CA3143390A1 - Pion a souder creux pour assemblage de deux materiaux differents - Google Patents

Abstract

Procédé d'assemblage d'une tôle (40) et d'une pièce métallique à base de fer (80) comprenant une étape de mise en place d'un pion tubulaire (10) ouvert à ses deux extrémités par poinçonnage traversant de la tôle (40) avec un fût dudit pion avec rétention dudit fut (10) par la tôle, une pastille se détachant de la première tôle (40), une collerette du pion venant en butée contre la surface de la tôle (40) une fois le poinçonnage traversant effectué, et les retours élastiques du fut du pion (10) et de la tôle (40) comprimant la surface extérieure du fût, ou par surmoulage dudit pion dans la tôle, puis une étape de soudure d'un tube métallique du pion (10) sur la pièce métallique à base de fer (80) par mise en contact d'une extrémité libre (24) du tube métallique avec la surface de la pièce métallique à base de fer (80) et soudure par résistance électrique (90).

Description

Description Titre de l'invention : Pion à souder creux pour assemblage de deux matériaux différents [0001] L'invention concerne l'assemblage de matériaux de nature différente, non soudables directement par résistance. Les structures visées sont en particulier celles des véhicules automobiles, comme la caisse, pour contribuer à leur allègement et à la réduction des émissions de gaz à effet de serre. L'invention concerne par exemple l'assemblage mécanique d'une tôle en acier avec une tôle en un alliage d'aluminium comme Al-Si-Mg ou Al-Si-Mg-Mn, ou en un matériau composite, ou en polymère thermoplastique avec ou sans renforcement par des fibres. Il est connu d'utiliser des rivets et une soudure électrique, mais les tiges des rivets ne sont pas retenues par la tôle poinçonnée, ce qui complique l'utilisation avant la soudure. Qui plus est, et cela est un problème majeur, les têtes des rivets alourdissent le montage.

[0002] L'invention concerne ainsi un pion à souder creux pour permettre l'assemblage mécanique de tôles de nature différente avec une prise de masse induite par le pion à souder réduite au maximum pour atteindre l'objectif de l'allègement des véhicules automobiles.
Ainsi, l'élément d'assemblage est un pion qui est, de par son facteur de forme, retenu par la tôle poinçonnée, ce qui facilite l'utilisation avant la soudure. De plus, le caractère creux du pion allège significativement le montage, ce qui constitue une avancée sensible.

[0003] Pour atteindre cet objectif il est proposé un procédé d'assemblage d'une tôle et d'une pièce métallique à base de fer comprenant une étape de mise en place avec rétention par la tôle d'un pion creux, par poinçonnage traversant de la tôle avec un fût dudit pion creux, une pastille se détachant de la tôle, une collerette du pion venant en butée contre la surface de la tôle une fois le poinçonnage traversant effectué, ou par surmoulage dudit fut dans la tôle, puis une étape de soudure d'un cylindre métallique du pion sur la pièce métallique à base de fer par mise en contact d'une extrémité libre du cylindre métallique avec la surface de la pièce métallique à base de fer et soudure par résistance électrique. Selon une autre définition, l'assemblage se fait avec une étape de poinçonnage traversant de la tôle avec un cylindre creux - ou tube - en métal conducteur d'électricité dont une extrémité
présente un évasement qui vient en butée contre la surface de la tôle une fois le poinçonnage traversant ou le surmoulage effectué, puis une étape de soudure du cylindre métallique creux sur la pièce métallique à base de fer par mise en contact d'une extrémité libre du cylindre métallique creux opposée à l'évasement avec la surface de la pièce métallique à base de fer et application d'une électrode de soudure par résistance électrique sur l'embouchure de l'évasement. Et selon encore une autre définition de l'invention, on utilise une pièce creuse, généralement plate, de section circulaire parallèlement à son plan, disposant d'un axe de symétrie de révolution, rigide, et ouverte à ses deux extrémités. Ainsi, le procédé est un procédé
d'assemblage d'une tôle et d'une pièce métallique à base de fer comprenant une étape de mise en place d'un pion tubulaire traversant ouvert à ses deux extrémités par poinçonnage de la tôle avec un fût dudit pion avec rétention dudit fut par la tôle, une collerette du pion venant en butée contre la surface de la tôle une fois le poinçonnage traversant effectué, et les retours élastiques du fut du pion et de la tôle comprimant la surface extérieure du fût une pastille se détachant de la première tôle, ou par surmoulage dudit fut dans la tôle, puis une étape de soudure d'un tube métallique du pion sur la pièce métallique à base de fer par mise en contact d'une extrémité libre du tube métallique avec la surface de la pièce métallique à base de fer et soudure par résistance électrique.

