La mesure de température : élément essentiel pour une opération de soudage FSW de qualité
Le soudage par friction malaxage (FSW) est une technique de soudage à l’état solide, ce qui signifie qu’on n’atteint pas le point de fusion du matériau. De ce fait, la température de soudage est le paramètre essentiel à maitriser pour obtenir une soudure FSW de qualité.
Bien qu’il existe à ce jour des outils et procédés de mesure de température de soudage, ces derniers ne s’avèrent pas toujours fiables, ce qui peut impacter la qualité de la pièce soudée par FSW.
Suite à ces constats et après de nombreuses années d’études et de mesure, Stirweld a développé et commercialise un tout nouvel outil de mesure de températures de soudage, permettant un contrôle qualité à 100% sur les applications soudées par friction malaxage (FSW).
Les défauts rencontrés selon les paramètres de soudage FSW appliqués
En soudage par friction malaxage, il existe différents type de défauts. Les défauts les plus communs rencontrés en soudage par friction malaxage sont liés à la définition inappropriée des paramètres de soudage. En effet, une soudure de qualité repose sur :
Si ces 4 paramètres sont correctement définis, les défauts de soudage FSW sont évités. Arrive ensuite la température de soudage. En effet, dans le domaine du soudage par friction malaxage, la température de la soudure dépend de deux de ces quatre paramètres : la vitesse de rotation et la vitesse d’avance. Plus l’outil tourne vite et avance lentement, plus la soudure sera chaude. A l’inverse, plus l’outil tourne lentement et avance vite , plus la soudure sera froide.
En soudage par friction malaxage, on relève différents types de défauts en fonction de la chaleur apportée lors de l’opération de soudage (par la vitesse de rotation et la vitesse d’avance) :
Pour empêcher ces défauts, la solution est de trouver le bon ratio entre vitesse de rotation et vitesse d’avance pour ainsi se placer dans la bonne fenêtre opératoire pour une opération de soudage de qualité.
Comme le montre le graphique ci-dessous, une bonne soudure (qui est une soudure sans défaut) est le résultat d’un ratio de bons paramètres utilisés. On parle alors de paramètres définis dans une bonne fenêtre opératoire (vitesse de rotation, vitesse de soudage, géométrie de l’outil et contrôle de force).
- Soudure trop chaude (zone orange) : correspond à la fenêtre opératoire d’un ratio vitesse de rotation trop élevée versus vitesse de soudage faible. Cela entraîne un risque d’apparition de porosités et/ou de trous de ver.
- Soudure trop froide (zone bleue) : correspond à la fenêtre opératoire d’un ratio vitesse de rotation trop faible versus vitesse de soudage trop élevée. Cela peut provoquer des porosités à la racine de la soudure.
- Soudure sans défaut (zone verte) : correspond à la fenêtre opératoire optimale du procédé.
Comment mesurer la température FSW avec les outils existants ?
Il existe actuellement des procédés et des outils de mesure de température de soudage. Chacun de ces outils et procédés s’avère cependant être peu fiable. En effet, nous allons voir que ces derniers ne mesurent pas précisément la température de la chaleur engendrée par le frottement entre l’épaulement de l’outil et la chaleur dégagée sur la pièce soudée alors que ces deux éléments sont cruciaux pour le contrôle de la qualité des soudures FSW.
Mesure de température de soudage FSW par caméra thermique ou infrarouge
Les caméras thermiques et caméras infrarouges sont des outils de mesure de température sans contact, utilisés dans divers cas de figure.
Comme expliqué précédemment, la chaleur dégagée lors d’une soudure par friction malaxage se trouve sous l’épaulement de l’outil, ce qui est invisible dans le champ de vision d’une caméra thermique. De ce fait, on place le champ de mesure se derrière la zone de friction, à quelque millimètre du point de fusion.
L’aluminium étant un très bon conducteur de chaleur, il diffuse la chaleur provoquée par la friction vers le reste de la pièce soudée quasi instantanément. Quelques millimètres suffisent à perdre énormément de chaleur (de l’autre de 150 – 200 °C).
De plus, ce principe de mesure consiste à mesurer la quantité d’infrarouge émis par l’objet en fonction de sa réflectivité. L’’aluminium est également une matière parfaitement réflective. Les rayonnements provoqués par la chaleur sont parfaitement reflétés et rendent la mesure complètement imprécise.
