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Ce présent travail s’intéresse dans sa totalité à un procédé de soudage qui est bien récent, il s’agit du soudage par explosion. En effet, ce type de soudage, qui se fait en phase liquide, fait partie de la famille du soudage par pression qui est un procédé également nommé « assemblage par pression ». Pour cela un composant spécialement cranté, par ex. un écrou ou un boulon fileté, est placé dans un trou estampé ou fraisé puis pressé (déformé à froid) dans la pièce de fabrication par une force s'exerçant axialement sur le composant ajouté.Ces pièces à souder par pression spécialement formées se lient de telle façon avec la pièce de fabrication qu'une séparation n'est possible que par l'emploi de la force. Cette méthode présente beaucoup d’avantages par rapport à d'autres techniques d'assemblage.
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UNITÉ D’EXPERTISE
NOUVEAUX PROCÉDÉS DE SOUDAGE ET TRIBOLOGIE
SOUDAGE PAR EXPLOSION
Département génie des matériaux et ingénierie des procédés
Encadré par : M. ETTAQI
Réalisé par : Amal BAHIJ
Hamza BENBOUBADDI
Niveau : 5ème
Année ENSAM
- 2013 -
SOUDAGE PAR EXPLOSION | 2
REMERCIEMENTS
Au terme de ce travail, il serait injuste de notre part d’entamer la rédaction le présent
rapport sans exprimer la reconnaissance et la gratitude que nous devons à tous ceux dont on a
sollicité l’aide et la collaboration.
Notre gratitude s’adresse tout spécialement à notre encadrant M. ETTAQI, pour son
soutient et ses prestigieux conseils, qu’il n’a cessé de nous prodiguer au cours de la réalisation
de ce modeste travail.
On souhaite également remercier la direction de l’ENSAM, ainsi que tout le corps
professoral et administratif pour les efforts qu’ils fournissent afin de nous garantir une
formation de qualité.
SOUDAGE PAR EXPLOSION | 3
SOMMAIRE
I. INTRODUCTION ........................................................................................................................... 5
II. SOUDAGE EN PHASE SOLIDE ................................................................................................... 6
III. SOUDAGE PAR EXPLOSION .................................................................................................. 7
1. DÉFINITION .............................................................................................................................. 7
2. LA TECHNIQUE ........................................................................................................................ 7
3. UTILISATION .......................................................................................................................... 11
4. EXPLOSIFS .............................................................................................................................. 12
IV. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU SOUDAGE PAR EXPLOSION ......................... 12
V. APPLICATIONS ........................................................................................................................... 13
VI. DISPOSITION ALTERNATIVE POUR LE SOUDAGE PAR EXPLOSION ........................ 14
VII. EXEMPLE DE DEFAUT DE SOUDAGE PAR EXPLOSION ............................................... 15
VIII. CONCLUSION ......................................................................................................................... 15
IX. BIBLIOGRAPHIE .................................................................................................................... 16
SOUDAGE PAR EXPLOSION | 4
LISTE DES FIGURES
Figure 1 Organigramme des procédés de soudage les plus répandus .................................................... 5
Figure 2 Aspect ondulé de la soudure par explosion .............................................................................. 7
Figure 3 Disposition du métal de base et du placage ............................................................................. 8
Figure 4 Liaison des deux pièces à partir de l'angle α ........................................................................... 8
Figure 5 Schéma de l'arrangement dans le soudage par explosion ........................................................ 9
Figure 6 Interface ondulée après le soudage par explosion ................................................................. 10
Figure 7 Soudabilité par explosion de quelques combinaisons de métaux ........................................... 11
Figure 8 Cette grande autoclave à haute pression est utilisé pour lixiviation du minerai de nickel .... 13
Figure 10 Bague de 3” en diamètre AI/SS ............................................................................................ 14
Figure 9 Assemblage UHV Cuivre / Inox 12" ....................................................................................... 14
Figure 11 Disposition alternative pour le soudage par explosion. ....................................................... 14
Figure 12 Manque de fusion au stade initial et arrachement local du matériau de placage ................ 15
SOUDAGE PAR EXPLOSION | 5
I. INTRODUCTION
Ce présent travail s’intéresse dans sa totalité à un procédé de soudage qui est bien récent,
il s’agit du soudage par explosion. En effet, ce type de soudage, qui se fait en phase liquide,
fait partie de la famille du soudage par pression qui est un procédé également nommé «
assemblage par pression ». Pour cela un composant spécialement cranté, par ex. un écrou ou
un boulon fileté, est placé dans un trou estampé ou fraisé puis pressé (déformé à froid) dans la
pièce de fabrication par une force s'exerçant axialement sur le composant ajouté.