[0004] Le pion à souder creux selon l'invention permet de:

[0005] traverser une tôle métallique, composite, ou thermoplastique, avec des épaisseurs inférieures ou égales à 4mm, puis de permettre un maintien solidaire rigide de la tôle avec le pion après poinçonnage ou surmoulage, tout en offrant au moins une partie accessible voire saillant sous forme d'un anneau entourant un creux, ou d'une portion d'anneau, soudable par résistance électrique,

[0006] réaliser une tôle métallique, composite, ou thermoplastique équipée d'un ou de plusieurs pions à souder creux selon l'invention, prête à être soudée localement par résistance électrique sur une seconde tôle majoritairement constituée de fer -acier, acier inoxydable voire éventuellement dans des applications différentes, de la fonte -, de manière à réaliser un assemblage mécanique robuste entre deux matériaux ne pouvant pas être directement soudés ensemble par résistance électrique.

[0007] Selon des caractéristiques avantageuses et optionnelles

[0008] - l'électrode de soudure par résistance électrique est dimensionnée et appliquée de telle sorte que tous les secteurs angulaires de l'embouchure de l'évasement sont utilisés simultanément pour transmettre l'énergie pour la soudure ;

[0009] - le cylindre creux (tube) en métal est préalablement formé par emboutissage et découpe d'une tôle d'acier faiblement allié d'épaisseur 0,5, 1 ou 2 mm;

[0010] - la pièce métallique à assembler est reliée à la masse électrique.

[0011] ll est aussi présenté, dans le cadre de l'invention, une tôle pour assemblage mécanique pré-équipée d'un pion creux comprenant un cylindre creux (tube) traversant en métal conducteur d'électricité, qui sur une face de la tôle présente un évasement qui vient en butée contre la surface de la tôle et qui sur l'autre face de la tôle présente une extrémité libre.
La tôle retient le pion creux. Elle est définie également comme une tôle pour assemblage mécanique retenant un tube ouvert à ses deux extrémités et traversant, en métal conducteur d'électricité, qui sur une face de la tôle présente un évasement qui vient en butée contre la surface de la tôle et qui sur l'autre face de la tôle présente une extrémité
libre.

[0012] Selon des caractéristiques avantageuses et optionnelles

[0013] - il peut s'agir d'une tôle d'alliage d'aluminium, ou d'une tôle en polymère thermoplastique avec ou sans renfort fibreux, notamment un renfort fibreux à
fibres longues, ou d'une tôle en matériau composite à matrice organique ou céramique avec ou sans renfort fibreux, notamment un renfort fibreux à fibres longues ;

[0014] - le cylindre métallique creux (tube) peut être en acier faiblement allié embouti ;

[0015] - la matière du cylindre métallique creux peut être maintenue à l'écart de la matière de tôle par un cylindre supplémentaire du pion, ou tube supplémentaire, l'extrémité libre du cylindre métallique creux dépassant d'une extrémité libre du cylindre supplémentaire ;

[0016] - le cylindre supplémentaire peut être en acier inoxydable, en acier trempé, ou encore en matériau non métallique réfractaire à la chaleur ;

