FR3097716A1 - Pion à souder creux pour assemblage de deux matériaux différents - Google Patents
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Abstract
Procédé d’assemblage d’une tôle (40) et d’une pièce métallique à base de fer (80) comprenant une étape de mise en place avec rétention par la tôle d’un pion creux, par poinçonnage traversant de la tôle (40) avec un fût dudit pion creux (10), une pastille (70) se détachant de la tôle (40), une collerette du pion venant en butée contre la surface de la tôle (40) une fois le poinçonnage traversant effectué, ou par surmoulage dudit fut dans la tôle (40), puis une étape de soudure d’un cylindre métallique du pion (10) sur la pièce métallique à base de fer (80) par mise en contact d’une extrémité libre (24) du cylindre métallique avec la surface de la pièce métallique à base de fer (80) et soudure par résistance électrique (90). FIGURE 6
Description
L’invention concerne l’assemblage de matériaux de nature différente, non soudables directement par résistance. Les structures visées sont en particulier celles des véhicules automobiles, comme la caisse, pour contribuer à leur allègement et à la réduction des émissions de gaz à effet de serre. L’invention concerne par exemple l’assemblage mécanique d’une tôle en acier avec une tôle en un alliage d’aluminium comme Al-Si-Mg ou Al-Si-Mg-Mn, ou en un matériau composite, ou en polymère thermoplastique avec ou sans renforcement par des fibres. Il est connu d’utiliser des rivets et une soudure électrique, mais les tiges des rivets ne sont pas retenues par la tôle poinçonnée, ce qui complique l’utilisation avant la soudure. Qui plus est, et cela est un problème majeur, les têtes des rivets alourdissent le montage.
L’invention concerne ainsi un pion à souder creux pour permettre l’assemblage mécanique de tôles de nature différente avec une prise de masse induite par le pion à souder réduite au maximum pour atteindre l’objectif de l’allègement des véhicules automobiles. Ainsi, l’élément d’assemblage est un pion qui est, de par son facteur de forme, retenu par la tôle poinçonnée, ce qui facilite l’utilisation avant la soudure. De plus, le caractère creux du pion allège significativement le montage, ce qui constitue une avancée sensible.
Pour atteindre cet objectif il est proposé un procédé d’assemblage d’une tôle et d’une pièce métallique à base de fer comprenant une étape de mise en place avec rétention par la tôle d’un pion creux, par poinçonnage traversant de la tôle avec un fût dudit pion creux, une pastille se détachant de la tôle, une collerette du pion venant en butée contre la surface de la tôle une fois le poinçonnage traversant effectué, ou par surmoulage dudit fut dans la tôle, puis une étape de soudure d’un cylindre métallique du pion sur la pièce métallique à base de fer par mise en contact d’une extrémité libre du cylindre métallique avec la surface de la pièce métallique à base de fer et soudure par résistance électrique. Selon une autre définition, l’assemblage se fait avec une étape de poinçonnage traversant de la tôle avec un cylindre creux - ou tube - en métal conducteur d’électricité dont une extrémité présente un évasement qui vient en butée contre la surface de la tôle une fois le poinçonnage traversant ou le surmoulage effectué, puis une étape de soudure du cylindre métallique creux sur la pièce métallique à base de fer par mise en contact d’une extrémité libre du cylindre métallique creux opposée à l’évasement avec la surface de la pièce métallique à base de fer et application d’une électrode de soudure par résistance électrique sur l’embouchure de l’évasement.
Le pion à souder creux selon l’invention permet de :
traverser une tôle métallique, composite, ou thermoplastique, avec des épaisseurs inférieures ou égales à 4mm, puis de permettre un maintien solidaire rigide de la tôle avec le pion après poinçonnage ou surmoulage, tout en offrant au moins une partie accessible voire saillant sous forme d’un anneau entourant un creux, ou d’une portion d’anneau, soudable par résistance électrique,
réaliser une tôle métallique, composite, ou thermoplastique équipée d’un ou de plusieurs pions à souder creux selon l’invention, prête à être soudée localement par résistance électrique sur une seconde tôle majoritairement constituée de fer -acier, acier inoxydable voire éventuellement dans des applications différentes, de la fonte -, de manière à réaliser un assemblage mécanique robuste entre deux matériaux ne pouvant pas être directement soudés ensemble par résistance électrique.
