Soudage par résistance

La qualité d’un joint soudé par résistance dépend de plusieurs paramètres, notamment ceux liés à l’EC (le type de matériau utilisé, sa géométrie, sa résistivité), à la pression exercée sur le joint pendant le soudage, la température maximale atteinte dans le joint de même que le temps passé à cette température. Un schéma d’un montage de soudage typique est représenté Figure 1.1.

Figure 1.1 Modèle d’un montage de soudage par résistance

Dans cette partie, l’impact de la géométrie de l’EC, de la température et de la pression sur la qualité des joints soudés vont être discutés.

1.1.1 L’élément chauffant

Le rôle de l’élément chauffant est de fournir assez de chaleur à l’interface entre les deux composites à souder pour que leur matrice dépasse leur point de fusion ou leur température de transition vitreuse (Tg). Il peut être constitué théoriquement de n’importe quel matériau résistif et doit être poreux. Dans la littérature, principalement deux sont utilisés pour souder des composites : les fibres de carbone et un maillage en acier inoxydable.

Les fibres de carbone trouvent leur avantage dans leur compatibilité avec le composite si celui-ci est renforcé avec ces dernières. Cet EC peut être de type unidirectionnel ou tissé mais la répartition de chaleur est meilleure avec le tissé [10]. Les fibres de carbone en tant qu’EC sont peu étudiées aujourd’hui [11] car la répartition de chaleur lors du soudage est souvent non homogène et limite la dimension du joint [12,13]. De plus, l’application d’une pression avec les électrodes a tendance à endommager les fibres donnant une connexion électrique de mauvaise qualité [14,15].

Pour ces raisons, un grillage métallique en tant qu’EC est utilisé préférentiellement depuis la dernière décennie par sa résistance à la pression exercée par les électrodes et par la répartition plus homogène de la chaleur dans le joint. Il est aussi moins sensible aux paramètres de soudage et donne donc une meilleure répétabilité du procédé. Avant le soudage, un film de polymère identique à la matrice du composite est ajouté de chaque côté de l’EC. Cela permet d’avoir une soudure riche en résine et de réduire l’emprisonnement d’air entre les mailles de l’EC [16].

La résistance électrique de l’EC métallique est un facteur important, car elle va déterminer la puissance qui va être fournie dans le joint. Elle va varier par rapport à la finesse du maillage, l’écart entre les mailles et la température. Si pour des fibres de carbone l’augmentation de la température va faire baisser leur résistance, l’inverse se produit pour un maillage métallique.

La puissance fournie peut alors être calculée suivant (1-1)

𝑃 =𝐼²𝑅 (1-1)

avec 𝐼 le courant et 𝑅 la résistance. À courant constant, l’augmentation de la température va faire augmenter la résistance du maillage et donc augmenter la puissance fournie [17].

Figure 1.2 Observation au MEB d’un grillage en acier inoxydable 304 M200

Le diamètre des fils du maillage et la distance entre les mailles (gap) ont un fort impact sur la qualité du joint. Il a été mis en avant par Dubé et al. [15] et Warren et al. [17] qu’un fil trop épais ainsi qu’un gap trop grand donnaient un joint de faible qualité avec l’apparition de porosités à l’interface de l’EC avec la matrice. À l’inverse, un maillage trop fin ne permet pas la diffusion de la matrice polymère entre les mailles et engendre donc des microfissures dans le joint [15,17]. Dans la Figure 1.2, la distance entre les fils (gap) est représentée pour un grillage de type M200 (200 fils/pouce). Le gap est de 0,089 mm et le diamètre de fil de 0,041 mm.

1.1.2 Température

L’augmentation de la température par effet Joule grâce à la résistance va permettre comme vu précédemment de ramollir ou fondre la matrice polymère afin de former le joint. La température doit ainsi atteindre la température de fusion ou de transition vitreuse de la résine

sans être trop élevée pour ne pas la dégrader [18,19]. L’énergie fournie augmente avec temps et donc la température du joint augmente avec le temps.

Il est aussi primordial d’obtenir une température la plus uniforme possible sur toute la surface du joint. Il a été observé à tension constante avec un EC en acier, des différences de température dans le joint, notamment entre le centre et les bords où pénètre l’EC dans le joint [12,15,20,21].

Dans le cas d’un joint de dimension 12,7 mm par 25,4 mm, la fusion de la matrice commence habituellement sur les bords courts du joint avant de se propager vers le centre et finalement terminer par les bords longs comme décrit schématiquement Figure 1.3 [22].