[0017] - le cylindre métallique creux et le cylindre supplémentaire peuvent être assemblés par soudure, colle, bridage ou déformation plastique entre des collerettes terminales respectives des cylindres du côté de l'évasement, ou encore bloquée l'une par rapport à
l'autre par insertion entre une surface interne du cylindre supplémentaire et une surface externe opposée du cylindre métallique creux d'une cale d'épaisseur, ou encore par la présence sur le diamètre interne du cylindre supplémentaire de parties saillantes radialement favorisant un encastrement du cylindre supplémentaire autour du cylindre métallique creux ;

[0018] L'assemblage peut comprendre une isolation électrique entre la matière du cylindre métallique creux et la matière du cylindre supplémentaire ;

[0019] Il peut comprendre un écartement, selon un développement cylindrique et sur la hauteur du cylindre en métal conducteur d'électricité, entre la matière du cylindre métallique creux et la matière du cylindre supplémentaire

[0020] - l'extrémité libre du cylindre métallique creux peut être lisse, ou présenter un chanfrein intérieur ou extérieur, ou présenter une ondulation sur son périmètre, ou présenter des créneaux sur son périmètre.

[0021] L'invention consiste aussi en un assemblage d'une tôle et d'une pièce métallique à
base de fer comprenant un pion creux (tube) comprenant un cylindre en métal conducteur d'électricité traversant la tôle et dont une extrémité présente un évasement en butée contre la surface de la tôle, le cylindre métallique creux étant soudé sur la pièce métallique à base de fer. Elle s'étend à un véhicule automobile dont une structure inclut au moins un assemblage selon l'invention.

[0022] Il est aussi proposé un procédé de réparation d'un assemblage ou d'un véhicule automobile selon l'invention, la tige d'un pion métallique conducteur composé
et d'une tête et d'une tige de longueur choisie pour la réparation étant placée dans le creux dudit cylindre en métal conducteur d'électricité, la tête étant appuyée contre l'évasement du cylindre et une électrode de soudure électrique étant appliquée sur la tête pour souder la tige à la tôle.

[0023] L'invention va maintenant être décrite en relation avec les figures.

[0024] La figure 1 est une vue en coupe d'un pion selon un premier mode de réalisation de l'invention.

[0025] Les figures 2 à 4 sont des vues en coupe d'étapes successives de mise en oeuvre d'un pion selon la figure 1.

[0026] La figure 5 est une explication de phénomènes impliqués dans les étapes des figures mentionnés précédemment.

[0027] Les figures 6 et 7 sont des vues en coupe d'étapes successives ultérieures de mise en oeuvre d'un pion selon la figure 1.

[0028] La figure 8 montre la fabrication d'un pion selon la figure 1.

[0029] La figure 9 montre un exemple de mise en oeuvre au stade de la figure 4 ainsi que des courbes d'efforts appliqués au cours des étapes des figures 2 à 4 dans quatre mises en oeuvre distinctes avec une tôle de même type.

[0030] La figure 10 montre l'évolution de l'effort nécessaire pour le poinçonnage des figures 2 à 4 en fonction de la résistance de la tôle poinçonnée, pour trois mises en oeuvre distinctes.

[0031] La figure 11 montre les étapes des figures 2 à 4 et 6 et 7 sous forme de coupes micrographiques.

[0032] La figure 12 montre un assemblage entre une tôle en alliage d'aluminium et une tôle en acier, issu du procédé à la fin de la mise en oeuvre de l'étape de la figure 7, après rupture de la tôle an alliage d'aluminium du fait d'un essai mécanique en cisaillement auquel la soudure selon l'invention a résisté.

[0033] La figure 13 est une vue en coupe d'un pion selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.

[0034] Les figures 14 à 17 représentent des vues en coupe de variantes du pion de la figure 13.

[0035] La figure 18 montre en coupe l'étape finale de mise en oeuvre du pion selon la figure 13.

[0036] La figure 19 présente une vue en coupe d'une autre variante du pion de la figure 13.

[0037] La figure 20 présente la composition d'un pion selon la figure 13.

[0038] La figure 21 présente des résultats à l'issue d'une mise en place du pion de la figure 13, sur trois tôles de matériaux différents.

[0039] La figure 22 présente trois variantes d'un pion selon le premier mode de réalisation.

