Le soudage à froid expliqué | Fractory

Le soudage à froid est un procédé de soudage à l’état solide qui nécessite peu ou pas de chaleur pour assembler deux surfaces métalliques ou plus. La première preuve scientifique de soudage à froid a été enregistrée en 1724 lorsque deux billes de plomb ont été assemblées en les tordant après avoir été mises en contact. Dans les années 1940, le processus de soudage à froid a été officiellement reconnu comme un phénomène général des matériaux où deux surfaces métalliques propres pressées ensemble adhéreraient au contact dans le vide.

Alors que le soudage à froid a mis des années à se familiariser, il est devenu une technique irremplaçable pour certaines industries, étant un procédé simple mais ingénieux.

Qu’est-ce que la soudure à froid ?

joint de recouvrement et joint bout à bout soudés à froid
Les joints à recouvrement soudés à froid ont une section réduite ; les joints bout à bout créent une bavure qui est ensuite supprimée.

Le soudage à froid, également connu sous le nom de soudage par pression à froid ou soudage par contact, est un procédé de soudage qui relie deux surfaces métalliques propres en utilisant une pression suffisante pour créer des liaisons métallurgiques. Contrairement à d’autres procédés de soudage qui utilisent la chaleur et le matériau en fusion pour fusionner les métaux, le soudage à froid a la capacité de joindre des métaux sans énergie thermique pour créer une liaison presque parfaite entre les matériaux.

Dans des conditions atmosphériques normales, la surface métallique réagit avec l’oxygène en créant une couche d’oxyde. Cette couche d’oxyde agit comme une barrière qui empêche les atomes de former une liaison. Afin de nettoyer les métaux pour le soudage à froid, la couche d’oxyde est éliminée par cisaillement, brossage ou à l’aide d’autres méthodes mécaniques et chimiques.

Les métaux doivent être au moins quelque peu ductiles et ne pas avoir subi de durcissement sévère. Une autre limitation de ce procédé est que les métaux ne peuvent contenir aucun carbone. Le soudage à froid fonctionne mieux lorsqu’il est effectué sous vide, où l’oxygène n’est pas présent.

Certaines personnes ne connaissent pas le soudage à froid, car il s’agit d’un procédé de soudage non conventionnel et diffère de l’idée générale du soudage où la chaleur est impliquée. Il est préférable de comprendre certaines techniques dites de soudage à froid qui sont en fait des procédés de soudage à chaud qui utilisent soit une électrode conductrice, soit une surface.

Transfert de métal à froid

Le transfert de métal à froid est un procédé de soudage à l’arc par fusion qui utilise un arc électrique pour créer des joints de soudure. Ce procédé de soudage MIG est qualifié à tort de soudage à froid puisque la chaleur appliquée dans le bain de soudure est 90 % inférieure à celle du procédé MIG conventionnel.

Soudage à Froid TIG

Les soudures à froid dites TIG sont réalisées en réduisant considérablement l’apport de chaleur et en appliquant avec précision un arc électrique à un point minuscule pendant une fraction de seconde. La chaleur se dissipe rapidement, cette méthode manque donc de fusion et n’est efficace que pour assembler de fines feuilles de métal.

Processus de soudage à froid

En tant que condition préalable au processus de soudage à froid, les métaux sont nettoyés en éliminant les couches d’oxyde sur la surface par brossage métallique ou cisaillement des surfaces. Une fois la contamination de surface éliminée, les métaux peuvent ensuite être pressés ensemble sous haute pression à l’aide de machines industrielles.

Cette procédure de soudage fonctionne au niveau microstructural entre les atomes métalliques, car les électrons seront transférés entre les deux surfaces propres qui entrent en contact. La soudure à froid est solide avec peu d’impuretés et de zones rugueuses, mais peut également être sensiblement plus faible si des contaminants ou des irrégularités de surface sont présents.