Selon des caractéristiques avantageuses et optionnelles
- l’électrode de soudure par résistance électrique est dimensionnée et appliquée de telle sorte que tous les secteurs angulaires de l’embouchure de l’évasement sont utilisés simultanément pour transmettre l’énergie pour la soudure ;
- le cylindre creux (tube) en métal est préalablement formé par emboutissage et découpe d’une tôle d’acier faiblement allié d’épaisseur 0,5, 1 ou 2 mm ;
- la pièce métallique à assembler est reliée à la masse électrique.
Il est aussi présenté, dans le cadre de l’invention, une tôle pour assemblage mécanique pré-équipée d’un pion creux comprenant un cylindre creux (tube) traversant en métal conducteur d’électricité, qui sur une face de la tôle présente un évasement qui vient en butée contre la surface de la tôle et qui sur l’autre face de la tôle présente une extrémité libre. La tôle retient le pion creux.
Selon des caractéristiques avantageuses et optionnelles
- il peut s’agir d’une tôle d’alliage d’aluminium, ou d’une tôle en polymère thermoplastique avec ou sans renfort fibreux, notamment un renfort fibreux à fibres longues, ou d’une tôle en matériau composite à matrice organique ou céramique avec ou sans renfort fibreux, notamment un renfort fibreux à fibres longues ;
- le cylindre métallique creux (tube) peut être en acier faiblement allié embouti ;
- la matière du cylindre métallique creux peut être maintenue à l’écart de la matière de tôle par un cylindre supplémentaire du pion, l’extrémité libre du cylindre métallique creux dépassant d’une extrémité libre du cylindre supplémentaire ;
- le cylindre supplémentaire peut être en acier inoxydable, en acier trempé, ou encore en matériau non métallique réfractaire à la chaleur ;
- le cylindre métallique creux et le cylindre supplémentaire peuvent être assemblés par soudure, colle, bridage ou déformation plastique entre des collerettes terminales respectives des cylindres du côté de l’évasement, ou encore bloquée l’une par rapport à l’autre par insertion entre une surface interne du cylindre supplémentaire et une surface externe opposée du cylindre métallique creux d’une cale d’épaisseur, ou encore par la présence sur le diamètre interne du cylindre supplémentaire de parties saillantes radialement favorisant un encastrement du cylindre supplémentaire autour du cylindre métallique creux ;
L’assemblage peut comprendre une isolation électrique entre la matière du cylindre métallique creux et la matière du cylindre supplémentaire ;
Il peut comprendre un écartement, selon un développement cylindrique et sur la hauteur du cylindre en métal conducteur d’électricité, entre la matière du cylindre métallique creux et la matière du cylindre supplémentaire
- l’extrémité libre du cylindre métallique creux peut être lisse, ou présenter un chanfrein intérieur ou extérieur, ou présenter une ondulation sur son périmètre, ou présenter des créneaux sur son périmètre.
L’invention consiste aussi en un assemblage d’une tôle et d’une pièce métallique à base de fer comprenant un pion creux (tube) comprenant un cylindre en métal conducteur d’électricité traversant la tôle et dont une extrémité présente un évasement en butée contre la surface de la tôle, le cylindre métallique creux étant soudé sur la pièce métallique à base de fer. Elle s’étend à un véhicule automobile dont une structure inclut au moins un assemblage selon l’invention.
