et techniques ne font pas de doute : " Déformation minime et haute reproductibilité du procédé en font une méthode très attractive pour produire de tels panneaux ", affirme-t-il.


Une autre machine de ce type est utilisée par la société Sapa pour fabriquer le même type de panneaux en aluminium. Ces panneaux, d'une longueur de 14,5 mètres et d'une largeur de 3 mètres, sont utilisés sur les bateaux de pêche pour "presser" les poissons avant congélation. La SuperStir de la Sapa dispose de trois têtes, ce qui autorise le soudage simultané de deux côtés du panneau. La machine offre aussi la possibilité d'utiliser deux têtes positionnées du même côté du panneau et qui partent du centre dans les directions opposées. La productivité est ainsi doublée.


Aux États-Unis, Boeing a mis en oeuvre depuis plus de trois ans cette technologie pour le soudage des fusées Delta (avec une machine Esab) et des avions de combat Phantom (une fraiseuse Cincinnati a été adaptée à ce type de fabrication). Au Japon, de nombreux industriels utilisent le FSW pour fabriquer des pièces auto-mobiles ou les trains à grande vitesse.


Vitesse de 400 mm/min


En parallèle, les recherches se poursuivent activement pour améliorer le procédé et l'appliquer au soudage de pièces en inox, cuivre, titane, magnésium, zinc, plomb... Certains travaux sont très avancés. À la conférence Friction stir welding of transport structures qui s'est déroulée en septembre 2000, les chercheurs ont présenté des résultats encourageants en ce qui concerne le développement des nouveaux outils pour le FSW. Des essais de soudage de pièces en Al-Zn 7075-T7351 (épaisseur de 6,35 mm) avec ces outils ont démontré que l'on peut atteindre une vitesse de plus de 400 mm/min. Soit une fois et demie plus vite qu'avec les outils FSW actuels. On n'arrête pas le progrès...


Le soudage par friction s'accommode des fortes épaisseurs

Le TWI vient de mettre au point un outil qui peut souder en une seule passe des épaisseurs de 6 à 50 mm. Le procédé de soudage par friction mis au point par le Welding Institute met en oeuvre un outil rotatif non-consommable doté d'une pointe spécialement profilée dont la longueur s'adapte à la profondeur de soudage requise.


La base de l'outil, et surtout la pointe, provoquent un échauffement des pièces jusqu'à leur point de plasticité, ce qui provoque le soudage. Cette opération assure la formation d'un véritable joint soudé sur la longueur des deux pièces à assembler. Le matériau utilisé pour l'outil est extrêmement résistant à l'usure et possède des propriétés statiques et dynamiques adaptées aux hautes températures. Ce genre d'outil permet de réaliser au moins 1 000 m de soudure dans de l'aluminium de 5 mm d'épaisseur.


Des efforts importants


Le TWI a aussi mis au point tout récemment un nouvel outil, le MX Triflute, qui peut souder des épaisseurs de 6 à 50 mm en une seule passe. On peut aussi souder en deux passes des épaisseurs atteignant 75 mm. A titre de comparaison, la machine SuperStir d'Esab est limitée à 15 mm en une passe. La fixation des pièces joue un rôle essentiel dans le procédé, car les efforts verticaux, longitudinaux et latéraux sont importants. Le brevet déposé par le TWI est valable jusqu'en 2015 et la licence d'utilisation du FSW revient à 200 000 F/an. (www.twi.co.uk).



Les utilisateurs européens se réveillent

Un projet Eureka, prévu sur 5 ans assurera la diffusion dans l'industrie européenne du procédé FSW. Il associera 48 partenaires appartenant à six pays. Rattraper le retard industriel qu'accuse l'Europe : c'est le principal objectif du projet Eureka EuroStir (European Industrialisation of Friction Stir Welding).


