Soudage explosif: applications et variantes
Après avoir lu cet article, vous apprendrez: - 1. Description générale du soudage par explosion 2. Principe de fonctionnement du soudage par explosion 3. Modes de fonctionnement 4. Variables de traitement 5. Propriétés du joint de soudure 6. Variantes 7. Applications.
Description générale de la soudure explosive:
L'assemblage de composants de grande taille en métaux difficiles à souder est soudé par soudage par explosion. Des joints métallurgiques forts peuvent être produits entre des pièces du même métal ou des métaux différents, par exemple, les aciers peuvent être soudés au tantale bien que le point de fusion du tantale soit supérieur au point de vaporisation de l'acier.
Dans de nombreux composants critiques utilisés dans les applications spatiales et nucléaires, le soudage par explosif est utilisé pour leur fabrication, car ils ne peuvent pas être fabriqués par un autre processus, ce qui s'avère souvent être le procédé le moins coûteux dans certaines applications commerciales. Cependant, la plupart des soudures explosives sont effectuées sur des sections ayant une surface relativement grande bien que, dans certaines applications, de petits composants soient également fabriqués par ce procédé.
Principe de fonctionnement de la soudure explosive:
La nature de l'interface entre les composants impactants dépend de la vitesse à laquelle ils se heurtent. Une interface plate est formée si la vitesse de collision est inférieure à la valeur critique pour une combinaison particulière de matériaux à souder. De telles soudures ne sont pas considérées comme bonnes car une faible variation des conditions de collision peut entraîner un manque de liaison et donc une soudure inacceptable.
Les soudures effectuées avec des vitesses de collision supérieures à la valeur critique ont une interface ondulée comme le montre la figure 13.24, l'amplitude des vagues variant entre 0, 1 et 4, 0 mm et la longueur d'onde de 0, 25 à 5, 0 mm, en fonction des conditions de soudage. Les soudures avec une telle interface ont de meilleures propriétés mécaniques que celles avec une interface plate.
Dans de telles soudures, on observe également un phénomène connu sous le nom de projection de surface, de sorte qu'un petit jet de métal est formé à partir des métaux des deux composants d'impact, comme indiqué sur la figure 13.25. Un tel jet est librement expulsé au bord du joint, cependant, s’il est piégé, il produira un effet d’ondulation.
Dans la configuration de soudage par explosion illustrée à la Fig. 13.26, la vitesse d’impact devient la vitesse de la plaque V p ; elle doit être suffisamment élevée pour que la pression d’impact dépasse de beaucoup la limite élastique du matériau. La vitesse du point de collision, V cp, c'est-à-dire la vitesse à laquelle le point de collision se déplace le long de la surface à joindre, doit également être inférieure à la vitesse du son dans les deux matériaux.
La relation entre les différentes vitesses est illustrée dans le diagramme vectoriel de la figure 13.27, dans laquelle Vis est la vitesse d'impact, V j, la vitesse du jet, V b la vitesse de la plaque de base et a est l'angle d'incidence qui devient l'angle de séparation réel g. comme indiqué à la Fig. 13.28.
Les soudures explosives sont réalisées par l’un ou l’autre des deux montages illustrés à la Fig. 13.29. Il est préférable de réaliser les soudures avec une configuration parallèle de composants dans laquelle une seule plaque est accélérée. Dans une telle configuration, la vitesse de détonation de l'explosif doit être inférieure à la vitesse du son dans le matériau à assembler afin de satisfaire à la condition selon laquelle la vitesse du point de collision, V cp, doit être subsonique. Il est toutefois difficile de remplir cette condition avec la plupart des explosifs, comme le montre le tableau 13.2.
La vitesse de détonation de l'explosif doit être inférieure à environ 120% de la vitesse sonique, V s du matériau étant soudé.
où k = masse adiabatique, dynes / cm 2,
p = densité du matériau, gms / cm 3
E = module de Young, et
σ = coefficient de Poisson.
Si la vitesse sonique de l'explosif est supérieure à 120% de la vitesse sonique du matériau avec une vitesse sonique supérieure, une onde de choc se développe. Il en résulte une augmentation extrêmement forte de la pression maximale. (La pression maximale à l'interface est égale à la pression de détonation de l'explosif).
