Soudage par impulsion magnétique

Soudage par impulsion magnétique

Le soudage par impulsion magnétique est une technique de soudage particulière utilisant l'électromagnétisme pour principe de base.

Sommaire

Introduction au principe de fonctionnement

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Figure 1: Les différentes transformations d'énergie dans une machine à souder MPW.

Bien que le principe de base du fonctionnement des machines à souder par impulsion magnétique soit finalement relativement simple, il fait néanmoins appel à plusieurs phénomènes physiques, plus spécifiquement électromagnétiques.

Comme montré en figure 1, la chaîne énergétique dune machine MPW (Magnetic Pulse Welding) est composée dune succession de différentes étapes lénergie est transformée pour conduire finalement à la soudure de deux pièces conductrices. Cette soudure se réalise (presque) à froid et résulte dune force magnéto-mécanique appliquée à lune des pièces à souder qui en quelque sorte sencastre violemment et mécaniquement dans lautre pièce maintenue fixe.


La fonction de chacun des blocs de la figure 2 est la suivante.

transformation
Figure 2: Schéma bloc électrique d'une machine MPW [1].
  1. Le chargeur est alimenté par le réseau dénergie électrique triphasé ; à laide dune succession de deux transformateurs (T), cette tension est dune part augmentée en moyenne fréquence, et dautre part transformée en moyenne tension. Cette tension AC est ensuite redressée en moyenne tension continue à laide dun ensemble de redresseurs (R).
  2. Lénergie électrique sous forme de tension continue MTDC est alors stockée dans laccumulateur sous forme dénergie électrostatique dans une batterie de plusieurs condensateurs montés en parallèle. Lénergie stockée est graduellement augmentée via la tension de charge commandée par lunité de contrôle dénergie.
  3. Lorsque le seuil fixé de la tension de charge est atteint, léclateur (ou le déchargeur) décharge très rapidement lénergie électrostatique des condensateurs dans linducteur L. Lors de cette décharge dont la durée est de lordre dune centaine de μs, des courants électriques extrêmement élevés de lordre de plusieurs centaines de kA sont générés.
  4. La circulation de ce courant élevé à travers linductance L génère très brusquement un champ dinduction magnétique dans la bobine ; il y a transformation dénergie électrostatique en énergie magnétique. Le champ magnétique ainsi créé peut posséder une grande amplitude (de lordre de plusieurs dizaines de tesla) ; il est fortement variable au cours du temps, donc génère dans la pièce conductrice extérieure à souder des courants induits appelés aussi « courants de Foucault ».
  5. Linteraction entre le champ magnétique primaire créé par la bobine et les courants induits dans la pièce métallique conductrice extérieure génère des forces importantes dorigine magnétique, forces agissant mécaniquement sur la pièce extérieure dans laquelle circulent les courants de Foucault.
  6. Ces forces magnétiques transforment très brusquement lénergie magnétique en énergie mécanique agissant radialement sur la pièce extérieure. Cette dernière va alors « imploser » sur la pièce intérieure maintenue fixe. Ce phénomène dimplosion est la conséquence dun transfert dénergie extrêmement rapide, la puissance de ce processus étant de lordre de plusieurs centaines de mégawatts, mais sur des durées très courtes. Ce processus est presque adiabatique, il ny a pas véritablement de transfert de chaleur : la soudure a été effectuée « à froid ». Par contre, bien que la pièce à souder extérieure soit bonne conductrice, elle possède tout de même une certaine résistance électrique. Comme elle est parcourue par des courants induits, une certaine énergie calorifique est produite par effet Joule, d une légère augmentation de la température des pièces soudées.

Phénomènes électromagnétiques à la base des machines MPW

Le détail de chacune de ces transformations dénergie peut être techniquement compliqué, mais les lois physiques inhérentes à ces transformations sont bien maîtrisées. La partie la plus importantedécrite à travers les points 4., 5. et 6. ci-dessusfait appel à plusieurs lois électromagnétiques qui vont être explicitées ci-après. La figure 3 montre une vue en coupe et de face de linductance L et des pièces à souder ayant une symétrie cylindrique et positionnées sur laxe de la bobine.

Le courant électrique primaire i(t) généré par léclateur et alimentant linductance L de longueur lbob crée, au sein de la bobine, un champ dinduction magnétique axial B(t) dont le module est exprimé par :


B(t)= \mu N \frac{i(t)}{l_{bob}} \ \ \ [T=Vs/m^{2}]


  • μ = perméabilité magnétique absolue de la pièce extérieure à souder [Vs/Am=H/m]
  • N = nombre de spires de linductance [1].

Ce champ dinduction magnétique fortement variable en intensité dans le temps, génère par le phénomène dinduction des courants induits iind(t) dans la pièce extérieure qui doit être un très bon conducteur électrique ; en général, cette pièce est un métal tel par exemple de laluminium ou du cuivre. Les densités jind(t) des courants induits sont solutions de léquation ci-dessous :


\vec{\nabla} \times \vec{j}_{ind}(t) = -\sigma \frac{\partial \vec{B}(t)}{\partial t} \ \ \ [A/m^{3}]


  • σ = conductivité électrique de la pièce extérieure à souder [S/m=A/Vm].
  • \vec{\nabla} est lopérateur de dérivation del [m 1].