[0040] La figure 23 présente un procédé de réparation conforme à un aspect de l'invention d'un assemblage utilisant l'invention.

[0041] Les figures 24 à 29 présentent un mode de réalisation supplémentaire de l'invention.

[0042] La figure 30 présente un mode de réalisation de la fabrication d'un pion à souder selon l'invention alternatif au mode de réalisation de la figure 8.

[0043] La figure 31 présente une variante de mise en place du pion, pour certains matériaux de la tôle.

[0044] [Fig. 1] En figure 1, on a représenté un pion à souder creux 10 selon un premier mode de réalisation de l'invention qui peut être constitué d'une pièce métallique 20 obtenue par déformation plastique d'une tôle ou d'un lopin - ou, selon une définition, un cylindre de métal destiné à la mise en forme à chaud par laminage, filage ou forgeage. La pièce est remarquable car elle possède une collerette 21 dans un plan et est prolongée sur sa face inférieure par un fût ayant une forme de cylindre de révolution creux 22 de longueur L22, perpendiculairement au plan de la collerette, pris depuis la surface inférieure de la collerette 21, et dont l'axe de symétrie 60 est perpendiculaire au plan de la collerette 21, en particulier à sa surface supérieure 23 (la plus éloignée du fut) qui est plane. Ainsi, la pièce métallique 20 constitue un tube.

[0045] [Fig. 2] En figure 2, la surface annulaire 24 de l'extrémité du fût cylindrique creux 22 opposée à la collerette 21 est plane et peut être mise en contact avec la surface supérieure 41, plate, d'une tôle 40 alors que la surface inférieure 42 de la tôle 40, également plate, est plaquée sur une matrice de poinçonnage 50 admettant une symétrie de révolution dont l'axe de symétrie est confondu avec l'axe de symétrie du fût 22, et dont le diamètre intérieur est supérieur au diamètre externe De22 du fût 22 selon les règles définies par l'homme du métier.
Pour permettre le poinçonnage de la tôle 40, la résistance mécanique de la pièce 20 doit être supérieure à la résistance mécanique de la tôle 40 et la longueur L22 du fût 22 doit être supérieure à l'épaisseur de la tôle 40.

[0046] [Fig. 3] En figure 3, on a représenté l'application d'une force F
croissante dans le temps et perpendiculaire à la surface 23 qui permet à la surface annulaire 24 de l'extrémité
du fût cylindrique de se conformer avec la surface supérieure de la tôle 40 qui se déforme élastiquement jusqu'à ce que la force F appliquée atteigne une valeur critique Fe qui entraine le dépassement de la limite élastique de la tôle 40, et le début de sa déformation plastique et de son poinçonnage jusqu'à ce qu'une pastille 70 se forme dans la tôle 40 déformée, se détache de celle-ci et soit évacuée par l'alésage de la matrice de poinçonnage. Le caractère tubulaire fut 22 facilite la déformation élastique radiale du pion 10 lors du poinçonnage. Le retour élastique de la tôle 40 après le poinçonnage entraine une contraction de la tôle autour du diamètre externe De22 du fût 22 et donc une contrainte de compression sur la surface externe 25 du fût 22. Une fois la tôle 40 poinçonnée par le pion à souder creux 10 la surface externe 25 du fût 22 glisse sur la surface interne découpée, ou tranche, de la tôle 40 jusqu'à
ce que la surface inférieure 26 de la collerette vienne en appui sur la surface 41 de la tôle.
Les retours élastiques combinés de la tôle 40 et du fut tubulaire 22 après le poinçonnage entrainent des contraintes de compression radiales sur la surface externe 25 du fût 22 compte tenu de la contraction de la tôle 40 et de l'extension du fût 22.

[0047] [Fig. 4] En figure 4, à ce stade, le pion à souder creux 10 est retenu mécaniquement par la tôle 40 et présente une surface annulaire saillante 24 sur la surface de celle-ci.
L'ensemble forme une tôle prête à être soudée par résistance sur une autre tôle majoritairement constituée de fer, par l'intermédiaire de la surface annulaire 24, à l'extrémité
du fût du pion à souder creux 10.