Dans un tel cas, le matériau situé juste en face de l'onde de choc ne subit aucune pression, tandis que le matériau situé juste derrière l'onde de choc est comprimé jusqu'à la pression et la densité maximales. L'onde de choc traverse le matériau à une vitesse supersonique, crée localement une déformation plastique importante et entraîne un durcissement considérable, appelé durcissement par choc.
Le deuxième type de détonation se produit lorsque la vitesse de détonation est comprise entre environ 100% et 120% de la vitesse sonique du matériau à souder. Il en résulte une onde de choc détachée qui se déplace légèrement avant la détonation.
Lorsque la vitesse de détonation est inférieure à la vitesse sonique du métal, la pression générée par les gaz en expansion et transmise au métal se déplace plus rapidement que la détonation. Bien qu'aucune onde de choc ne soit produite, la pression montante atteint sa valeur maximale.
Dans les cas 2 et 3, c’est-à-dire les cas d’ondes de choc détachées et d’absence d’ondes de choc, une pression est générée en amont du point de collision des plaques métalliques. Si une pression suffisamment élevée est générée, le métal juste avant le point de collision s'écoulera sous forme de jet dans l'espace entre les plaques. Ce jet à haute vitesse efface le matériau qui élimine les oxydes indésirables et autres films superficiels indésirables. Au point de collision, les surfaces métalliques nouvellement nettoyées impactent à haute pression, généralement entre 0, 5 et 6 GPa.
De plus, une quantité importante de chaleur est générée lors de la détonation de l'explosif. Cependant, comme la détonation est terminée en quelques centaines de microsecondes, une très petite partie de celle-ci s'écoule dans le métal. Ainsi, il n’ya pas de diffusion en masse et une soudure avec une fusion uniquement localisée est produite.
Il est donc préférable d'utiliser une configuration angulaire dans laquelle la vitesse du point de collision est fonction de la vitesse de la plaque et de l'angle de maintien initial, alors qu'elle ne dépend qu'indirectement de la vitesse de détonation V D, comme le montre la relation suivante.
La vitesse de la plaque V p est liée à la masse de la plaque et de l'explosif, ainsi qu'à l'impulsion (par unité de masse) de l'explosif. La connaissance de ces paramètres V p peut donc être calculée.
Dans la configuration angulaire, la longueur d'onde des ondulations est directement liée à la vitesse du point de collision; tandis que la forme des ondulations dépend de la vitesse de la plaque. Les ondes à crête sont le plus souvent produites avec une vitesse de plaque élevée. Par exemple, dans le soudage d’aluminium avec un angle de séparation fixe, l’augmentation de la vitesse de la plaque de 260 m / s à 410 m / s entraîne le passage d’une onde sinusoïdale à une onde très inclinée en dents de scie. De plus, en augmentant l'angle d'écartement de 0, 75 ° à 4, 5 °, la longueur d'onde est passée de 110 à 150 heures.
La hauteur des ondulations varie également avec l'angle de sécurité. Aucune variation d'ondes n'a été signalée pour les soudures en acier avec des angles compris entre 1 ° et 15 °, mais le pas et l'amplitude augmentaient avec l'angle. Pour un angle d'écartement entre 15 ° et 20 °, l'interface est devenue complètement plate, au-dessus de 20 °, aucune soudure n'a été produite.
Les conditions d’impact pour l’installation de plaques parallèles sont liées par l’équation suivante:
où V cp est la vitesse du point d'impact ou de collision qui est égale à la vitesse de détonation (V D ) de l'explosif, on appelle y l'angle de courbure dynamique. Il s’agit de l’angle créé entre les plaques circulaire et cible au point d’impact, alors que V p est la vitesse de collision des plaques au point d’impact.
Typiquement, la vitesse de détonation est comprise entre 1 200 et 3 800 m / s, en fonction du métal à souder. La distance de sécurité, qui est une variable indépendante comme V D, est sélectionnée pour obtenir un angle de courbure dynamique et une vitesse d'impact spécifiques.
L'angle de courbure dynamique est une variable dépendante contrôlée par la vitesse de détonation (V D ) et la distance de sécurité. Les valeurs typiques pour y sont comprises entre 2 et 25 degrés. Il en résulte une vitesse de collision des plaques au point d’impact (V p ) d’environ 200 à 500 m / s.
