Conclusion

En résumé, les robots industriels sont des machines polyvalentes utilisées principalement pour l’automatisation industrielle afin d’améliorer la flexibi- lité, la productivité et la qualité des produits. D’autres raisons favorisant l’utilisation de robots industriels sont l’élimination des travaux désagréables et dangereux et la réduction des coûts. En effet, la commande et le contrôle du mouvement d’un système robotique sont les compétences clés pour fabri- quer le robot, augmenter et développer ses performances, améliorer la sécurité lors de son utilisation, introduire de nouvelles fonctionnalités et réduire les coûts [16] et [17]. Par conséquent, il est certainement nécessaire de développer continuellement des méthodes de contrôle et des modèles mathématiques afin de répondre aux exigences de plusieurs applications industrielles, comme, par exemple, améliorer les performances d’un robot industriel pour réaliser une tâche, à moindre coût et sous des contraintes plus complexes demandées par l’application.

Les modèles géométriques permettent de calculer la position et l’orienta- tion de l’organe terminal d’un robot dans l’espace par rapport à ces positions angulaires. Il existe différents modèles géométriques pour définir l’orientation d’un outil dans l’espace comme par exemple, la représentation de roulis-

tangage-lacet. Cette méthode a été utilisée dans ce travail afin de déterminer l’orientation de l’outil de FSW dans l’espace.

La modélisation cinématique sert à calculer les vitesses de translation et de rotation de l’outillage dans l’espace en fonction des vitesses de mouvement du moteur de chaque articulation du robot.

Les robots considérés dans ce travail sont des robots industriels séries à chaines ouvertes. La chaine cinématique de ces robots peut être considérée avec n + 1 corps rigides séparés par n articulations flexibles. Les n corps et la base sont reliés entre eux par n articulations rotoïdes. Chaque articulation est actionnée par un moteur électrique.

Concernant la modélisation des robots industriels flexibles, la déformation peut être distribuée le long des corps et/ou localisée au niveau des articula- tions [79]. Dans certain cas, la déformation peut être distribuée dans les deux en même temps. Mais généralement, c’est celle aux articulations qui domine.

Chapitre 3

La robotisation du procédé de

friction malaxage

3.1

Description

3.1.1

Définition de procédé FSW

Le procédé FSW est un procédé de soudage par friction-malaxage bre- veté, développé en 1991 par The Welding Institute (TWI). Ce procédé permet d’assembler deux pièces sans fusion de matière et sans atteindre la tempéra-

ture de fusion du matériau des pièces à souder Tf. Les liaisons métallurgiques

sont généralement obtenues à 80% ou 90% de Tf [34].

Outil particulièrement conçu pour tourner et parcourir la ligne commune entre les deux pièces à souder, l’échauffement par friction généré par la ro- tation adoucit localement le matériau qui se consolide après le passage de l’outil en formant un joint continu après solidification, à partir d’une impor- tante déformation plastique [34].

Pour la réalisation du soudage par cette technologie, les pièces à souder doivent être positionnées de proche en proche sur une enclume et solidement bridées afin d’éviter les mouvements lors du procédé, en raison des impor- tantes forces requises lors du soudage, voir la figure 3.1. Il existe plusieurs manières de bridage : mécanique, hydraulique ou par dépression. Plus de dé- tails sur le principe du procédé et les outils utilisés sont cités dans les travaux de recherche de [62] et [115].

En 1997, Thomas a établi un concept d’enclume mobile, afin d’augmen- ter la productivité du procédé FSW en fournissant un support en dessous de

Figure 3.1 – Fixation des pièces à souder

l’outil. Par conséquence, il a élargi le champ d’application de cette technolo- gie en assurant des opérations d’assemblage continu de pièces longues [97].

Figure 3.2 – Le côté avance et le côté retrait

On nomme le côté avance le coté de la pièce où le sens de rotation de l’outil est le même que le sens de soudage. Le côté retrait est le coté de la pièce où ces deux sens sont opposés [37]. Ceci conduit à l’asymétrie du cordon de soudage de part et d’autre du joint. Cette asymétrie est traduite par le fait que les propriétés du traction du côté retrait sont plus importantes que celles du côté avance [54].

3.1.2

Le principe de fonctionnement

L’outil utilisé est composé d’un épaulement et d’un pion. Cet ensemble est mis en rotation afin de chauffer les deux pièces à souder par frottement [35]. Le pion pénètre dans le matériau de la pièce jusqu’à ce que l’épaulement touche et presse contre la surface des pièces à souder. La combinaison entre la déformation plastique de la matière et le frottement augmente la chaleur jusqu’à ce que la température de soudage désirer soit atteinte. Ceci adoucit la matière et l’outil se déplace vers l’avant le long du joint en mélangeant localement le matériau plastifié et créant ainsi un cordon de soudage à l’état solide.