Il est aussi proposé un procédé de réparation d’un assemblage ou d’un véhicule automobile selon l’invention, la tige d’un pion métallique conducteur composé et d’une tête et d’une tige de longueur choisie pour la réparation étant placée dans le creux dudit cylindre en métal conducteur d’électricité, la tête étant appuyée contre l’évasement du cylindre et une électrode de soudure électrique étant appliquée sur la tête pour souder la tige à la tôle.
L’invention va maintenant être décrite en relation avec les figures.
Référence 1 : conformation du contact entre la surface annulaire de l’extrémité du fût et la surface supérieure de la tôle,
Référence 2 : déformation élastique de la tôle jusqu’à l’effort critique de poinçonnage Fe,
Référence 3 : déformation plastique de la tôle jusqu’à l’effort critique de poinçonnage Fp,
Référence 4 : poinçonnage de la tôle,
Référence 5 : glissement de la surface externe du fût sur la surface interne du poinçonnage
Référence 6 : contact de la surface inférieure de la collerette sur la surface supérieure de la tôle et augmentation brutale de l’effort de poinçonnage.
Compte tenu de l’absence de découplage thermique entre la pièce 20 et la tôle 40 après poinçonnage – il y a un contact entre la surface externe du fût et la surface interne, ou tranche, de la tôle dans sa zone poinçonnée -, cette méthode d’assemblage est plus indiquée pour l’assemblage de deux tôles métalliques que d’une tôle 40 composite ou thermoplastique sur une tôle 80 majoritairement à base de fer.
La montre aussi les courbes d’effort pour quatre essais de poinçonnage d’une même tôle en alliage d’aluminium de 2 mm d’épaisseur caractérisée par une résistance mécanique de 250 MPa. Les quatre essais mettent en évidence la bonne reproductibilité du poinçonnage avec un effort critique Fp voisin de 9 000 N, que l’opération soit réalisée lentement ou rapidement. Une fois le poinçonnage effectué, le pion peut difficilement être déboutonné de la tôle, car son facteur de forme lui permet d’être retenu par la tôle poinçonnée : compte tenu de l’épaisseur de celle-ci, le pion est suffisamment large pour être retenu.
Les différentes parties de la figure 11 présentent les différentes étapes de l’assemblage d’une tôle en alliage d’aluminium d’épaisseur 2 mm sur une tôle en acier à l’aide du pion à souder creux selon l’invention, sous forme de coupes micrographiques après enrobage dans une résine et polissage.
Dans le cas d’une rupture dans la tôle en alliage d’aluminium, l’effort appliqué causant la rupture dépend directement de la résistance mécanique de la tôle d’aluminium et de la section résistante au cisaillement. Ainsi, dans le cas d’une tôle en alliage d’aluminium d’épaisseur 2 mm avec une résistance mécanique de 250 MPa et une section résistante au cisaillement de 30 mm², par exemple, l’effort causant la rupture est égal à 7 500 N. Dans un cas d’application réel, au niveau de la caisse d’un véhicule par exemple, ni la rupture du pion creux à souder, ni la rupture d’une des tôles de l’assemblage n’est souhaitée. Le résultat de l’essai présenté permet de garantir que le pion à souder creux résiste à un effort maximal de 7 500N, satisfaisant les exigences pour une application d’assemblage hybride automobile.
Les pièces creuses interne 20 et externe 30 présentent respectivement des collerettes 21 et 31, et des fûts cylindriques creux 22 et 32 dont les axes de symétrie 60 et 61 sont perpendiculaires aux surfaces supérieure 33 et inférieure 26 des collerettes 31 et 21, respectivement, ces deux surfaces étant des anneaux plans.