De plus, le temps entre le processus de préparation du nettoyage des métaux et le processus de soudage à froid proprement dit est crucial. Cette fenêtre de temps est courte car les atomes sur la surface métallique propre commencent à réagir avec l’atmosphère. Une exposition prolongée peut laisser une quantité exceptionnelle d’impuretés qui affecteront la force de la liaison plus tard.

Seul un petit nombre d’outils sont nécessaires pour cette méthode de soudage relativement simple, une brosse métallique pour enlever la couche d’oxyde de surface et une machine de soudage à pression froide pour permettre à l’atmosphère métallique fraîchement exposée d’entrer en contact.

Machine de soudage à pression froide



Machine de soudage à pression froide en action

Machine de soudage à pression froide en action

Une machine de soudage par pression à froid typique contient un mécanisme d’application de pression (presse à poinçonner), un outil de poinçonnage ou des matrices qui agissent comme guides pour les métaux, des rouleaux pour les fils ou les tôles, et une charge statique pour appliquer la pression mécaniquement ou pneumatiquement.

Lors du soudage à froid de fils, une matrice de la bonne taille est sélectionnée pour le fil et est ensuite placée dans la machine de soudage à froid. La plupart du temps, les machines de soudage à froid à fil sont équipées d’une guillotine pour couper/cisailler les extrémités du métal afin d’éliminer les couches d’oxyde et d’obtenir des surfaces planes.

Les deux fils ou bandes sont ensuite assemblés à l’aide de hautes pressions. Un flash est créé dans la zone de contact entre les deux surfaces métalliques et les métaux en excès sont éliminés. Les fils de soudage à froid et les tôles très fines ont été pleinement utilisés dans l’industrie des semi-conducteurs, où les pièces sont compactes et sensibles.

La taille des machines de soudage par pression à froid peut varier considérablement en fonction du type et de la taille du matériau. Celles-ci peuvent aller d’appareils portatifs principalement utilisés pour souder à froid des fils de cuivre à des machines à commande pneumatique.

Métaux adaptés au soudage à froid

Les métaux avec des structures métalliques similaires et les métaux mous non ferreux fonctionnent mieux pour le soudage à froid, mais l’assemblage de métaux différents est également réalisable. Voici quelques-uns des métaux les plus courants qui sont souvent soudés à froid :

Applications pour le soudage à froid

Soudage à froid à l’échelle nanométrique

Des nanofils d’or ultrafins peuvent être assemblés en quelques secondes par contact mécanique. Les essais ont montré d’excellents résultats car les soudures ont la même orientation cristalline et les mêmes propriétés mécaniques que le reste du nanofil. Une soudure à froid à l’échelle nanométrique a également été réalisée entre l’or et l’argent et les alliages d’argent, ce qui indique qu’avec des recherches supplémentaires, le processus peut être généralement applicable.

Industrie aérospatiale et automobile

Ces industries recherchent en permanence des combinaisons de matériaux légers et fonctionnels pour améliorer les performances, la consommation de carburant, etc. C’est là que le soudage à froid est utile, en particulier pour le soudage de l’aluminium et de l’acier inoxydable. Cette technique permet aux matériaux de ne pas être soumis à des quantités excessives de chaleur, réduisant ainsi le risque d’être trop cassants.

Câbles souterrains

Le soudage à froid est une solution exceptionnelle dans les situations où l’introduction de chaleur dans l’environnement peut être dangereuse. Un exemple bien connu est l’assemblage en toute sécurité de câbles souterrains par soudage à froid, où la chaleur peut présenter un danger car elle pourrait entrer en contact avec des gaz explosifs.

Industrie manufacturière

Les échangeurs de chaleur utilisés pour la réfrigération utilisent la soudure à froid lors de la réalisation de passages tubulaires dans des tôles de grandes dimensions. Certains dispositifs de stockage ou d’emballage utilisent également le soudage à froid lors de la création de joints bout à bout ou à recouvrement. Comme avantage supplémentaire, joindre les métaux sans chaleur aide à maintenir l’intégrité des matériaux.

Avantages du soudage à froid

  1. Le soudage à froid produit des soudures propres et solides. La force de la liaison créée est proche du métal de base, sinon la même.

