Panneaux raidis soudés par friction-malaxage
L’utilisation de panneaux raidis s’est largement développée dans l’industrie. Ces panneaux en aluminium sont composés d’une tôle que l’on appelle la peau et de raidisseurs. Ces raidisseurs présentent l’avantage d’augmenter considérablement la rigidité de flexion de ces tôles en aluminium. Du fait des spécificités mécaniques de ces panneaux, le rivetage ou le soudage MIG ont longtemps été les uniques procédés à disposition des industriels pour assembler ces pièces. Aujourd’hui, le soudage FSW des panneaux raidis se démocratise dans les secteurs industriels de pointe. La technologie de soudage par friction malaxage permet la fabrication de panneaux raidis plus légers et plus résistants.
Définition et spécificités techniques des panneaux raidis
Définition des panneaux raidis
Un panneau raidi est une pièce en aluminium constitué de 2 pièces :
Ces raidisseurs constituent des membrures longitudinales solidaires de la peau sur toute leur longueur. Il existe 2 types de raidisseurs :
Spécificités des panneaux raidis
Les panneaux raidis disposent de caractéristiques techniques particulières qui les rendent difficilement soudables avec les techniques de soudage conventionnelles.
Panneaux raidis en aluminium haute résistance
Les panneaux raidis sont réalisés à partir d’alliages d’aluminium. Dans le domaine de l’aérospatial, les pièces sont essentiellement constituées d’aluminium 2000 ou 7000. Les séries 2000 se caractérisent par une grande robustesse et une forte résistance à la chaleur. La famille d’aluminium 7000 est appréciée pour sa haute résistance mécanique. Ces alliages bénéficient d’excellentes caractéristiques techniques mais sont sensibles à la corrosion. Ces nuances sont également réputées comme difficilement soudables, sauf par FSW.
Dans la construction navale, les panneaux raidis sont fabriqués à base d’aluminium 5000, reconnu pour sa bonne aptitude à la déformation et résistance à la corrosion.
Panneaux raidis de grandes longueurs
Les panneaux raidis sont des pièces métalliques de très grande longueur pouvant aller jusqu’à 12 mètres. L’encombrement de la pièce est un élément à prendre en considération dans le choix de la technique d’assemblage. De plus, lors de l’opération de soudage, un bridage local est indispensable pour tenir ces grands panneaux. Un outillage de bridage spécifique permet le maintien des pièces pendant l’opération d’assemblage.
Panneaux raidis de grandes longueurs : planchers pour ferry – Marine Aluminium Norway
Géométrie des panneaux raidis
Les panneaux raidis en aluminium disposent d’une géométrie particulière (raidisseur en « T », rectangulaire, triangulaire, oméga). Cette particularité géométrique les rend complexes à souder avec les procédés traditionnels.
De plus, les raidisseurs sont réalisés à partir d’une technique appelée « extrusion ». Ce procédé de fabrication mécanique consiste à compresser un matériau dans un format donné sous l’action d’une pression. Les pièces obtenues peuvent présenter des variations de géométrie, d’épaisseur et de planéité. Il est donc indispensable de réaliser l’opération de soudage avec la tête FSW par contrôle d’effort et non par contrôle de position.
Exemples d’usage des panneaux raidis dans l’industrie
Les panneaux raidis sont couramment utilisés dans plusieurs secteurs industriels et civils : aérospatial, génie civil, automobile et naval. En effet, le raidisseur offre différents avantages pour les industries de pointe. Leur atout principal est d’augmenter significativement la rigidité de flexion du panneau tout en garantissant un volume minimum de matériau supplémentaire. Stirweld travaille notamment avec des clients dans le domaine aérospatial et naval pour la fabrication de ces structures raidies.
Panneaux raidis pour l’aérospatial
L’aérospatial est un secteur dans lequel les panneaux raidis trouvent de nombreuses applications. Ces panneaux raidis permettent de remplacer les structures plates de grandes longueurs. Grâce au soudage FSW de ces panneaux raidis, il devient possible d’améliorer les performances spécifiques de la pièce. Le soudage par friction malaxage permet en effet d’éviter le perçage lors du rivetage et ainsi la baisse inhérente de la résistance mécanique (surtout en fatigue en raison de la concentration de contraintes créée par le trou du rivet).
On retrouve des panneaux auto-raidis pour le plancher d’aéronefs et d’avions. Classé comme avion à réaction léger, l’Eclipse 500 était ainsi équipé de panneaux raidis en aluminium.