[0048] [Fig. 5] Sans que cela ne constitue une limite de l'invention et de la portée de la description, les différentes étapes de l'opération de poinçonnage de la tôle 40 par le pion à

souder creux 10 peuvent également être illustrées, en figure 5, en suivant l'évolution de l'effort de poinçonnage F en fonction du temps :

[0049] Référence 1 : conformation du contact entre la surface annulaire de l'extrémité du fût et la surface supérieure de la tôle,

[0050] Référence 2: déformation élastique de la tôle jusqu'à l'effort critique de poinçonnage Fe,

[0051] Référence 3 : déformation plastique de la tôle jusqu'à l'effort critique de poinçonnage Fp,

[0052] Référence 4 : poinçonnage de la tôle,

[0053] Référence 5 : glissement de la surface externe du fût sur la surface interne du poinçonnage

[0054] Référence 6 : contact de la surface inférieure de la collerette sur la surface supérieure de la tôle et augmentation brutale de l'effort de poinçonnage.

[0055] [Fig. 6] En figure 6, la tôle 40 équipée du pion à souder creux 10, ou de plusieurs pions similaires, est placée au-dessus de la tôle 80 en acier, acier inoxydable (dans certaines applications en fonte), c'est-à-dire majoritairement constituée de fer, sur une zone de recouvrement en accord avec les spécifications techniques de l'assemblage. La surface de contact annulaire et saillante 24 est mise en contact avec la surface supérieure 81 de la tôle 80 avec un effort Fi perpendiculaire aux plans des deux tôles et appliqué sur la surface 23 via une électrode de soudage par résistance 90.

[0056] [Fig. 7] En figure 7, le passage du courant entre l'électrode 90 et la tôle 80, reliée électriquement à la masse, entraine le passage du courant dans la pièce 20, majoritairement dans le fût 22, et entraine la fusion locale de l'extrémité de ce dernier à
proximité de la surface de contact annulaire 24 ainsi que sa déformation plastique constituant une masse fondue et affaissée 27 sous l'effet de l'effort Fi. La déformation plastique et les efforts appliqués entrainent une déformation plastique de la tôle 40 moins résistante mécaniquement que le pion à souder creux, et permet d'une part de compenser les éventuelles variations d'épaisseur de la tôle 40 et d'autre part de générer un assemblage mécanique robuste et peu sensible à la relaxation en service.

[0057] Compte tenu de l'absence de découplage thermique entre la pièce 20 et la tôle 40 après poinçonnage ¨ il y a un contact entre la surface externe du fût et la surface interne, ou tranche, de la tôle dans sa zone poinçonnée -, cette méthode d'assemblage est plus indiquée pour l'assemblage de deux tôles métalliques que d'une tôle 40 composite ou thermoplastique sur une tôle 80 majoritairement à base de fer.

[0058] [Fig. 8] La figure 8 montre un exemple de gamme de déformation d'un pion à souder creux selon l'invention à l'aide d'un procédé d'emboutissage/découpe en 10 étapes d'une tôle en acier, faiblement allié d'épaisseur 1 mm. Le pion à souder creux présente une résistance mécanique voisine de 500 MPa après mise en forme (la résistance mécanique de la pièce est déduite d'une mesure de dureté Vickers). Alternativement, une épaisseur de 0.5 mm ou 2 mm peut être utilisée, à titre d'exemples.

[0059] [Fig. 30] La figure 30 montre un autre mode de réalisation de la fabrication d'un pion tel que présenté aux figures 1 à 7. Il consiste en la déformation plastique d'un lopin d'acier découpé dans une bobine de fil en acier (nuance 17B2, par exemple) avec un diamètre calibré éventuellement par filage, par exemple de 8 mm, avec quelques millimètres de longueur. On visualise sur la figure les différentes stations de frappe à
froid avec application d'une matrice et d'un poinçon. Un dépastillage est effectué en fin de processus en sorte de former le trou débouchant, traversant de part en part.