La surface supérieure 33 de la collerette 31 présente une surface annulaire 38 en contact avec la surface inférieure 26 de la collerette 21, de manière à ce que les collerettes 21 et 31 puissent être assemblées mécaniquement par apposition. Le diamètre intérieur Di32 du fût externe 32 est strictement supérieur au diamètre extérieur De22 du fût interne 22 de manière à ce que la surface interne 39 du fût externe 32 ne soit jamais en contact avec la surface externe 25 du fût interne 22. Cela a la conséquence de générer un volume vide 100 entre les fûts des pièces externe 30 et interne 20. La longueur L22 du fût 22 est nécessairement plus grande que la hauteur totale – mesurée de la surface supérieure de la collerette au bout du fût- de la pièce 30, somme de la longueur L32 du fût 32 et de l’épaisseur e30 de la collerette de la pièce externe 30, pour que le pion à souder creux 10 présente une surface annulaire saillante 24, extrémité du fût interne 22 dépassant du fût externe 32.
Idéalement, lors de l’assemblage des pièces externe 30 et interne 20, les fûts 32 et 22 présentent le même axe de symétrie 63, de manière à ce que la distance séparant les surfaces 39 et 25 soit constante pour créer un volume vide 100 ayant une symétrie de révolution autour de l’axe 63. La séparation peut être de 0,5mm au minimum, par exemple 1 mm, à adapter en fonction de la mise en œuvre exacte.
L’opération de poinçonnage/rétention peut être reproduite sur différentes zones de la tôle 40 en fonction de la spécification technique du futur assemblage avec la tôle 80.
L’opération de soudage par résistance pour l’assemblage des tôles 40 et 80 est similaire à celle décrite pour le premier mode de réalisation du pion à souder creux, en utilisant la surface annulaire 24 de la pièce interne 20 pour faire la soudure. De préférence, on utilise un acier faiblement allié avec une bonne soudabilité pour cette pièce interne 20, comme l’acier C10, l’acier DC01, ou l’acier 17B2. A l’inverse l’acier utilisé pour la pièce externe 30 est de préférence un acier inoxydable pour éviter la corrosion au contact d’une tôle en matériau composite à fibres de carbone, notamment.
Toutefois, une différence est observée. Lors du soudage par résistance, le volume vide 100, naturellement rempli d’air, fait office de résistance thermique et permet de protéger la tôle 40 contre une montée en température trop importante qui pourrait nuire à ses propriétés mécaniques, notamment lorsque la tôle 40 est constituée d’un matériau composite ou thermoplastique. Le volume vide 100 permet également l’écoulement sous l’effort F1 de la matière du fût 22 de la pièce interne 20 rendue plus molle, adoucie, lors du soudage par résistance.
La possibilité de déformer plastiquement le fût 22 lors de l’opération de soudage résistif permet de compenser les éventuelles variations d’épaisseur de la tôle 40 et de générer un assemblage mécanique robuste et peu sensible à la relaxation en service.
L’utilisation de deux pièces externe 30 et interne 20 pour la réalisation du second mode de réalisation du pion à souder creux permet de combiner des matériaux différents pour les deux pièces et d’éviter le développement d’une corrosion galvanique de l’assemblage, en cas d’association d’un composite à fibres de carbone avec une tôle en acier en présence d’humidité pendant la phase d’utilisation. Avec le second mode de réalisation du pion à souder creux selon l’invention, la pièce externe 30, en contact avec la pièce en matériau composite à fibres de carbone peut être fabriquée avec un acier inoxydable alors que la pièce interne 20 en contact avec la pièce en acier est fabriquée avec un acier faiblement allié pour garantir la qualité de la soudure par résistance. Dans ces conditions, la durabilité et la résistance mécanique d’un assemblage entre une tôle en matériau composite à fibres de carbone et une seconde tôle en acier est garantie.
Dans un autre exemple, la pièce externe 30 peut être fabriquée dans un acier déformable et ayant subi après mise en forme un traitement thermique de trempe éventuellement suivi d’un revenu de manière à augmenter fortement ses propriétés mécaniques. Dans ces conditions, la pièce externe 30 permet un poinçonnage facilité de la tôle 40, alors que la pièce interne 20, en acier doux, permet un soudage de qualité avec une tôle 80 majoritairement constituée de fer.