Les panneaux raidis servent également à la fabrication de réservoirs en aluminium. Ces structures plus petites et plus légères permettent de remplacer les grosses citernes en libérant ainsi de l’espace et en réduisant le poids des équipements.
Panneaux raidis pour l’aérospatial : assemblage par FSW et pliage de profilés en T
Dans le cadre de la transition énergétique, l’utilisation de panneaux en aluminium se standardise pour la construction navale européenne. L’aluminium présente l’avantage d’être un métal léger, non-corrosif et recyclable. Le soudage de panneaux raidis par FSW se développe ainsi dans le secteur maritime.
Les panneaux raidis sont notamment utilisés dans la conception de ponts pour une plus grande durabilité.
400 000m de soudure FSW sans défaut sur un paquebot européen
Procédés d’assemblage conventionnels des panneaux raidis : les assemblages mécaniques
L’assemblage de la peau et du raidisseur, qui composent le panneau raidi, s’effectue la plupart du temps par des procédés d’assemblage mécanique. Les techniques d’assemblage les plus usuelles sont le rivetage et le vissage.
Le collage des métaux est un procédé d’assemblage récent qui se développe également. L’assemblage par collage est employé notamment dans l’industrie aéronautique. Mais cette technique assure une résistance moindre par rapport aux autres procédés mécaniques existants. De plus, le collage de l’aluminium nécessite une propreté extrême des surfaces à coller nécessitant un décapage chimiques polluant et cher.
Enfin, il est très difficile de souder les panneaux raidis par des procédés de soudage classiques à l’arc tels que le TIG ou le MIG : présence de porosité ou de collage dans la soudure, fissuration à chaud de certains alliages d’aluminium non soudables (6000, 2000 et 7000). En effet, les alliages aluminium employés (6000, 2000 et 7000) et la géométrie des pièces nécessitent une technique de soudage plus pointue telle que le FSW. Pourquoi ? Car en FSW, nous n’atteignons pas le point de fusion donc il n’y a pas de risque de porosité, de collage ou de fissuration à chaud.
Assemblage par rivetage des panneaux raidis
Le rivetage est un procédé d’assemblage de deux ou plusieurs pièces entre elles de façon permanente. Les éléments à assembler sont percés afin d’y placer le rivet. Développé en même temps que l’usage intensif de l’acier, le rivetage est le mode d’assemblage définitif le plus connu et réputé. Les principaux atouts de l’assemblage par rivet sont la durabilité de la fixation et sa précision. Contrairement au vissage, le rivetage présente l’avantage qu’aucun filetage ne doit être introduit.
Toutefois, les vibrations et le cyclage en fatigue des structures sur lesquelles sont installés les panneaux raidis peuvent amener une amorce de fissuration dans le trou du rivet. Un contrôle régulier des rivets est donc nécessaire pour garantir la fiabilité de la structure sur le long terme. Le perçage des composants à assembler rend également la pièce sensible à la corrosion.
Assemblage par vissage des panneaux raidis
Le vissage consiste à assembler deux ou plusieurs pièces par compression au moyen d’une vis de fixation.
Comme pour le rivetage, le perçage pour l’assemblage du panneau raidi peut conduire à une faiblesse de la structure finale. En effet, cette technique de fixation implique un perçage qui rend la pièce assemblée vulnérable face à la corrosion et la fatigue cyclique.
Avantages du soudage FSW pour l’assemblage de panneaux raidis
Définition du processus FSW
Le FSW désigne le procédé de soudage par friction malaxage (en anglais, friction stir welding) inventé par The Welding Institute en 1991. Cette technique consiste à assembler, à l’état solide, deux ou plusieurs pièces en les amenant à un état pâteux grâce à un pion mis en rotation.
Cette technologie de rupture a notamment rendu possible le soudage d’alliage d’aluminium réputés insoudables. Le Friction Stir Welding facilite également le soudage de pièces dissemblables, en matière, en géométrie ou en épaisseur.
Le soudage par friction malaxage pour l’assemblage de panneaux raidis
Les deux principales configurations de soudage par friction malaxage sont le soudage par transparence et le soudage bout-à-bout.
Dans le cadre de l’assemblage de la peau et des raidisseurs pour un panneau raidi, le soudage par transparence est le plus fréquemment employé. Pour réaliser une soudure par transparence, les pièces à assembler sont placées les unes sur les autres.
Le soudage par bout à bout peut plus occasionnellement être utilisé en fonction de la géométrie du panneau raidi. Par exemple, on utilise cette configuration de soudage pour assembler plusieurs panneaux raidis ensemble, les uns à côté des autres.
