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Le soudage à froid par refoulementest un type de soudage à l’état solide qui est unique car il se déroule à température ambiante. (D’autres types de soudage à l’état solide exigent une haute température afin d’obtenir un matériau malléable mais sans fusion.)

Dès l’an 3,000 avant J-C, les Égyptiens préparaient le fer en martelant deux extrémités chauffées à blanc sur un socle métallique. Les forgerons ont eux aussi, pendant des siècles, soudé le fer forgé en le martelant. Ce type de soudage se déroulait toujours à de hautes températures.

Le premier exemple connu de soudage par martelage en Grande-Bretagne à température ambiante (et donc le véritable soudage à froid par refoulements) remonte à la fin de l’âge de bronze, aux environs de l’an 700 avant J-C. Le matériau utilisé était l’or, et des boîtes en or réalisées par ce procédé ont été découvertes au cours de certaines fouilles.

Découverte du soudage à froid par refoulements

Le soudage à froid par refoulement a été observé scientifiquement pour la première fois en 1724 par le révérend J I Desaguliers. Il procéda à la démonstration du procédé devant la Royal Society, puis il publia les détails dans les revues scientifiques de l’époque. Le révérend Desaguliers avait constaté que s’il pressait puis tournait l’une contre l’autre, deux boules en plomb mesurant chacune 25mm de diamètre environ, les deux boules se trouvaient jointes. La résistance de la jonction était mesurée au moyen d’une balance romaine, et malgré des résultats irréguliers, de bonnes résistances étaient mesurées, et dans certains cas elles étaient aussi résistantes que le matériau de base.

Après la découverte du révérend Desaguliers au 18ème siècle, la situation semble avoir peu évolué, et ceci jusqu’à la deuxième guerre mondiale. Cet événement a eu pour effet d’activer les développements, surtout en Allemagne, où les éléments en alliages légers pour avions étaient soudés par pression ou refoulements. Mais l’on croit savoir que ce soudage s’effectuait à des températures élevées.

Observé pour la première fois, le soudage à froid par refoulementpeut sembler être un procédé presque « magique ». Les personnes qui ne le connaissent pas ont souvent du mal à assimiler un type de soudage qui n’emploie ni la chaleur ou l’électricité ni un matériau d’apport quelconque pour réaliser la jonction. Après une démonstration, elles demandent toujours "Comment les deux morceaux de métal sont-ils assemblés?”

Le mécanisme du soudage à froid lui-même peut s’expliquer de plusieurs façons différentes. Par exemple, il a été avancé que ce procédé était le résultat de la recristallisation ou d’une hypothèse énergétique. Or, la plupart des explications ont été réfutées expérimentalement ou bien théoriquement.

L’hypothèse à présent acceptée pour l’explication du soudage à froid par refoulementrepose sur les atomes des métaux qui sont tenus ensemble par un « lien » qui s’applique en particulier aux substances métalliques. Ce « lien » peut être décrit comme un « nuage » libre d’atomes à charge négative constituant une unité, en raison des forces d’attraction.

Réalisation d’une soudure

Par conséquent, si deux surfaces métalliques sont mises en contact et séparées de quelques angströms seulement (rappel: 1 cm = 300 millions d’angströms ) il peut se produire une interaction entre les électrons libres et les atomes ionisés. Ceci a pour effet d’éliminer la barrière potentielle, et de permettre au nuage d’électrons de devenir commun. Il en résulte une force de lien et par conséquent une soudure.

Il existe une façon encore plus simple d’expliquer ce procédé plutôt complexe : si l’on met en contact deux surfaces qui sont anatomiquement propres et anatomiquement plates à l’échelon atomique, il se produit une force de liaison qui est égale à celle du matériau de base.

Premières applications

Or, dans la pratique, la cohésion est presque impossible dans la plupart des conditions, en raison des irrégularités des surfaces, de leur contamination organique et de la présence de pellicules chimiques telles que les pellicules d’oxydes.

Pour obtenir la soudure la plus efficace possible, il faut réduire au minimum toute forme de contamination, tout en agrandissant au maximum la superficie de contact, donc de soudure.

Au cours des premières applications du soudage bout à bout à froid, le refoulement et le déplacement radial des interfaces étaient effectués en une seule étape. Or, cette technique présentait plusieurs inconvénients : il fallait dégrossir les extrémités que l’on voulait assembler, les deux surfaces devaient être dénuées de toute contamination et la quantité de matière projetée à partir de la mâchoire de serrage pouvait provoquer une flexion et un manque de coaxialité, gâchant ainsi l’écoulement correct du métal.

Principe du refoulement multiple

Par la suite, la société GEC a mis au point le système de soudage bout à bout, faisant appel au principe dit de “refoulement multiple”. Après insertion du matériau dans la mâchoire, chaque fois que la soudeuse est mise action, le matériau est serré par la mâchoire et poussé vers l’avant.

Les deux surfaces opposées sont ainsi étirées et élargies sur la totalité de leur surface à mesure qu’elles sont poussées l’une contre l’autre. L’oxyde et les autres impuretés à la surface sont évacués vers l’extérieur à partir du centre du matériau et le lien donc la soudure est réalisée. Il est recommandé d’effectuer au moins quatre refoulementafin d’assurer que toutes les impuretés soient extraites des interfaces.