[0060] [Fig. 9] La figure 9 montre des images d'un exemple de résultat de l'opération de poinçonnage/rétention d'un pion à souder creux selon un mode de réalisation de l'invention sur une tôle, vue d'un côté, puis de l'autre. On observe sur les images la surface saillante et annulaire du fût du pion à souder creux après poinçonnage, ainsi que la surface de la collerette sur laquelle l'électrode est appliquée ensuite. Le pion creux reste coincé
dans l'aluminium (ou autre matière si la tôle utilisée est différente, comme évoqué) après poinçonnage de par les efforts mécaniques de rétractation de la tôle aluminium après poinçonnage, éventuellement complété par un léger gonflement du fût du pion creux. Ainsi, le caractère tubulaire du fut 22 facilite la déformation élastique radiale du pion 10 lors du poinçonnage.

[0061] La figure 9 montre aussi les courbes d'effort pour quatre essais de poinçonnage d'une même tôle en alliage d'aluminium de 2 mm d'épaisseur caractérisée par une résistance mécanique de 250 MPa. Les quatre essais mettent en évidence la bonne reproductibilité du poinçonnage avec un effort critique Fp voisin de 9 000 N, que l'opération soit réalisée lentement ou rapidement. Une fois le poinçonnage effectué, le pion peut difficilement être déboutonné de la tôle, car son facteur de forme lui permet d'être retenu par la tôle poinçonnée : compte tenu de l'épaisseur de celle-ci, le pion est suffisamment large pour être retenu.

[0062] [Fig. 10] Différents essais ont été conduits avec des tôles à
poinçonner avec le pion de 2 mm d'épaisseur en alliage d'aluminium avec différents niveaux de résistance mécanique compris entre 250 et 430 MPa. La figure 10 met en évidence un comportement linéaire de l'effort de poinçonnage Fp en fonction de la résistance mécanique de la tôle pour une épaisseur constante de 2mm.

[0063] Les différentes parties de la figure 11 présentent les différentes étapes de l'assemblage d'une tôle en alliage d'aluminium d'épaisseur 2 mm sur une tôle en acier à
l'aide du pion à souder creux selon l'invention, sous forme de coupes micrographiques après enrobage dans une résine et polissage.

[0064] [Fig. 11A] La partie a de la figure 11 présente un pion à souder creux en coupe.

[0065] [Fig. 11B] La partie b de la figure 11 présente un pion à souder creux et la tôle en alliage d'aluminium après l'opération de poinçonnage/rétention.

[0066] [Fig. 11C] La partie c de la figure 11 présente un pion à souder creux et la tôle en alliage d'aluminium après l'opération de soudage par résistance sur une tôle en acier.

[0067] [Fig. 11D] La partie d de la figure 11 est une image grossie d'une moitié du pion à
souder creux en coupe mettant en évidence la zone soudée et le phénomène de déformation plastique de l'extrémité du fût et de la tôle en alliage d'aluminium. L'image met également en évidence une modification de la microstructure du pion à souder creux au niveau du fût révélant le passage privilégié du courant lors du soudage par résistance.

[0068] [Fig. 12] Finalement, la figure 12 présente la photographie d'un assemblage entre une tôle en alliage d'aluminium et une tôle en acier à l'aide du pion à souder creux selon l'invention après un essai mécanique de cisaillement, qui met en évidence une rupture de la tôle en aluminium et non de la soudure, attestant d'un certain niveau de résistance mécanique de l'assemblage selon l'invention.

[0069] Dans le cas d'une rupture dans la tôle en alliage d'aluminium, l'effort appliqué
causant la rupture dépend directement de la résistance mécanique de la tôle d'aluminium et de la section résistante au cisaillement. Ainsi, dans le cas d'une tôle en alliage d'aluminium d'épaisseur 2 mm avec une résistance mécanique de 250 MPa et une section résistante au cisaillement de 30 mm2, par exemple, l'effort causant la rupture est égal à 7 500 N. Dans un cas d'application réel, au niveau de la caisse d'un véhicule par exemple, ni la rupture du pion creux à souder, ni la rupture d'une des tôles de l'assemblage n'est souhaitée.
Le résultat de l'essai présenté figure 12 permet de garantir que le pion à souder creux résiste à un effort maximal de 7 500N, satisfaisant les exigences pour une application d'assemblage hybride automobile.