Ces pièces à souder par pression spécialement formées se lient de telle façon avec la pièce
de fabrication qu'une séparation n'est possible que par l'emploi de la force. Cette méthode
présente beaucoup d’avantages par rapport à d'autres techniques d'assemblage.
Figure 1 Organigramme des procédés de soudage les plus répandus
SOUDAGE PAR EXPLOSION | 6
II. SOUDAGE EN PHASE SOLIDE
Les procédés de soudage en phase solide ont été développés avant ceux passant par une
phase liquide à cause des exigences d'apport d'énergie moins sévères pour les premiers. Un
exemple bien connu est le soudage par forgeage qui était utilisé dans la fabrication d'armes
déjà dans les temps très reculés.
Dans les procédés de soudage en phase solide les joints sont établis par au moins un des
trois mécanismes suivants:
1. Un mouvement relatif des deux pièces à joindre donne lieu au cisaillement des points
de contact, produisant des régions non-contaminées qui sous pression forment des
joints métalliques entre les pièces. Ce mécanisme intervient dans les procédés de
soudage par friction et soudage par ultrason.
2. Une déformation coordonnée des deux pièces à joindre produit des régions non-
contaminées qui sous pression forment des joints métalliques entre les pièces. Cela est
le cas pour le soudage par explosion et le soudage par pression à chaud et à froid.
3. La diffusion préférentielle suscitée par une force qui met l'interface sous pression
permet de réduire le volume de pores entre les surfaces à joindre. Ceci est utilisé dans
le soudage par diffusion.
Les procédés de soudage en phase solide - sauf le soudage par diffusion - nécessitent
donc toujours une déformation très importante, ce qui limite ces procédés aux métaux ductiles
et aux géométries simples. Pour des matériaux mous, la déformation se réalise déjà à
température basse tandis que pour des matériaux à limite élastique plus élevée une
augmentation de température qui abaisse la limite d'écoulement est nécessaire. Une
température élevée facilite aussi certains mécanismes favorables au soudage complet, p. ex. la
diffusion des atomes et la recristallisation. La dernière sert surtout à augmenter la ductilité du
joint.
En revanche, puisque aucune phase liquide n'est présente et la température reste
souvent largement en dessous du point de fusion les pièces à souder peuvent garder au moins
partiellement leurs microstructures et leurs propriétés mécaniques ne sont donc pas ou que
peu détériorées.
En plus, ces procédés se prêtent pour joindre des matériaux dissemblables, notamment
avec des larges différences de point de fusion. Ce dernier point est un avantage considérable
par rapport aux procédés passant par une phase liquide. En outre, des microstructures de
solidification sont évitées. [1]
Dans ce qui suit on va s’intéresser au soudage par explosion.
SOUDAGE PAR EXPLOSION | 7
III. SOUDAGE PAR EXPLOSION
1. DÉFINITION
Le soudage par explosion consiste en une collision de haute énergie de deux surfaces
inclinées l'une par rapport à l'autre ce qui induit un écoulement hydrodynamique des deux
surfaces. Le métal "frais" sortant de cet écoulement se joint avec celui de la plaque accélérée.
Découvert fortuitement en 1957 au cours d'opérations de formage par explosion, est
essentiellement employée pour assembler des métaux de nature différente, par exemple de
l'aluminium sur de l'acier, L’explosion est utilisée pour générer une grande pression entre les
plaques métalliques. Les métaux fusionnent à un niveau atomique. La structure composée
ainsi obtenue est d’une qualité exceptionnelle et possède des caractéristiques métallurgiques
cohérentes.