Les avantages du soudage à froid sont assez évidents dans la pratique. Les extrémités du fil ou de la barre n’exigent aucune préparation avant le soudage, et les deux extrémités bout à bout sont alignées automatiquement lorsque le matériau est placé dans la mâchoire. Il n’est pas nécessaire de régler la température, ni l’intervalle (ce réglage étant intégré dans la mâchoire), ni la pression des ressorts. Si un de ces réglages n’est pas correctement réalisé lors d’une soudure à chaud par résistance, cela produirait une soudure défectueuse.

Métaux appropriés

Le soudage à froid par refoulement se limite aux matériaux non ferreux ou, dans le meilleur des cas, au fer doux sans carbone. La plupart des métaux non ferreux peuvent être soudés à froid, et bien que le cuivre et l’aluminium soient les métaux les plus courants, il est possible d’obtenir de bons résultats avec différents alliages : Aldrey, Triple E, Constantan, laiton 70/30, zinc, argent et alliages d’argent, nickel, or, ainsi que de nombreux autres matériaux. Les fils plaqués, y compris le cuivre étamé, argenté et nickelé peuvent tous être soudés entre eux ou au cuivre rouge.

Les méthodes normalement employées pour assembler des métaux de différentes natures tels que le cuivre et l’aluminium sont le soudage à chaud par résistance, le soudage par friction ou le brasage à la flamme. Ces trois procédés conduisent toutes à la rupture rapide de la soudure. Cette réaction dans une soudure cuivre/aluminium commence à se produire dès que les deux métaux sont mis en contact.

Le problème est créé par les oxydes et l’espace d’air, qui restent entre les interfaces avec ces méthodes de soudage, plutôt que par la différence entre les métaux eux-mêmes. Or, pendant le soudage à froid par refoulement, ces oxydes et ces espaces d’air sont chassés et puisqu’il n’y a pas de chaleur appliquée, il se produit seulement les changements métallurgiques à température ambiante.

Le soudage à froid par refoulement constitue la solution la plus satisfaisante pour l’assemblage du cuivre à l’aluminium sans qu’il se forme de composés intermétalliques cassants. La qualité est excellente car il en résulte une structure travaillée plutôt que la structure coulée que l’on obtient avec le soudage par fusion. Par ailleurs, il n’y a pas de zone affectée par la chaleur présentant des propriétés inadéquates.

Pour tester la résistance à la traction de la soudure, la plupart des opérateurs se servent d’un appareil d’essai de traction. Une autre solution consiste à procéder à un test de pliage inverse. Mais le test le plus rigoureux consiste à faire passer la soudure à travers plusieurs filières dans une machine à tréfiler.

Le rôle des mâchoires

Les mâchoires jouent un rôle important dans le procédé de soudage à froid par refoulement. Pour commencer, elles doivent bien saisir le matériau en le serrant ; par conséquent, l’intérieur de la cavité est gravé au moyen d’un crayon électrique ou bien, dans les cas où la mâchoire va servir pour le soudage de grosses sections d’aluminium, les marques de serrage sont gravées dans la cavité avant que la mâchoire soit traitée thermiquement.

L’intervalle entre les deux nez de mâchoire est lui aussi extrêmement important. S’il est trop grand, le matériau se déformera ou bien il se pliera. Il est tenu compte de cette dimension pendant la fabrication, et elle ne pourra pas être modifiée.

Enfin, il y a lieu de mentionner le décalage entre les deux nez de mâchoire, qui a pour effet de faire paraître la soudure décalée autour de la circonférence du fil. Le décalage a pour fonction de séparer les bavures en deux moitiés afin de faciliter leur suppression. Sinon, les bavures resteraient sous forme d’anneau autour du fil et il faudrait les enlever en les découpant. Par ailleurs, les nez de mâchoire doivent être suffisamment pointus pour supprimer par pincement les bavures autour de la soudure afin de faciliter l’ébavurage.

La dureté et la trempe de la mâchoire sont aussi cruciales. Au début du soudage à froid, les mâchoires subissaient très souvent des ruptures. Lors de la conception d’une machine de soudage pour fil de cuivre de 8mm, il était toujours difficile de contenir les forces nécessaires dans une mâchoire de cette taille.

Depuis plus de 30 ans maintenant, PWM fabrique des mâchoires de haute qualité et de très grande précision. L’amélioration de la technologie des fils a été accompagnée par la demande d’une plus grande précision. Grâce à son programme continu de recherche et de développement, PWM a su fabriquer des mâchoires capables d’assembler des fils extrêmement fins. PWM est la première entreprise, en dehors des États-Unis, à avoir mis au point une mâchoire utilisable dans les soudeuses à froid classiques pour assembler les fils d’un diamètre aussi fin que 0,08mm.

Les mâchoires sont fabriquées individuellement à la main par des spécialistes qui associent les blocs selon les tolérances les plus rigoureuses possibles.

Les mâchoires standard PWM peuvent désormais être fabriquées pour les fils d’un diamètre compris entre 0,08mm et 6,50mm. Les mâchoires peuvent également être fabriquées pour les barres et les fils ronds ou profilés correspondantes aux spécifications des clients.

Par ailleurs, les mâchoires PWM peuvent être fabriquées en fonction de plusieurs profils différents, à condition que le profil en question permette de réaliser la mâchoires en deux moitiés ( nécessaires pour le retrait du fil soudé) et que la section ne dépasse pas la capacité de la machine.

Il est également possible de souder deux fils de diamètres différents. D’une manière générale, le plus gros diamètre ne devra pas dépasser de plus de 30% le diamètre le plus petit. Si le cuivre est d’un diamètre considérablement plus petit que celui de l’aluminium, le cuivre se noiera tout simplement dans l’aluminium et il n’y aura pas de soudure.