Un aspect important de la soudure par explosif est le modèle d'écoulement dans la région du point de collision. Dans des conditions d'écoulement subsonique, le métal se comporterait comme un fluide compressible non visqueux. En raison de la formation de jet, les films d'oxyde et les gaz absorbés sont complètement éliminés de la soudure. Cependant, lorsque le jet devient instable, les gaz et les films d'oxyde peuvent être piégés; cela semble se produire avec un nombre de Reynold supérieur à 50. Lorsque le jet est piégé, il peut en résulter une couche continue de métal fondu de 1/2 à 250 pm d'épaisseur ou la formation d'une interface ondulée comportant souvent des zones fondues localisées à l'avant. de la crête.
Méthodes de fonctionnement de la soudure explosive:
La Fig. 13.29 illustre les installations de soudage explosives et comprend quatre éléments de base:
1. plaque cible,
2. plaque de Flyer,
3. plaque tampon, et
4. Explosif et un détonateur.
La plaque cible reste immobile et s'appuie souvent sur une enclume de grande masse. Lorsque l'explosif a explosé, il propulse la plaque circulaire vers la plaque cible. Pour protéger la plaque circulaire des dommages de surface dus à l'impaction et pour contrôler la vitesse du point de collision, une mince couche de caoutchouc ou de PVC ou même de panneaux de particules est placée entre celle-ci et l'explosif afin de servir de tampon ou d'atténuateur.
L'explosif peut être sous forme de feuille mais généralement sous forme granulaire et s'étaler uniformément sur la plaque tampon. La force exercée par la plaque de déclenchement due à une explosion dépend des caractéristiques de détonation et de la quantité d'explosif. Le soudage est terminé en microsecondes avec très peu de déformation globale, voire aucune. Généralement, l'opération de soudage est effectuée à l'air, mais il est parfois possible d'utiliser un vide approximatif d'environ 1 torr, c'est-à-dire 1 mm de mercure ou 133, 322 x 10 -6 N / mm 2 .
Pour le soudage par explosif, il est nécessaire de communiquer une vitesse subsonique (V p ) à la plaque circulaire. Cela doit être fait avec un explosif qui a souvent une vitesse de détonation relativement constante d’environ 6000 m / s. Le poids de l'explosif requis pour un travail de soudage spécifique est déterminé par essais et erreurs, et il semble exister une relation linéaire entre le rapport (poids de l'explosif / poids de la plaque circulaire) et la vitesse de la plaque circulaire, V p . Un rapport de 0, 5 donne une vitesse de plaque de 900 m / s pour l'explosif en feuille Du Pont EL 506 D utilisant une fine couche de caoutchouc comme tampon. Pour réussir le soudage par explosif, il est nécessaire que les vitesses des deux plaques soient similaires, ce qui nécessite que l’angle d’inclinaison entre elles soit faible, comme illustré à la Fig. 13.30. Avec des angles faibles, la vitesse d'impact requise pour produire des ondes à l'interface devient plus grande.
Lorsque le soudage par explosion est effectué à la pression atmosphérique normale, le gaz entre les plaques procure un effet amortisseur qui non seulement nécessite une vitesse minimale plus élevée, mais peut également entraîner des résultats incohérents. Pour souder l’aluminium sous vide à environ 1 mm de Hg, la vitesse de collision doit être d’environ 150 à 300 m / s, avec un angle compris de 1 ° à 2 °. Pour accélérer les plaques soudées à cette vitesse, la distance de maintien doit être égale à 1/4 à 1/2 fois l'épaisseur de la plaque, comme indiqué sur la figure 13.30.
La distance de sécurité est maintenue par l'utilisation d'une cale d'épaisseur. Il existe de nombreux types de cales conçues pour être consommées par le jet afin de ne pas nuire à la soudure.
Si l'angle effectif atteint par la plaque circulaire est trop petit, la vitesse sera très supersonique et aucune onde ne se formera à l'interface. Idéalement, la vitesse de détonation de l'explosion devrait être subsonique. Cependant, il est rarement possible dans la pratique que les vitesses de détonation soient supérieures à 5 500 m / s, tandis que la vitesse du son dans l'acier, l'un des plus élevés parmi les métaux, n'est que de 5 200 m / s, comme indiqué dans le tableau 13.3.