Figure 3.3 – Le principe du procédé FSW [38]

3.1.3

Les avantages de FSW

Le soudage par FSW présente plusieurs avantages par rapport aux autres techniques de soudage. C’est un soudage sans fusion de matière, donc sans soufflure, ni fissuration à chaud, ni inclusion. Il n’y a également pas de métal d’apport, ni de dégagement de fumée ou de gaz lors de l’assemblage. De plus, il possède des caractéristiques mécaniques très élevées :

• il permet d’améliorer la robustesse du processus et la durée de vie des pièces soudées,

• les joints soudés par FSW se caractérisent par une grande résistance[23], • les contraintes résiduelles au niveau de pièces soudées sont faibles,

• la ligne soudée reste chimiquement homogène ce qui diminue la corro- sion.

De plus, l’équipement utilisé pour ce procédé est simple, ce qui nécessite peu de qualification et peu de maintenance pour assurer son fonctionnement. Le procédé est propre, peut être facilement automatisé, moins dangereux que d’autres procédés de soudage, et ne nécessite pas une préparation com- plexe avant le soudage. L’absence de fusion du matériau de base apporte des avantages métallurgiques et mécaniques en comparaison avec le soudage conventionnel : le risque de craquage de solidification, qui est généralement un problème rencontré lors du soudage habituel de certains alliages d’alu- minium, est totalement évité. Un autre avantage peut aussi être cité : une faible distorsion liée à un faible échauffement pendant le procédé de soudage. Grâce à tous ces avantages, FSW possède un potentiel industriel très impor- tant. Cette technique d’assemblage a trouvé des applications dans une grande variété d’industries, notamment l’automobile, les transports et surtout l’aé- rospatiale.

3.1.4

Les inconvénients de FSW

Les soudures possibles en utilisant ce procédé restent aujourd’hui limi- tées à des types de soudage simples : une pièce sur une autre, bord à bord ou soudage en T. D’autre part, les vitesses de soudage par ce procédé sont très faibles. En outre, une des limitations du procédé FSW est le comportement mécanique de l’outil utilisé lors du soudage. En effet, pendant le soudage par FSW, l’outil permet non seulement de chauffer localement le matériau des pièces aux températures d’assemblage, mais aussi d’appliquer une action mécanique du forgeage. Pour cette raison, sa matière doit être capable de supporter, sans déformation ou usure excessive, à la fois les hautes tempéra- tures ainsi que les fortes charges de forgeage. Par conséquence, la majorité des applications industrielles utilisant le soudage FSW est limité au soudage des matériaux à faible température d’assemblage. Parmi ceux-ci, le matériau le plus soudé en utilisant cette technologie est l’aluminium. Presque toutes les gammes d’alliages d’aluminium ont été soudées avec succès en obtenant des joints à haute qualité, par exemple 1xxx, 7xxx, Al-Li, etc. Bien évidem- ment, puisque chaque type d’aluminium est métallurgiquement distinct, ces différents alliages présentent différentes caractéristiques d’assemblage et de forgeage. Ainsi, le traitement pour chaque type peut varier. Cependant, des assemblages à haute intégrité ont été obtenus dans toutes les classes. Au vu de ces résultats, FSW a connu un succès dans les secteurs d’application travaillant avec ce métal, contrairement aux autres types de matériaux. Par

conséquent, plusieurs recherches ont été réalisées sur la qualité des matériaux et la géométrie de l’outil utilisé pour le soudage, afin de résoudre ces pro- blèmes et améliorer la qualité de soudage pour d’autres types de matériaux.

3.2

Les étapes de FSW

Il y a trois étapes principales, pour souder par FSW :

3.2.1

Phase de plongée

Dans une première phase, l’outil est soumis au contact des deux pièces à assembler. Sa rotation entraine un échauffement local, ce qui provoque un ramollissement de la matière et permet la pénétration dans le joint.

3.2.2

Phase de soudage

A la fin de la phase de plongée et lors du déplacement, l’outil est soumis à l’action d’un effort d’appui très élevé, qui peut aller jusqu’à 10 kN Suite au frottement généré par la rotation et l’application de cette force, le matériau passe à un état pâteux qui facilite l’avancement de l’outil.

3.2.3

Phase de retrait

A la fin du soudage, l’outil remonte verticalement : c’est la phase de retrait. FSW peut laisser ou non un trou à l’extrémité du joint, selon la technologie de l’outil utilisé, c’est pourquoi il faut tenir compte de cette contrainte dès la phase de conception des pièces.