  2. Le soudage à froid ne crée pas de zone affectée par la chaleur (ZAT), ce qui affaiblit la structure du métal.

  3. Le soudage à froid permet d’assembler des métaux dissemblables tels que les alliages de cuivre et d’aluminium.

  4. Le processus est rapide avec pratiquement aucune déformation et déformation des métaux.

  5. Les travaux de soudage à froid peuvent être effectués dans des environnements sensibles à la chaleur où l’utilisation d’autres procédés de soudage ne serait pas considérée comme sûre.

Inconvénients du soudage à froid

  1. Le soudage à froid nécessite un temps de préparation généreux pour nettoyer les métaux.

  2. Seuls certains matériaux peuvent être soudés à froid. Les métaux doivent être ductiles et ne pas contenir de carbone.

  3. Le soudage à froid de surfaces irrégulières est difficile, le procédé donne les meilleurs résultats lorsqu’il est effectué sur des surfaces planes.

  4. La résistance des joints peut facilement être compromise par la contamination. Cela peut être causé par des couches d’oxyde, des irrégularités de surface et d’autres raisons imprévisibles.

  5. Une partie de la matière est perdue lors de la préparation (cisaillage, coupe, brossage)

Soudage à froid accidentel

Le soudage à froid donne les meilleurs résultats lorsque le processus est effectué sous vide, ce qui signifie qu’il n’y a pas d’oxygène. C’est pourquoi il y a des cas où des soudures à froid ont accidentellement eu lieu dans des pièces d’engins spatiaux.

Le vaisseau spatial Galileo est un excellent exemple de cas de conception technique dans lequel la possibilité d’une soudure à froid accidentelle n’a pas été envisagée. Cela a presque entravé toute l’opération, coûtant des milliards de dollars à la NASA. Le 9 octobre 1989, Galileo a été lancé pour recueillir des informations sur Jupiter. Lorsqu’ils ont finalement atteint la planète après 18 mois de voyage dans l’espace, trois des dix-huit antennes spécialisées, censées se déployer, avaient été spontanément soudées à froid.

Les pièces de la structure mobile de l’antenne se sont nettoyées au fil du temps en raison du manque d’oxygène et ont fusionné lorsque les pièces sont entrées en contact sous haute pression. Le mouvement relatif entre les surfaces n’exclut pas la possibilité que des soudures à froid se produisent. Cela signifie que le soudage à froid peut avoir lieu simultanément avec le fretting et le grippage car les métaux sont soumis à des chocs et vibrations répétés.

De nos jours, des contre-mesures sont appliquées pour empêcher le soudage à froid accidentel. Certains domaines clés sur lesquels les concepteurs et les ingénieurs se concentrent pour empêcher la fusion indésirable sont la sélection des matériaux, la lubrification, le revêtement et la réduction de la surface de contact.

D’autre part, le phénomène de soudure à froid permet aux astronautes d’effectuer efficacement tout travail de réparation nécessaire à l’extérieur du vaisseau spatial.

Points importants à retenir

Contrairement à d’autres méthodes de soudage où les métaux subissent la phase liquide ou fondue (soudage à l’arc, soudage par friction, soudage au laser, etc.), le soudage à froid permet d’assembler des métaux sans aucune chaleur. Ce processus se caractérise par des résultats uniformes et solides car il ne laisser une zone affectée thermiquement dans la soudure. Bien que pour obtenir de bons résultats, il est très important d’éliminer les couches d’oxyde et de faire varier les irrégularités de surface. Gardez à l’esprit que le processus est mieux exécuté dans le vide.

La soudure à froid aide à résoudre certains des problèmes complexes auxquels sont confrontées plusieurs industries, mais elle est loin d’être supérieure, car elle présente certaines limites concernant les matériaux. Il ne peut pas être effectué sur des métaux contenant une forme quelconque de carbone. C’est le principal facteur limitant puisque l’acier doux est de loin le métal le plus soudé.

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