Aucun traitement de nettoyage de surface spécial n'est requis pour le soudage par explosion. cependant, la graisse, si présente, à la surface doit être enlevée. La saleté ou l'oxyde, s'il est présent en excès, s'accumule près des crêtes des rides et peut réduire la résistance de l'articulation.
La pression correspondant à une vitesse de plaque de 120 m / s sur cuivre est de 2400 N / mm 2 et pour une vitesse de 220 m / s sur aluminium, elle est de 6200 N / mm 2 . Ces pressions sont suffisantes pour forcer le métal à traverser les fissures dans le film d'oxyde et pour le souder. Il a également été signalé que même lorsque les surfaces en acier inoxydable 18/8 et en acier doux étaient recouvertes d'une couche adhérente d'oxyde noir, elles étaient soudées de manière satisfaisante avec l'interface ondulée souhaitée.
Problème 1:
En utilisant un rapport en poids de (poids de l'explosif / poids de la plaque circulaire = 0, 3), la vitesse de la plaque circulaire est de 540 m / s. Trouvez l'angle de la plaque circulaire par rapport à la plaque cible (a) de sorte que la vitesse du point de collision (V cp ) reste subsonique (<5000 m / s) pour le soudage de plaques d'acier à l'aide de l'explosif en feuille de Du Pont ayant une vitesse de détonation de 7100 m / s. .
Solution:
Problème 2:
Choisissez un explosif approprié parmi les trois donnés dans le tableau ci-dessous pour le soudage par explosion de plaques en aluminium avec un angle inclus de 2 °, si la vitesse de la plaque circulaire doit être de 900 m / s. La vitesse du son en aluminium est de 5500 m / sec.
Variables de processus en soudage explosif :
Les principales variables du processus de soudage par explosion sont:
(i) vitesse d'impact,
(ii) distance de sécurité, et
(iii) Angle d'approche.
(i) Vitesse d'impact:
La vitesse d’impact dépend du rapport entre le poids de l’explosif et celui du poids de la plaque circulaire ainsi que de l’angle de contact. Pour chaque matériau, il existe une vitesse minimale en dessous de laquelle le soudage n'a pas lieu. Par exemple, le cuivre ne peut pas être soudé à des vitesses inférieures à 120 m / s et l'aluminium à des vitesses inférieures à 255 m / s.
La vitesse maximale qui peut être utilement utilisée pour le soudage par explosif est déterminée par la vitesse du son dans le matériau de la plaque cible car aux vitesses supersoniques, la vague dans la cible ne peut pas se propager en avant du front de collage. De plus, la vitesse près du bord de la pièce à usiner est réduite, ce qui soulage la pression dans de telles zones; cela peut conduire à un soudage insatisfaisant près des bords du travail lorsque la vitesse quasi minimale est utilisée.
La vitesse minimale pour tout matériau est déterminée par la magnitude à laquelle le matériau de projectile devient suffisamment plastique lors de l’impact pour former un jet divisé. Différents explosifs entraînent des vitesses différentes et il faut donc dûment prendre en compte le choix de l'explosif.
La vitesse de détonation et la sensibilité au danger sont deux propriétés importantes des explosifs destinés au soudage. Ce dernier affecte la sécurité de la manipulation car il fait référence à la stabilité thermique, à la durée de stockage et à la sensibilité aux chocs de l'explosif.
Alors que la vitesse de détonation est proportionnelle à la densité de l'explosif, la pression générée est proportionnelle à la fois à la densité et à la vitesse de détonation. La vitesse de détonation d'un explosif dépend de son épaisseur, de sa densité de remplissage ainsi que du matériau passif mélangé à l'explosif afin de réduire sa vitesse de détonation.
Certains des explosifs couramment employés pour donner les taux de détonation souhaités incluent:
(i) un mélange d'aluminium atomisé au nitrate d'ammonium et au TNT,
ii) palettes de nitrate d'ammonium contenant 6 à 12% de carburant diesel,
(iii) nitroguanidinne plus matériau inerte,
(iv) Amatol et sodatol avec 30 à 55% de sel gemme.