Dans le cas illustré en figure 3, les courants induits iind(t) circulent dans le sens opposé au courant primaire i(t) qui les a générés ; ils créent à leur tour un champ dinduction magnétique induit Bind(t) aussi axial, mais comme le demande la loi de Lenz, de sens opposé à B(t). Déduite de la troisième équation de Maxwell (loi dinduction) et de la loi dOhm jind(t) = σE(t), léquation précédente nous apprend deux choses fondamentales :

  1. Si la pièce extérieure à souder est un mauvais conducteur électrique ou un isolant (σ0), il ny a pas de courant induit circulant dans celle-ci, donc pas de soudure possible puisquil ny a pas de force magnéto-mécanique.
  2. La densité jind(t) des courants induits est directement proportionnelle à la variation temporelle du champ dinduction magnétique B(t), donc à la variation temporelle du courant électrique primaire i(t) alimentant la bobine, d la nécessité dune brusque décharge caractérisée par un temps très court.

Intervient alors un autre effet dit « effet de peau ou effet pelliculaire » ou encore en anglais « skin effect ». Il est en effet possible de montrer quun courant électrique ayant une pulsation ω = f [rad/s] ne peut se propager quà la surface dun conducteur ; la profondeur de pénétration δ du courant dans le conducteur est donnée par la relation :


\delta=\sqrt{\frac{2}{\omega \mu \sigma}} = skin \ depth \ \ \ [m]


A titre dexemple pour une pièce en aluminium, à la fréquence industrielle de f = 50 Hz, δ = 12 mm ; pour une moyenne fréquence de f = 30 kHz, δ = 0.5 mm. Léquation ci-dessus nous apporte à nouveau deux informations importantes :

  1. plus le σ de la pièce à souder est élevé (cest-à-dire plus cette pièce est conductrice) et plus δsera petit, cest-à-dire plus les courants de Foucault circuleront proche de la surface extérieure de la pièce.
  2. plus la fréquence f du signal est élevée et plus δ sera petit, d la nécessité davoir un courant électrique i(t) de haute fréquence, de lordre de quelques dizaines de kHz.

Cet effet de peau est crucial, car il empêche que les courants induits ne se propagent ou circulent profondément dans la pièce extérieure à souder, mais plus important encore, il empêche que ces courants ne puissent circuler dans la pièce intérieure, ce qui annihilerait la base même du processus MPW. Dans tous les cas, la pièce la plus conductrice doit être placée à lextérieur du dispositif afin que ses courants de Foucault soient les plus importants. Finalement, linteraction entre le champ dinduction magnétique primaire B(t) et les courants de Foucault iind(t) conduit à la création dune force magnéto-mécanique dite force de Laplace. Considérons la figure 3 inférieure montrant une vue de face du système inductance et des deux pièces à souder. Une longueur infinitésimale dl de la pièce extérieure à souder va subir une force élémentaire dF(t) décrite vectoriellement par :


d\vec{F}(t) = i_{ind}(t) d\vec{l} \times \vec{B}(t) \ \ \ [N]


En chaque point du conducteur, cette force est radiale, cest-à-dire pointe vers laxe de symétrie comme montré en figure 3. Si la pièce extérieure possède une épaisseur x, la pression p(t) exercée en chaque point de ce conducteur par la force de Laplace est donnée par :


p(t)=\frac{B^{2}(t)}{2 \mu} (1-e^{-2x/\delta}) \ \ \ [Pa = N/m^{2}]


Si lépaisseur x > δ (en général le cas), la relation précédente se simplifie et devient:


p(t)=\frac{B^{2}(t)}{2 \mu} \ \ \ [Pa = N/m^{2}]


Comme le champ dinduction magnétique primaire B(t) peut atteindre des valeurs crêtes de lordre de dizaines de teslas, les pressions radiales exercées sur la pièce extérieure sont de lordre de 1'000 MPa (ou plus parfois), soit de lordre de 10'000 bars. Leffet de cette importante pression conduit à une implosion du conducteur extérieure sur la pièce intérieure permettant la « soudure » des deux pièces. Cette brusque implosion est elle-même très rapide ; la vitesse v dimplosion de la pièce extérieure sur la pièce intérieure peut atteindre des valeurs de lordre de plusieurs centaines de m/s. Cette brusque implosion à haute vitesse et haute pression conduit à lassemblage des deux pièces comme montré en figures 4 et 5.


Application

Cette technique a l'avantage de pouvoir assembler des matériaux conducteurs électriques ayant des points de fusion différents, ce qui n'est pas possible avec des procédés de soudure traditionnels[2].

Pour chaque application, il sera nécessaire de créer un inducteur approprié à la géométrie des pièces à assembler.

Cette technique permet également de faire du formage, de l'estampage et de l'emboutissage.

Notes

  1. [High-voltage electronic components plant Progress, Power plants for magnetic-pulse material processing, Ukhta 2008]
  2. S. W. Kallee: Industrialisation of Electromagnetic Pulse Technology (EMPT) in India.

Références

  • T. Aizawa, M. Kashani and K. Okagawa, Application of Magnetic Pulse Welding for Aluminum Alloys and SPCC Steel Sheet Joints, Welding Journal, Vol. 86, May 2007
  • John D. Jackson, Classical Electrodynamics, 3rd Edition, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken (NJ) 1999
  • François Gaille, Electromagnétisme, HEIG-VD, Yverdon-Les-Bains 2001
  • Christophe Besson, Simulation électromagnétique et CAO, HEIG-VD, Yverdon-Les-Bains 2009
  • Christophe Besson, Machines électriques, HEIG-VD, Yverdon-Les-Bains 2008

Liens externes

  • Portail de l’électricité et de l’électronique Portail de lélectricité et de lélectronique

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