Mesure de température de soudage FSW par thermocouple
Le thermocouple est un instrument de mesure thermique. Une des extrémités du thermocouple est soudée avec des fils de métaux et est mise en contact avec l’élément dont on souhaite mesurer la température. L’autre extrémité est maintenue à une température de référence (20°C).
Pour mesurer la température d’une soudure, le thermocouple est alors placé à l’intérieur de la pièce – ce qui nécessite de percer en amont la pièce puis d’y insérer le thermocouple. Il est à noter que toutes les applications ne peuvent pas être percées. Par ailleurs, l’opération de perçage ajoute un coût à l’opération de fabrication.
Ensuite, comme pour la mesure de température par caméra thermique ou infrarouge, le thermocouple est placé à quelques centimètres de la soudure, ce qui rend la mesure imparfaite. A noter aussi que la chaleur dégagée ne se diffuse pas de façon homogène selon le type d’aluminium utilisé et selon son diamètre.
Le porte-outil intelligent Stirweld : le nouvel outil de mesure de température pour équipements FSW
Le tout premier outil de mesure de température sur équipements FSW commercialisé par Stirweld
Depuis une plusieurs années, Stirweld a étudié les possibilités concernant de nouveaux outils permettant de mesurer directement la température de soudage par friction malaxage.
C’est à la suite de milliers de mesures que Stirweld a développé un algorithme intégré dans un porte-outil, permettant de connaitre la température de la pièce soudée via l’outil de soudage FSW. Ces mesures sont basées sur des milliers de calculs effectués sur différentes nuances d’aluminiums ou sur différentes tailles d’outils.
Le calcul de la température de la pièce se faisant directement sur le point de friction, cela permet de mesurer au bon endroit, sans problème de réflectivité. Aussi, cette mesure propose une répétabilité excellente puisque l’outil mesure la température avec une précision de +/-2,7°C. Aujourd’hui, sur le marché du soudage FSW, cela correspond à une précision de mesure jamais atteinte et octroie donc une fiabilité de mesure de température de soudage incomparable.
Les applications de l’outil à mesure de températures sur les équipements FSW
Contrôle qualité à 100%
Le porte-outil intelligent permet de connaitre instantanément les températures de soudage afin de se situer dans la bonne fenêtre opératoire et d’obtenir une soudure FSW de qualité.
Aussi, nous connaissons à présent la température idéale de chaque application (et donc les vitesses de rotation et d’avance à appliquer) afin d’être le plus performant possible et de contrôler à 100% la qualité des soudures en direct.
Sur le graphique ci-dessous, nous pouvons voir que la température de soudage FSW optimale pour l’aluminium 6060 T6 est de 450°C pour une vitesse de soudage de 3m/min. Ces paramètres sont donc à adopter afin d’éliminer tous risque de défauts pour ce type d’aluminium.
Optimisation de la vitesse de soudage selon la température optimale du procédé
Optimisation des paramètres de soudage
L’autre intérêt est de connaitre en temps réel la bonne fenêtre opératoire est de pouvoir déterminer le meilleur ratio entre la vitesse d’avance et la vitesse de rotation.
Dans le secteur industriel, l’objectif est d’avoir la meilleure productivité possible tout en ayant le moins de perte en termes de coût, de temps et de pièces. e porte-outil à mesure de température permet de trouver rapidement la bonne fenêtre d’application pour souder le plus rapidement possible, sans défauts.
Si l’on dépasse la température de fusion lors de l’opération de soudage à cause d’une vitesse de rotation élevée et une vitesse d’avance faible alors nous nous retrouverons avec des porosités en haut de la soudure. A contrario, si la température diminue trop à cause d’une vitesse de rotation faible et d’une vitesse d’avance élevée, on se retrouvera avec des porosités dans le bas de notre soudure.
L’expertise de Stirweld
Le porte-outil intelligent que nous avons développé chez Stirweld a été pensé par des spécialistes du soudage par friction malaxage. L’outil est conçu pour des composants FSW exigeants tels que les applications spatiales, aéronautiques ou encore automobiles.
Il est possible d’ajouter cette option de mesure de température sur l’ensemble de nos têtes et de nos broches hybrides FSW, conçues pour se monter sur centres d’usinage ou sur robots.
Envie d’en savoir plus ?
Si vous souhaitez en savoir plus sur le porte-outil intelligent qui permet de mesurer la température pendant le processus FSW, n’hésitez pas à nous contacter.