Réduction des coûts de plus de 40%


Paradoxalement, alors que le Vieux Continent a inventé le FSW (au Welding Institute) et possède les ressources techniques les plus importantes dans ce domaine, ce sont les États-Unis et le Japon qui l'utilisent le plus intensément. Ils l'emploient principalement pour la fabrication de véhicules de transport, trains, fusées, navires, avions et autres navettes spatiales. Avec une réduction des coûts avérée de plus de 40% ! Le projet destiné à favoriser l'utilisation du procédé en Europe, se déroulera sur 5 ans et associera 48 partenaires de six pays. Il est doté d'un budget de 6 millions d'euros.


L'Institut de soudure, l'un des partenaires français, étudie déjà la modélisation du FSW. Eads, Alstom Transports, Snecma Moteurs sont aussi concernés. Dans le cadre de ce projet, le Centre de transfert technologique allemand GKSS (http://www.gkss.de) étudie l'industrialisation d'une installation FSW robotisée. Menée en collaboration avec Neos, cette action a débuté en 1998 avec l'installation chez GKSS d'un robot à cinématique parallèle Tricept 805 du constructeur suédois. Un an plus tard, cette installation assurait déjà les premières applications FSW en 3 D. Hautement flexible, cette installation est selon les chercheurs allemands très adaptée à la fabrication des prototypes et des petites séries. Facile à intégrer dans des systèmes de production existants et à adapter aux nécessités de fabrication, le robot peut être utilisé aussi bien pour le soudage que pour d'autres opérations de fabrication (usinage, assemblage, etc.). L'installation du GKSS supportera de multiples études concernant l'utilisation du FSW pour le soudage des formes géométriques complexes (conception des outils, choix des capteurs, contrôle du process, etc.)


Dans les usines américaines et japonaises

Le procédé inventé par le TWI est mis en oeuvre dans différents domaines industriels : aéronautique (soudage des réservoirs, des fuselages, etc.), automobile (assemblage des châssis, des roues, etc.), bâtiment- travaux publics, transports (wagons de TGV), construction navale (coque, pont et structure interne de navires).

Soudage double face de deux pièces en aluminium extrudé d'une épaisseur de 75 mm, le maximum que l'on peut souder aujourd'hui. Deux constructeurs proposent des machines FSW catalogues : Esab (la SuperStir) et Crawford Swift (PowerStir). La seconde est utilisée par British Aerospace Systems pour le soudage des grandes pièces (fuselage, ailes) prototypes en aluminium destinées à des avions comme le nouvel Airbus 380. Cette machine modulaire, mise au point par le TWI est utilisée ici pour le soudage de pièces de grande dimension (jusqu'à 3,4 x 4 m). Soudage de réservoirs pour l'aéronautique de diamètre 1,15 m, avec la même machine que celle de gauche.


EADS passe le procédé au crible

Le groupe aéronautique travaille depuis trois ans sur les éventuelles applications du procédé FSW.

À l'instar de Boeing qui utilise déjà industriellement le FSW pour fabriquer ses lanceurs, Eads développe activement ce procédé. Après une analyse approfondie des applications potentielles, il est sur le point d'acheter une licence d'utilisation au TWI.

Configuration de l'installation de soudage, coûts d'industrialisation du procédé... les ingénieurs du Centre de recherche de Suresnes ont du pain sur la planche. " Le procédé est prometteur, mais il nécessite la mise en oeuvre de moyens spécifiques ", indique François Marie, un des spécialistes chargés de ces développements. Il faut imaginer des systèmes de contrôle non destructifs adaptés.


Attention au bridage


Les constatations des ingénieurs d'EADS sont encourageantes : le procédé apparaît reproductible et robuste avec une préparation avant soudage et une mise en oeuvre simples, des déformations faibles (quelques millimètres pour une longueur de soudage d'un mètre), une absence de fissures et de porosité, une bonne santé générale du joint... Le système de bridage doit être cependant puissant (pour résister à des efforts verticaux de plusieurs tonnes). Les coûts d'industrialisation du procédé ont été eux aussi passés au crible. " Le prix de machines FSW se situe entre 5 et 15 millions de francs suivant l'application visée, le prix de l'outil étant négligeable ", explique le spécialiste d'EADS. Prochaine étape : la mise en place des équipements FSW pour valider les applications éventuelles dans la fabrication des Airbus et des lanceurs.

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