Figure 2 Aspect ondulé de la soudure par explosion
2. LA TECHNIQUE
Le soudage par explosion utilise l'énergie libérée par une charge d'explosif pour provoquer
entre deux surfaces à assembler une collision dirigée de telle sorte que la ligne de contact se
déplace régulièrement pendant l'explosion. La charge d'explosif, d'épaisseur uniforme,
recouvre le placage disposé, soit en parallèle, soit en dièdre vis-à-vis du support. (Le tir en
dièdre ne peut être utilisé pour les grandes longueurs à cause de l'écartement trop important
obtenu rapidement, qui conduit à des soudures de moins bonne qualité.)
SOUDAGE PAR EXPLOSION | 8
L'explosion projette violemment le revêtement sur le support et un mince jet de métal
plastifié jaillit en précédant le front de contact. Ce jet de métal arrache les oxydes pouvant
contaminer les surfaces et assure ainsi une propreté parfaite nécessaire à l'obtention d'un joint
de qualité. Afin de protéger le placage contre une détérioration superficielle lors du tir, on
interpose entre l'explosif et ce dernier un amortisseur en caoutchouc ou en chlorure de poly-
vinyle.
Le métal de base et le placage sont disposés comme l’indique la figure 3. Une nouvelle
feuille d’explosif, munie d’un détonateur, recouvre le placage. Après la mise à feu, le
phénomène de déroule comme le montre la figure 4. Les tôles sont écrasées l’une sur l’autre
sous une pression telle que les métaux sont à l’état plastique. Dans l’angle α où se fait la
liaison, toutes les impuretés superficielles sont expulsées, ce qui assure une soudure parfaite.
Parfois une feuille de métal intermédiaire est interposée entre le métal de base et le placage.
Des placages cuivre-aluminium, cuivre-acier ou cuivre nickel sont obtenus
couramment par explosion. Il en est fait usage pour souder des métaux différents par la
méthode des pièces intermédiaires.[4]
Figure 3 Disposition du métal de base et du placage
Figure 4 Liaison des deux pièces à partir de l'angle α
SOUDAGE PAR EXPLOSION | 9
Figure 5 Schéma de l'arrangement dans le soudage par explosion ainsi qu’un schéma détaillé du point de contact en cas de
situation d'équilibre
L'explosif est placé sur la tôle supérieure qui est posée à une certaine distance de la
pièce de base. Le point de contact avance avec la même vitesse que le front de détonation,
Vc = Vd.
Lors de l'explosion, la tôle est accélérée par la différence de pression de gaz. En
fonction de la densité et du type d'explosif - qui contrôle de manière globale l'augmentation
du volume après l'explosion - cette différence de pression varie de 1 à 6 GPa.
Une fois que l'explosion a commencé, l'onde de détonation se propage à travers la tôle.
Dans une situation d'équilibre dans la région du front de propagation la partie loin derrière le
front est jointe avec la pièce de base. A l'avant du front, la plaque maintient sa distance
initiale et juste derrière le front une transition entre les deux situations a lieu. Un paramètre
important dans le soudage par explosion est l'angle de flexion dynamique, marqué β dans la
figure 5. Il est lié géométriquement à la vitesse Vd du front de détonation et à la vitesse Vp
d'impact de la plaque sur la pièce de base par :
[1]
La vitesse du front de détonation Vd est une propriété de l'explosif et est liée à la
pression P accélérant la plaque par :
[2]
Où ρe est la densité de l'explosif. Pour éviter des gradients de contraintes dans la tôle
supérieure Vd est limité par conception à la vitesse du son en cisaillement dans le matériau
utilisé. Celle-ci est pour les métaux entre 400 (dans Pb) et 1000 m/s (dans l’acier et l’alu
p.ex.). La vitesse Vp au moment de l'impact avec la pièce de base est déterminée en supposant
que la pression (donc la force par section) en dessus de la tôle est constante et en multipliant
la masse par section (densité de la tôle) fois son épaisseur. On trouve:
SOUDAGE PAR EXPLOSION | 10
[3]
Où D, d, ρt sont la distance initiale, l'épaisseur de la tôle et sa densité, respectivement.