(ii) Distance de sécurité :
L'augmentation de la distance de sécurité augmente l'angle d'approche entre la plaque circulaire et la plaque cible. Cela se traduit par une augmentation de la taille de la vague qui atteint un maximum puis diminue à mesure que la distance de sécurité augmente. En parallèle, une distance de sécurité comprise entre ½ et 2 fois l’épaisseur de la plaque circulaire est normalement utilisée; la distance de sécurité la plus faible est utilisée avec un explosif ayant une vitesse de détonation élevée.
(iii) angle d'approche :
Pour réussir le soudage explosif, l'angle d'impact ou d'approche doit généralement être compris entre 5 ° et 25 °. Avec une configuration parallèle, cet angle ne peut se développer que s'il existe une distance de sécurité appropriée. Lors du soudage tube à tube, un angle approprié est obtenu en effilant l'orifice de la plaque à tube, comme indiqué sur la Fig. 13.31.
Propriétés du joint de soudure du soudage explosif :
Les propriétés de joint d'une soudure explosive sont affectées selon que l'interface est formée par un jet piégé entraînant des ondulations ou par le jet libre entraînant l'expulsion totale d'une mince couche interfaciale. La technique du jet piégé est préférée car elle se traduit par une interface étendue pouvant atteindre près de 75% de la longueur.
Il a été signalé que des pépites fondues se trouvaient enfoncées devant et parfois juste derrière la crête de la formation d’ondes interfaciales. Il semble y avoir dans ces zones un important mélange de métaux dissemblables conduisant à des particules détachées d’un métal dans l’autre, ou à la production de solutions solides ou de composés intermétalliques. Le jet libre peut donner une zone interfaciale à coulée continue telle que le cuivre. Le jet libre est capable de provoquer l’expulsion complète de la zone métallique interfaciale.
Sur l'aluminium, un angle d'écartement de 10 ° peut donner une interface quasi invisible à l'état solide dont toutes les traces peuvent être éliminées par recuit, tandis qu'un écartage parallèle donne une interface ondulée avec une couche interfaciale sombre non affectée par le recuit.
La dureté interfaciale des soudures en cuivre est passée de 65 à 150 VHN, tandis que les soudures acier doux à cuivre ont entraîné un durcissement plus important du cuivre puis de l'acier, tandis que le cuivre était trempé de 60 à 160 VHN et l'acier trempé de 120 à 160 VHN. L’acier inoxydable a atteint une dureté de 400 VHN, probablement en raison de la formation de martensite, tandis que le cuivre auquel il était soudé a augmenté sa dureté de 60 à 150 VHN.
Il est évident que des phases hors équilibre peuvent être produites lors du soudage par explosion et que des vitesses de déformation élevées entraînent des vitesses de diffusion très élevées; De plus, les phases produites sont sensibles au mode de fonctionnement exact et aux variables de processus utilisées.
Variantes de soudage explosif:
Le soudage par points explosif est peut-être la seule variante du procédé. Dans ce processus, une petite charge explosive est utilisée pour joindre des métaux difficiles à souder,
Une soudeuse par points à main explosive robuste et compacte pesant environ 5 kg peut être utilisée pour produire des soudures atteignant environ 10 mm de diamètre. Le courant électrique est utilisé pour allumer la charge et l'unité est dotée de plusieurs verrouillages de sécurité. Des capsules explosives PTN (pentaery thritetranitrate) de différents poids sont disponibles pour une utilisation avec le capuchon standard.
Généralement, l'explosif est en contact direct avec la pièce à souder. Cependant, des disques tampons en plastique peuvent être fournis pour protéger la surface de travail, le cas échéant. La distance de sécurité peut être modifiée si nécessaire, mais la pratique normale est de contrôler la force explosive en utilisant une charge explosive aussi petite que possible.
La plupart des métaux techniques peuvent être soudés par soudage explosif, mais ce procédé est particulièrement efficace pour le soudage d’aciers inoxydables austénitiques à des alliages à base de cobalt destinés à être utilisés dans des applications à haute température, ainsi que pour joindre des alliages à base de nickel tels que Inconel et nickel. Les alliages d’aluminium peuvent également être soudés par points facilement à condition de nettoyer la couche d’oxyde tenace au maximum 4 heures avant le soudage.