Dans un autre exemple, la pièce externe 30 peut être fabriquée avec un matériau réfractaire avec une résistance mécanique élevée de manière à faciliter le poinçonnage et à réduire au maximum l’échange thermique entre la pièce externe 30 et la tôle 40 lors du soudage de la pièce interne 20 sur une tôle 80 majoritairement constituée de fer.
La pièce 120 de l’exemple précédent peut être remplacée par un traitement de surface isolant, résistant à la température, et localisé au niveau de la surface supérieure 33 de la collerette 31. Un tel traitement de surface peut être élaboré par voie sèche - PVD, projection thermique, par exemple - et peut être constitué d’un oxyde réfractaire par exemple, comme Al2O3.
La présence d’une pièce intermédiaire 120 ou d’un traitement de surface localisé ne doit pas empêcher l’assemblage mécanique des pièces 20 et 30. Dans ces conditions des assemblages comme présentés sur les figures 15, 16 et 17 peuvent être envisagés.
Pour les deux modes de réalisation de pion à souder creux, l’extrémité libre du fût 22 ou 32 faisant l’objet de la soudure sur la tôle d’acier peut présenter un chanfrein intérieur, ou une ondulation (une vague), ou des créneaux sur son périmètre, ou toute autre forme ne nuisant par à l’opération de poinçonnage, mais permettant de réduire la surface de contact avec la tôle 80 en acier lors du soudage par résistance. Dans ces conditions, l’intensité du courant de soudure peut être réduite ainsi que l’échauffement des différentes pièces traversées par le courant.
L’expérience montre que les fûts chanfreinés ou avec des ondulations se comportent bien lors du poinçonnage, même avec des tôles dont la résistance mécaniques est supérieure à 300MPa, alors que les créneaux en bout de fût ont tendance à s’écraser lors du poinçonnage.
L’extrémité 24 du fut 22, à l’opposé de la collerette 21, peut avantageusement présenter un double chanfrein de manière à augmenter la résistance de contact lors de la soudure avec la tôle en acier 80 et donc à réduire l’intensité du courant de soudure.
Dans ce qui précède, on a évoqué l’introduction du pion à une ou deux pièces dans la tôle en matériau non électriquement conducteur par poinçonnage avec dépastillage, et rétention du pion. Alternativement, si la tôle en matériau non électriquement conducteur est fabriquée par moulage ou compression de type laminage, thermocompression, estampage, ce qui est aisément le cas si le matériau est un matériau polymère thermoplastique, une résine thermodurcissable ou un matériau composite comprenant des fibres tissées imprégnées d’une résine polymérique, alors le pion ou, si le pion est en deux pièces, la pièce externe du pion (le cylindre supplémentaire) peut être introduit dans la tôle dès sa prise en forme à chaud, par surmoulage. Le pion (ou la pièce externe du pion si le pion est en deux pièces) est alors retenu par la contraction du matériau autour du fut lors du refroidissement.
Cette fabrication par insertion du pion lors de la fabrication de la pièce se conçoit notamment avec le pion à deux pièces, la pièce externe offrant une protection thermique au matériau polymère ou composite pour l’étape de soudure électrique. On précise que la pièce interne du pion peut être présente lors du surmoulage, ou être introduite plus tard.
L’invention s’applique notamment au secteur automobile, pour l’assemblage de pièces de carrosserie ou de caisse en acier et en alliage d’aluminium, ou pour l’assemblage de pièces en acier et en matière polymère, ou composites.
Claims (13)
- Procédé d’assemblage d’une tôle (40) et d’une pièce métallique à base de fer (80) comprenant une étape de mise en place avec rétention par la tôle d’un pion creux, par poinçonnage traversant de la tôle (40) avec un fût dudit pion creux (10), une pastille (70) se détachant de la tôle (40), une collerette du pion venant en butée contre la surface de la tôle (40) une fois le poinçonnage traversant effectué, ou par surmoulage dudit fut dans la tôle (40), puis une étape de soudure d’un cylindre métallique du pion (10) sur la pièce métallique à base de fer (80) par mise en contact d’une extrémité libre (24) du cylindre métallique avec la surface de la pièce métallique à base de fer (80) et soudure par résistance électrique (90).