Ensuite, avec l'équation [2] :
[4]
Pour l'angle de flexion dynamique β on trouve donc :
[5]
Cet angle β est responsable du type de joint qui va s'établir dans le soudage par
explosion. Si β est trop petit, les contraintes de cisaillement dans l'interface sont faibles et il
en suit un joint plat. A partir d'une certaine valeur de β, les contraintes de cisaillement
extrudent un jet de métal de la surface qui entre en collision avec la plaque supérieur arrivant
sur la pièce de base. Cet effet répété produit un joint qui est fortement ondulé (figure 6). De
[5] il est évident que ceci est en principe contrôlé par la relation entre épaisseur de tôle
supérieure d et distance initiale D entre la tôle et la pièce de base. Comme règle générale, la
distance initiale D doit être au moins égal à l'épaisseur de la tôle supérieure pour engendrer un
joint ondulé ce qui paraît préférable d'un point de vue stabilité mécanique du joint. Si la
distance initiale D est trop grande, la tôle accélérée a trop d'énergie, fait qui nuit de nouveau
la qualité du joint en engendrant délaminage et fusion locale.
La caractéristique de la microstructure à l'interface est que les grains sont allongés en
direction de l'extrusion et qu'il y a une densité de dislocation élevée. Parfois, de petites zones
fondues et résolidifiées sont trouvées aux pointes des ondes en combinaison avec des pores, et
les interfaces plates consistent en grande partie en une couche liquéfiée et résolidifiée.
Néanmoins, pendant la formation du joint on observe peu de diffusion et d'autres effets
activés thermiquement indiquant que peu de chaleur est produite pendant ce procédé.
Figure 6 Interface ondulée après le soudage par explosion
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Aux pointes des vagues des régions localement fondues sont observées. Dans des
structures multicouches, on peut trouver différents types d'interface en fonction de la distance
initiale et des propriétés mécaniques des deux partenaires comme est le cas pour le joint 3003
Al/316L acier inoxydable. [1]
3. UTILISATION
Le soudage par explosion est surtout utilisé pour la fabrication des matériaux plaqués,
le soudage des tubes sur plaques tubulaires et la fabrication d'éléments bimétalliques. Plus
coûteux que le colaminage, le placage par explosion ne s'applique qu'aux liaisons difficiles :
Métaux métallurgiquement très dissemblables (AI - acier)
Métaux altérables à chaud (Ti -Ta - Zr)
Pièces ne supportant pas le laminage, soit à cause de leur forme, soit à cause de la
fragilité du support.
Les surfaces plaquées ou à souder peuvent être planes, cylindriques ou gauches et
peuvent avoir des dimensions variant de quelques centimètres carrés à quelques mètres carrés,
les limites supérieures dépendant des problèmes de sécurité posés par l'l'utilisation de charges
explosives importantes.
Figure 7 Soudabilité par explosion de quelques combinaisons de métaux
SOUDAGE PAR EXPLOSION | 12
4. EXPLOSIFS
Les explosifs couramment utilisées :
Explosif Vitesse de détonation (m/s)
RDX (Cyclotrimethylene trinitramine, C3H6N6O6 8100
PETN (Pentaerythritol tetranitrate, C5H8N12O4) 8190
TNT (Trinitrotoluene, C7H5N3O6) 6600
Tetryl (Trinitrophenylmethylinitramine, C7H5O8N5) 7800
Lead azide (N6Pb) 5010
Detasheet 7020
Ammonium nitrate (NH4NO3) 2655
IV. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DU SOUDAGE PAR EXPLOSION
Avantages
Caractéristiques excellentes du joint, la résistance du métal le plus faible
Convient pour assembler des métaux dissemblables, normalement non soudable
Ajustement et gabarits minimum
Assemblage de larges surfaces
Large gamme d'épaisseurs qui peuvent être plaqué ensemble par explosion
Bon marché pour certaines applications particulières
Procédé autonome et simple, pas de source d'énergie externe, peut-être utilisé sur un chantier
pour des soudures sur place
Utilisation d’une petite quantité d’explosif
Inconvénients
Limité au soudage par recouvrement
Les métaux doivent avoir la résistance aux chocs suffisante, et la ductilité
Les géométries soudées doivent être simples : plane, cylindrique, conique
Risques dus à l'emploi d'explosifs (réglementation)
Demande une personne très qualifiée très empirique (repose sur l'expertise)
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V. APPLICATIONS
Composants de construction navale
En raison de la protection contre la corrosion galvanique, les matériaux de transition
soudés par explosion sont devenus très répandus partout dans l'industrie de la construction
navale.