[0070] [Fig. 13] Selon un second mode de réalisation, représenté en figure 13, et présentant certains avantages, le pion à souder creux 10 selon l'invention peut être constitué d'une première pièce métallique 20 comme décrit précédemment, mais dont le fût est positionné de manière interne vis-à-vis de l'axe, et d'une seconde pièce métallique 30, dont le fût est positionné de manière externe vis-à-vis de l'axe.

[0071] Les pièces creuses interne 20 et externe 30 présentent respectivement des collerettes 21 et 31, et des fûts cylindriques creux 22 et 32 dont les axes de symétrie 60 et 61 sont perpendiculaires aux surfaces supérieure 33 et inférieure 26 des collerettes 31 et 21, respectivement, ces deux surfaces étant des anneaux plans.

[0072] La surface supérieure 33 de la collerette 31 présente une surface annulaire 38 en contact avec la surface inférieure 26 de la collerette 21, de manière à ce que les collerettes 21 et 31 puissent être assemblées mécaniquement par apposition. Le diamètre intérieur Di32 du fût externe 32 est strictement supérieur au diamètre extérieur De22 du fût interne 22 de manière à ce que la surface interne 39 du fût externe 32 ne soit jamais en contact avec la surface externe 25 du fût interne 22. Cela a la conséquence de générer un volume vide 100 entre les fûts des pièces externe 30 et interne 20. La longueur L22 du fût 22 est nécessairement plus grande que la hauteur totale ¨ mesurée de la surface supérieure de la collerette au bout du fût- de la pièce 30, somme de la longueur L32 du fût 32 et de l'épaisseur e30 de la collerette de la pièce externe 30, pour que le pion à souder creux 10 présente une surface annulaire saillante 24, extrémité du fût interne 22 dépassant du fût externe 32.

[0073] [Fig. 14] Les pièces externe 30 et interne 20 doivent être assemblées entre elles sur la zone de contact annulaire 38 par soudure par résistance, par collage, par bridage ou par déformation plastique, de manière à éviter tout mouvement relatif entre les pièces externe 30 et interne 20 lors d'une sollicitation extérieure.

[0074] [Fig. 15] La pièce externe 30 peut également présenter une forme adaptée au niveau de sa collerette 31 pour recevoir la pièce interne 20 qui peut être montée avec un ajustement serré, comme cela est représenté en figure 15.

[0075] [Fig. 16] Inversement la pièce interne 20 peut également présenter une forme adaptée au niveau de sa collerette 21 pour recevoir la pièce externe 30 qui peut être montée avec un ajustement serré, comme cela est représenté en figure 16.

[0076] [Fig. 17] Enfin, une pièce supplémentaire 110 peut être insérée en force entre la surface interne 39 du fût externe 32 et la surface externe 25 du fût 22, pour maintenir mécaniquement les pièces externe 30 et interne 20 l'une à l'autre par force, comme cela est représenté en figure 17.

[0077] Idéalement, lors de l'assemblage des pièces externe 30 et interne 20, les fûts 32 et 22 présentent le même axe de symétrie 63, de manière à ce que la distance séparant les surfaces 39 et 25 soit constante pour créer un volume vide 100 ayant une symétrie de révolution autour de l'axe 63. La séparation peut être de 0,5mm au minimum, par exemple 1 mm, à adapter en fonction de la mise en oeuvre exacte.

[0078] [Fig. 18] Les différentes étapes de l'opération de poinçonnage décrite précédemment avec le premier mode de réalisation du pion à souder creux peuvent être répétées avec le second mode de réalisation du pion à souder creux constitué
des pièces externe 30 et interne 20. Une différence consiste en la présence de la surface saillante annulaire 24 du fût interne qui vient en contact avec la surface supérieure 41 de la tôle 40 avant la surface saillante annulaire 34 du fût externe. Cette différence agit favorablement sur l'opération de poinçonnage car elle permet de mettre localement la tôle 40 sous contrainte de tension, avant que la surface saillante annulaire 34 débute l'opération de poinçonnage.