Quelle que soit la configuration de soudage adoptée, les outils standards Stirweld assurent une soudure hautement résistante pour les panneaux raidis. Vous pouvez retrouver nos outils FSW dans notre catalogue outils.
Outillage de bridage local pour un assemblage sans défaut
Avantages du soudage par friction malaxage pour l’assemblage de panneaux raidis
Le soudage FSW offre plusieurs avantages pour la fabrication des panneaux raidis. Cette technologie de rupture trouve ainsi de nombreuses applications dans l’industrie. Les principaux atouts du soudage FSW des panneaux raidis sont la durabilité, l’étanchéité ainsi que son aspect économique et écologique.
Le soudage par friction malaxage est un mode d’assemblage définitif et irréversible. Il présente l’avantage supplémentaire de ne nécessiter ni perçage ni pose d’éléments extérieurs. Cette technique d’assemblage permet donc de conserver l’aspect non corrosif du panneau en aluminium. Une fois soudé et mis en place, le panneau raidi ne requiert pas de contrôle ultérieur pour s’assurer du bon maintien des fixations.
De plus, le soudage par FSW de la peau et des raidisseurs peut s’effectuer beaucoup plus rapidement que par les modes d’assemblage mécanique. Le temps économisé est encore plus notable sur les panneaux de très grandes dimensions.
Le gain de temps est dû au fait que le FSW ne nécessite aucune préparation et aucun dégraissage des pièces avant soudage. De même, une reprise d’usage après soudage n’est pas indispensable. Ces différents atouts du FSW lui confèrent un aspect écologique.
Utiliser le soudage par friction malaxage permet également des économies à l’achat et à la production. En effet, la tête de soudage FSW de Stirweld s’installe sur des machines-outils existantes ce qui représente un coût d’investissement bien moindre qu’une machine spéciale par exemple.
Côté résistance mécanique, le soudage par friction malaxage permet d’obtenir des panneaux raidis, étanches et à haute résistance. Cette technique de soudage innovante préserve les propriétés mécaniques des métaux soudés. En effet, lors d’une opération de soudage FSW, le point de fusion des matériaux n’est pas atteint.
Le FSW permet également de réaliser des panneaux raidis plus larges et plus fins. En effet, la largeur d’un profilé est généralement limitée à 300 mm, largeur maximale d’une filière d’extrusion. Le soudage par friction malaxage permet de passer outre cette limite par le raboutage de plusieurs pièces en aluminium. De plus, l’optimisation du profilé couplée au FSW limite les formes inutiles et assure ainsi des panneaux plus légers et plus résistants.
Qualification de la soudure FSW de panneaux raidis
Afin d’assurer la résistance de la soudure FSW, des contrôles sont réalisés sur des coupons représentatifs pour chaque projet. Il s’agit de réaliser une soudure de 600 mm de long sur une pièce prototype simplifiée. Cet échantillon est à la fois représentatif en termes de nuances d’aluminium et d’épaisseur par rapport au panneau raidi final.
Ces tests sont nécessaires pour définir les 4 paramètres de soudage FSW: outil FSW, vitesse d’avance, vitesse de rotation et force de forgeage.
Des contrôles sont ensuite effectués pour examiner la qualité de la soudure FSW en suivant la norme de soudage FSW ISO 25239.La norme impose ainsi deux coupes macrographiques (« cross section ») ainsi que deux pliages en S. L’examen macrographique du joint soudé permet de s’assurer de l’absence de porosité du panneau raidi. Le test de pliage consiste à tordre la soudure afin de vérifier sa résistance. Ces contrôles sont réalisés à deux reprises le long du cordon de soudure afin de s’assurer de sa qualité sur toute sa longueur.
En parallèle de ces tests de soudage, Stirweld peut mener une étude de prototypage pour l’assemblage des panneaux raidis. Cette phase d’étude permet d’accompagner le client dans l’intégration du FSW à son processus industriel.
L’équipe Stirweld reste ensuite en support lors de la phase d’industrialisation chez le client.
L’assemblage des panneaux raidis nécessite un procédé qui doit allier solidité et capacité à relier des tôles de grandes tailles tout en assurant la résistance et la légèreté des structures.
Le FSW est une technologie d’assemblage mature déjà démocratisée dans l’automobile (bac à batterie), le ferroviaire (flan des voitures), l’aéronautique et le naval (plancher). Cette technique de soudage par friction s’impose aujourd’hui comme une solution pertinente pour la fabrication de panneaux raidis. Stirweld a accompagné des clients tels qu’Ariane pour le soudage FSW des panneaux raidis composant les lanceurs de la fusée Ariane 6.
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