Le soudage par points explosif peut s'avérer indispensable pour les applications spatiales telles que les réparations d'urgence des engins spatiaux ou même pour le montage de dispositifs dans l'espace.
Applications du soudage explosif:
La soudure explosive est un procédé spécialisé utilisé pour les joints à recouvrement dans les métaux difficiles à souder et leurs combinaisons. L'aluminium et le cuivre peuvent être soudés à l'acier inoxydable, l'aluminium aux alliages de nickel et l'acier inoxydable au nickel. L'aluminium peut être soudé au cuivre et l'acier inoxydable au laiton. Le collage de l'aluminium sur l'acier est compliqué par la formation d'une couche de FeAl 2 à l'interface.
Cependant, cela peut être corrigé en intercalant une couche intermédiaire en métal compatible avec ces deux métaux ou en sélectionnant les paramètres de manière à réduire l'étendue de la diffusion qui se produit à travers l'interface. La résistance des soudures dépend de la structure de l'interface, mais une soudure qui n'a pas d'interface fragile donne généralement une efficacité de 100% en cisaillement ou en traction.
En général, les métaux dont l’allongement est égal ou supérieur à 5% sur une longueur jauge de 50 mm et une résistance aux chocs charpie en encoche en V de 13, 5 joules ou plus peuvent être soudés par soudage par explosion. Normalement, la résistance et la dureté augmentent et la ductilité diminue à la suite d'un soudage par explosion. Ceci est dû à une déformation plastique sévère rencontrée en particulier dans la plaque circulaire. Le soudage explosif peut également augmenter la température de transition ductile-fragile de l'acier au carbone.
Le bardage de plaques est l'une des principales applications commerciales de la soudure par explosif. Les plaques plaquées sont livrées en tant que condition soudée car la dureté interfaciale accrue n’affecte pas les propriétés techniques des plaques. Une légère déformation des plaques peut se produire pendant le revêtement, ce qui doit être corrigé pour répondre aux spécifications de planéité standard. Des rouleaux ou une presse peuvent être utilisés à cet effet.
Le revêtement des cylindres à l'intérieur et à l'extérieur se fait par soudure explosive; Une des applications de ce procédé est le revêtement interne de pièces forgées en acier inoxydable pour la fabrication de buses de 12 mm à 600 mm de diamètre et jusqu'à 900 mm de long, destinées à être raccordées à des récipients sous pression à parois épaisses.
Les métaux incompatibles avec le soudage par fusion sont soudés à l'aide de soudures de transition réalisées par soudage par explosion, comme illustré à la Fig. 13.32.
Les joints de transition découpés dans une plaque soudée épaisse et explosive en aluminium et en acier ou en aluminium et en cuivre fournissent des conducteurs d’électricité efficaces. Cette technique est également utilisée pour la fabrication d'anodes pour l'acier primaire en aluminium dans des tubes d'un diamètre allant de 50 à 300 mm. D'autres métaux liés par cette technique comprennent le titane pour l'acier, le zirconium pour l'acier inoxydable, les alliages à base de zirconium pour le nickel et le cuivre pour l'aluminium.
Le soudage explosif trouve également une application dans la fabrication d’échangeurs de chaleur permettant de réaliser des assemblages tube à tube. Une petite charge explosive est utilisée pour réaliser le joint tel que semé en trois étapes sur la figure 13.33. Les tubes peuvent être soudés individuellement ou en groupes. Le nombre de tubes soudés à la fois dépend de la quantité d'explosif pouvant exploser en toute sécurité en une seule détonation.
La figure 13.34 montre le schéma de l'ensemble du montage pour le soudage par explosion de bouchons destinés à sceller les tubes qui fuient, par commande à distance.
Les tubes soudés dans des joints de tube à tube ont généralement un diamètre compris entre 12 et 40 mm. Les métaux soudés pour de tels joints comprennent l'acier, les alliages de cuivre, les aciers inoxydables, les alliages de nickel, les aciers plaqués, ainsi que l'aluminium et le titane.
La soudure explosive peut être utilisée pour la réparation et la construction, en particulier à l'intérieur et à l'extérieur de composants cylindriques.