Emballage hermétique électronique
L’emballage électronique utilisé pour les applications militaires et aérospatiales
modernes, exige toujours l’utilisation de matériaux légers. Avec un usage prolongé et les
variations successives de température, les joints de soudure étaient sujets aux fissurations.
Récipients de procédés chimiques
Un soudage par explosion peut être utilisé pour créer de grandes structures. Les
plaques sont enroulées en forme de cylindres ensuite soudés ensemble pour former un large
processus et récipients sous pression. Plaques de 40 pieds de long et dix mètres de large sont
systématiquement lié. [2]
Autres applications :
Raccordements de tubes et tuyaux.
Les principaux domaines d'utilisation de cette méthode sont les feuilles de tubes
d'échangeurs de chaleur et appareils à pression.
Contrôle à distance des raccordements dans des environnements dangereux.
Relier des métaux différents - aluminium à l'acier, les alliages de titane au Cr - Ni
acier, cuivre à l'acier inoxydable, tungstène à l'acier, etc
Fixation des ailettes de refroidissement.
Figure 8 Cette grande autoclave à haute pression est utilisé pour
lixiviation du minerai de nickel latéritique à l’acide sulfurique
chaude [2]
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Figure 10 Bague de 3” en diamètre AI/SS
VI. DISPOSITION ALTERNATIVE POUR LE SOUDAGE PAR EXPLOSION
Il se prête bien pour joindre des matériaux dissemblables et même des combinaisons
qui posent des problèmes métallurgiques comme ceux qui forment des eutectiques de
température de fusion très basse ou des phases intermétalliques, le système Fe-Ti et Fe-Al. En
outre, il y a peu de matière affectée thermiquement et les joints sont donc de même ou de plus
haute qualité (due à l'écrouissage) que les matériaux de base. Les applications sont limitées
par la ductilité requise du matériau dont est fait la tôle supérieure, limitation qui n'est pas
aussi restrictive comme dans le cas du soudage par friction et le soudage par pression.
Figure 9 Assemblage UHV Cuivre / Inox 12"
Figure 11 Disposition alternative pour le soudage par explosion: connexion par recouvrement de deux tubes utilisée
comme adaptation entre deux tubes de matériaux dissemblables. [1]
SOUDAGE PAR EXPLOSION | 15
Quant à la géométrie, ce procédé est restreint à la jonction d'une tôle mince sur une
pièce de base plate, donc le placage, ou par analogie, à la jonction par recouvrement de deux
tubes, (figure 11).
De plus, à cause des effets de transition, une certaine région (4 à 8 fois l'épaisseur de
la tôle) autour du point d'initiation de l'explosion n'est pas proprement jointe, d'où la nécessité
de couper la pièce souhaitée après le placage. Finalement, le procédé nécessite des mesures de
sécurité très sophistiquées voire chères, fait qui le limite à quelques entreprises spécialisées.
VII. EXEMPLE DE DEFAUT DE SOUDAGE PAR EXPLOSION
VIII. CONCLUSION
Finalement, le soudage par explosion donne aux concepteurs des possibilités uniques pour
concevoir et fabriquer des systèmes qui présentent des caractéristiques et performances
élevées ainsi d’augmenter leurs durées de vie. Le coût supplémentaire lié à ces matériaux est
souvent remboursé à travers le cycle de vie du produit. Beaucoup de conceptions
conventionnelles qui spécifient le brasage, le soudage, ou d'autres technologies de fixation
pourraient bénéficier, lors de la conversion, à la technologie de soudage par explosion.
Manque de fusion Gonflement
Figure 12 Manque de fusion au stade initial et arrachement local du matériau de placage [3]
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IX. BIBLIOGRAPHIE
[1] Igor PAOLETTI, Techniques d’assemblage pour les métaux , Soudage en phase solide
[2] David CUTTER, What You Can Do with Explosion Welding
[3] L.B. PERVUKHIN , Explosive Welding: Theory And Practice
[4] www.cuivre.org. Ch10 : Soudage de métaux différents