Les exigences de l'automobile poussent la recherche sur le soudage

Ici, nous voyons un 12 pouces. de long et 6 po. paroi d'essai haute de 4 mm d'épaisseur créée à l'aide de ce procédé à faible apport de chaleur. Gerlich y voit une technologie idéale pour remplacer l'utilisation de gros moulages. Université de Waterloo

L'industrie automobile a été un catalyseur pour la recherche sur le soudage dans divers domaines, notamment l'assemblage d'aciers à haute résistance et l'assemblage de métaux mixtes. De nouvelles recherches menées par l'Université de Waterloo en collaboration avec Liburdi devraient aider certaines applications automobiles, mais aussi le soudage de tuyaux en acier inoxydable et les procédés de fabrication additive à l'arc.

« Le travail que nous avons effectué avec Liburdi vise à développer une forme de contrôle du soudage à l'arc plus cohérente et plus performante », a déclaré Adrian Gerlich, professeur au département de génie mécanique et mécatronique de Waterloo et membre du Waterloo Centre for Automotive Research. . Gerlich et son équipe d'associés de recherche, qui comprennent Emanuel dos Santos et Paulo Costa Assuncao, ont optimisé un ensemble de paramètres de contrôle de l'arc. « Fondamentalement, il s'agit d'un mode de transfert de matériau pulsé amélioré pour le soudage à l'arc de matériaux sensibles.

Liburdi appelle son processus de transfert de métal en court-circuit contrôlé le processus de "transfert par immersion". Ce qui rend le processus unique, c'est le faible apport de chaleur qu'il produit.

"L'apport de chaleur est de 0,1 kJ par millimètre", a déclaré Gerlich. "Dans les applications d'acier à haute résistance, qui sont essentielles pour l'industrie automobile, nous pouvons obtenir un dépôt de congé extrêmement uniforme avec un apport de chaleur si faible que la distorsion sera minimisée, ce qui signifie moins de dommages et de dégradation de l'acier environnant. En observant les microstructures, vous voyez exactement ce que vous attendez d'une soudure à l'arc typique. Mais l'apport de chaleur est environ la moitié de celui de la plupart des autres processus avancés de transfert de métal par court-circuit.

L'avantage secondaire de ce processus à faible transfert de chaleur est une très faible éclaboussure.

"Les gouttelettes sont déposées quelques centaines de fois par seconde, et vous n'observez pratiquement aucune éclaboussure, aucun métal n'est éjecté au cours de ce processus", a déclaré Gerlich. "Cela signifie une finition beaucoup plus propre."

Le faible apport de chaleur est proche de la plage de soudage au laser, selon Gerlich.

"Les lasers ont tendance à atteindre un apport de chaleur compris entre 0,05 kJ et 0,15 kJ par millimètre sur ces aciers, donc c'est juste dans cette timonerie", a-t-il déclaré. "L'avantage du soudage à l'arc, bien sûr, est que vous n'avez pas les mêmes exigences pour les enceintes de sécurité, l'ajustement des pièces et les tolérances sont plus élevées dans le soudage au laser, avec un coût beaucoup plus faible."

Bien que précieux dans les applications automobiles, Gerlich voit ce processus de transfert de chaleur très faible avoir l'impact le plus immédiat dans le soudage des tuyaux en acier inoxydable.

«Là où vous avez des défis industriels, c'est que lorsque vous soudez à l'arc des matériaux plus épais, comme dans la tuyauterie (¼ po à 1 po), une soudure en acier inoxydable nécessitera généralement un gaz de purge interne», a déclaré Gerlich. "Vous devez boucher intérieurement les extrémités du tuyau et purger le volume intérieur avec du gaz de protection argon pour l'empêcher de s'oxyder et de se colorer à la chaleur à la racine intérieure de la soudure.

Ici, nous voyons un exemple de soudure d'essai sur un tuyau en acier inoxydable à partir de la racine intérieure du tuyau. Image: Rob Pistor / Liburdi

"La chose intéressante à propos de ce mode de soudage à l'arc que nous avons développé est qu'il donne un apport de chaleur si faible qu'il ne teinte pas à chaud l'intérieur du tuyau, même sans gaz de protection. Pour tous ceux qui doivent faire ce type de soudage, cela représente une économie de coût astronomique.Une fois que vous devez purger avec du gaz de protection, vous avez besoin de certifications supplémentaires pour manipuler les bouteilles, vous avez le coût supplémentaire de l'argon, des règles de sécurité supplémentaires telles que les permis pour travailler dans des espaces confinés lorsque les tuyaux sont installés sur un module complexe. Toutes ces choses contribuent au coût de votre projet."

L'autre application que les chercheurs de Waterloo ont examinée pour ce processus de dépôt à faible chaleur est la fabrication additive à l'arc filaire dans l'acier. Les chercheurs ont mené une étude et ont pu obtenir une structure murale de 12 pouces de long, 6 pouces de haut et 4 mm d'épaisseur. En utilisant une torche refroidie à l'eau, les chercheurs ont également pu obtenir une base de dureté plus élevée et une plus grande résistance à la traction qu'avec du métal refroidi naturellement.

"Avec l'additif d'arc de fil, l'avantage avec un faible apport de chaleur est moins de distorsion, moins de risque de fissuration et d'autres imperfections potentielles", a déclaré Gerlich. "Il vous permet de relier les capacités des machines de fusion à lit de poudre ultra-haute précision et de la coulée et de l'usinage conventionnels. Bien sûr, vous n'obtenez pas la précision géométrique obtenue dans un lit de poudre car vous devez déposer au moins 4 mm épaisseur de paroi, mais nous examinons des applications où vous construisez des composants d'une taille comprise entre 1 pied et plusieurs mètres, des constructions qui remplacent les pièces moulées. Les grandes pièces moulées en acier inoxydable, par exemple, peuvent être très coûteuses et nécessiter de longs délais. Cela peut prendre jours pour construire une telle pièce en utilisant un fil d'arc additif, mais c'est encore souvent plus rapide que d'attendre des semaines pour un moulage."

Au-delà de cette étude particulière, les exigences requises pour accélérer le déploiement des véhicules électriques ont un impact sur les pistes de recherche explorées, à Waterloo et ailleurs.

"Les véhicules électriques nécessitent un réoutillage de toutes les capacités autour du soudage de l'aluminium", a noté Gerlich. "En raison de l'allègement nécessaire à la fabrication des boîtiers pour batteries électriques, essayer d'obtenir un volume de production très élevé, une soudure aluminium répétable et de haute qualité est devenu une préoccupation majeure. Outre le contrôle de qualité habituel, il existe également d'autres préoccupations. comme la nécessité d'avoir une enceinte avec un joint hermétique, ce qui est difficile à réaliser et une exigence à laquelle la plupart des magasins ne sont pas habitués."

Gerlich a noté que bien que le soudage par friction-malaxage soit un outil très efficace à utiliser dans de telles applications, en raison de sa vitesse et de la rétroaction fournie par les forces au travail pour indiquer une bonne soudure, le manque d'une large sélection de fournisseurs de technologie signifie que de nombreux constructeurs automobiles préfèrent s'appuyer sur le soudage à l'arc, ou une combinaison de soudage à l'arc et de soudage au laser, pour pouvoir accéder à davantage de fournisseurs de solutions.

Gerlich prévoit que la recherche dans ce domaine se développera et se poursuivra rapidement au cours des prochaines années.

Le rédacteur en chef Robert Colman peut être joint à [email protected].