- Procédé d’assemblage d’une tôle et d’une pièce métallique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’électrode de soudure par résistance électrique (90) est dimensionnée et appliquée de telle sorte que tous les secteurs angulaires du cylindre métallique sont utilisés simultanément pour transmettre l’énergie pour la soudure.
- Tôle pour assemblage mécanique retenant un pion creux comprenant un cylindre creux traversant en métal conducteur d’électricité (20), qui sur une face de la tôle présente un évasement (21) qui vient en butée contre la surface de la tôle (40) et qui sur l’autre face de la tôle présente une extrémité libre (24) pour soudure de la tôle à une pièce métallique à base de fer.
- Tôle pour assemblage mécanique selon la revendication 3, caractérisée en ce qu’il s’agit d’une tôle d’alliage d’aluminium (200), ou d’une tôle en polymère (220) avec ou sans renfort fibreux, notamment un renfort fibreux à fibres longues, ou d’une tôle en matériau composite à matrice organique (210) ou céramique avec ou sans renfort fibreux, notamment un renfort fibreux à fibres longues.
- Tôle pour assemblage mécanique selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisée en ce que le cylindre métallique creux (20) est en acier faiblement allié.
- Tôle pour assemblage mécanique selon l’une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que la matière du cylindre métallique creux (20) est maintenue à l’écart de la matière de la tôle (40) par un cylindre supplémentaire (30) du pion, l’extrémité libre (24) du cylindre métallique creux dépassant d’une extrémité libre (34) du cylindre supplémentaire (30).
- Tôle pour assemblage mécanique selon la revendication 6, caractérisée en ce que le cylindre supplémentaire (30) est en acier inoxydable, en acier trempé, ou encore en matériau non métallique réfractaire à la chaleur.
- Tôle pour assemblage mécanique selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisée en ce que le cylindre métallique creux(20) et le cylindre supplémentaire (30) sont assemblés par soudure, colle, bridage ou déformation plastique entre des collerettes terminales respectives (21, 31) des cylindres du côté de l’évasement, ou encore bloquée l’une par rapport à l’autre par insertion entre une surface interne du cylindre supplémentaire et une surface externe opposée du cylindre métallique creux d’une cale d’épaisseur (110) ou encore par la présence sur le diamètre interne du cylindre supplémentaire de parties saillantes radialement (131) favorisant un encastrement du cylindre supplémentaire autour du cylindre métallique creux (20).
- Tôle pour assemblage mécanique selon l’une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce qu’elle comprend une isolation électrique (120) entre la matière du cylindre métallique creux et la matière du cylindre supplémentaire.
- Tôle pour assemblage mécanique selon l’une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce qu’elle comprend un écartement, selon un développement cylindrique et sur la hauteur du cylindre en métal conducteur d’électricité, entre la matière du cylindre métallique creux (20) et la matière du cylindre supplémentaire (30).
- Tôle pour assemblage mécanique selon l’une des revendications 3 à 10, caractérisée en ce que l’extrémité libre du cylindre métallique creux (20) est lisse, ou présente un chanfrein (240), ou présente une ondulation sur son périmètre (241), ou présente des créneaux sur son périmètre (242).
- Assemblage d’une tôle (40) et d’une pièce métallique à base de fer (80) comprenant un pion creux comprenant un cylindre creux en métal conducteur d’électricité (20) traversant la tôle (40) et dont une extrémité présente un évasement (21) en butée contre la surface de la tôle (40), le cylindre métallique creux (20) étant soudé par résistance électrique sur la pièce métallique à base de fer (80).
- Véhicule automobile dont une structure inclut au moins un assemblage selon la revendication 12.
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