Figure 1.3 Représentation schématique de l’évolution de la matrice fondue pendant le procédé de soudage

Tirée de Hou (1999, p. 44)

Cet effet de bord existe, car la température est supérieure pour un EC à l’air qui va dissiper sa chaleur par convection que dans le joint où elle sera dissipée par conduction plus rapidement.

Cela donnera une mauvaise distribution de la température qui sera plus haute sur les bords du joint [23]. Cela a pour conséquences de baisser la viscosité du polymère qui va fluer hors du joint. Une haute température peut de plus engendrer une dégradation du polymère. La

distribution non uniforme de la température peut être limitée en faisant varier la distance entre le joint et les électrodes appliquant le courant [24].

1.1.3 Pression

La pression est un facteur clé pour obtenir un joint de bonne qualité. Celle exercée sur l’EC aux électrodes d’une part et celle sur le joint. Une pression minimale des électrodes doit être appliquée sur un EC en acier afin d’abaisser la résistance de contact [12]. Le grillage en acier ne craint pas de pression trop forte ce qui permet un bon contact et une bonne répétabilité du procédé.

La pression exercée sur le joint pendant le soudage permet d’atteindre le contact intime à l’interface qui sera suivi de la diffusion du polymère. Le temps durant lequel la pression est exercée sur le joint est variable et va dépendre de la puissance appliquée pour le soudage et de la pression. Elle est exercée à partir du moment où le courant est appliqué et jusqu’au moment où la température du joint passera sous Tg après soudure [15].

Une pression trop faible donnera un joint avec une résistance en cisaillement faible causée par la déconsolidation du joint durant de refroidissement et par de l’air non expulsé [17,22]. À l’inverse, une pression trop élevée déforme le joint par un écoulement excessif de la matrice hors du joint modifiant la position des fibres et réduisant l’épaisseur du joint [25].

1.1.4 Courant/tension

La puissance fournie à l’EC et donc au joint est proportionnelle à la résistance de l’EC (𝑅), au courant (𝐼) et à la tension (𝑉) selon (1-2).

𝑃 =𝑅𝐼 =𝑉𝐼 (1-2)

La puissance passant à travers l’EC est estimée égale à celle fournie par la source d’alimentation [25]. Un courant alternatif ou continu peut être appliqué pour un soudage. À

puissance faible (10 à 75 kW/m²), il y a trop de pertes de chaleur dans l’épaisseur des stratifiés.

À haute puissance (> 130 kW/m²) la matrice risque de se détériorer en raison des grands gradients de température. Il faut alors déterminer une gamme de paramètres permettant une soudure de bonne qualité. Bien que cette fenêtre de paramètres soit unique à chaque matériau, elle se traduit par cinq combinaisons possibles représentées Figure 1.4.

Figure 1.4 Fenêtre de procédé d’un soudage par résistance Tirée de Hou (2001, p. 8)

La région I représente les combinaisons donnant des joints de bonne qualité. Dans la région II, la puissance est trop élevée et il y a une détérioration de la matrice. Dans la région III, il y a une perte de chaleur trop importante dans le stratifié et le montage de soudage et la soudure n’a pas lieu. Les régions IV et V admettent une bonne puissance mais dans le cas de la région IV le temps est trop court et l’énergie fournie est donc trop faible. Pour la région V le temps est trop long, le fondu n’est plus limité seulement à l’interface entre les stratifiés mais est plus profond. La déformation et la géométrie du joint ne sont alors plus contrôlées [12].

Obtenir le bon ratio temps/puissance peut se faire de différentes façons : en appliquant un courant ou une tension constante, avec une rampe de tension ou par impulsions de tension. Un soudage peut se faire en plusieurs fois. L’avantage de réaliser un soudage en plusieurs étapes est de pouvoir souder de grandes surfaces, cela permet aussi une meilleure uniformité de la température dans le joint. À tension constante, la puissance varie, car la résistance de l’EC varie avec la température (positivement ou négativement selon qu’il est en acier ou en fibres de carbone respectivement).

La rampe de tension ne prend pas forcément sa tension initiale à 0 [15] et la tension augmente jusqu’à la fin du soudage. Pour un même temps et une même température finale, cette méthode nécessite une énergie moins importante par rapport à une tension constante ou un soudage par impulsions. La température est également plus uniforme sur la surface du joint qu’en tension constante. Mais à courant constant la puissance augmente proportionnellement avec la résistance à l’inverse de la tension.