[0079] L'opération de poinçonnage/rétention peut être reproduite sur différentes zones de la tôle 40 en fonction de la spécification technique du futur assemblage avec la tôle 80.

[0080] L'opération de soudage par résistance pour l'assemblage des tôles 40 et 80 est similaire à celle décrite pour le premier mode de réalisation du pion à souder creux, en utilisant la surface annulaire 24 de la pièce interne 20 pour faire la soudure. De préférence, on utilise un acier faiblement allié avec une bonne soudabilité pour cette pièce interne 20, comme l'acier C10, l'acier DC01, ou l'acier 17B2. A l'inverse l'acier utilisé
pour la pièce externe 30 est de préférence un acier inoxydable pour éviter la corrosion au contact d'une tôle en matériau composite à fibres de carbone, notamment.

[0081] Toutefois, une différence est observée. Lors du soudage par résistance, le volume vide 100, naturellement rempli d'air, fait office de résistance thermique et permet de protéger la tôle 40 contre une montée en température trop importante qui pourrait nuire à ses propriétés mécaniques, notamment lorsque la tôle 40 est constituée d'un matériau composite ou thermoplastique. Le volume vide 100 permet également l'écoulement sous l'effort Fi de la matière du fût 22 de la pièce interne 20 rendue plus molle, adoucie, lors du soudage par résistance.

[0082] La possibilité de déformer plastiquement le fût 22 lors de l'opération de soudage résistif permet de compenser les éventuelles variations d'épaisseur de la tôle 40 et de générer un assemblage mécanique robuste et peu sensible à la relaxation en service.

[0083] L'utilisation de deux pièces externe 30 et interne 20 pour la réalisation du second mode de réalisation du pion à souder creux permet de combiner des matériaux différents pour les deux pièces et d'éviter le développement d'une corrosion galvanique de l'assemblage, en cas d'association d'un composite à fibres de carbone avec une tôle en acier en présence d'humidité pendant la phase d'utilisation. Avec le second mode de réalisation du pion à
souder creux selon l'invention, la pièce externe 30, en contact avec la pièce en matériau composite à fibres de carbone peut être fabriquée avec un acier inoxydable alors que la pièce interne 20 en contact avec la pièce en acier est fabriquée avec un acier faiblement allié pour garantir la qualité de la soudure par résistance. Dans ces conditions, la durabilité et la résistance mécanique d'un assemblage entre une tôle en matériau composite à
fibres de carbone et une seconde tôle en acier est garantie.

[0084] Dans un autre exemple, la pièce externe 30 peut être fabriquée dans un acier déformable et ayant subi après mise en forme un traitement thermique de trempe éventuellement suivi d'un revenu de manière à augmenter fortement ses propriétés mécaniques. Dans ces conditions, la pièce externe 30 permet un poinçonnage facilité de la tôle 40, alors que la pièce interne 20, en acier doux, permet un soudage de qualité avec une tôle 80 majoritairement constituée de fer.

[0085] Dans un autre exemple, la pièce externe 30 peut être fabriquée avec un matériau réfractaire avec une résistance mécanique élevée de manière à faciliter le poinçonnage et à
réduire au maximum l'échange thermique entre la pièce externe 30 et la tôle 40 lors du soudage de la pièce interne 20 sur une tôle 80 majoritairement constituée de fer.

[0086] [Fig. 19] Enfin, une pièce 120, isolante électriquement peut être placée entre les collerettes 21 et 31 des pièces interne 20 et externe 30 de manière à ce que la pièce externe 30 ne soit par traversée par le courant électrique lors du soudage de la pièce 20 et de l'éventuel contact de la surface 34 avec la tôle 80 reliée à la masse. Dans ces conditions, une protection thermique supplémentaire est procurée à la tôle 40, la pièce 30 ne s'échauffant par le passage d'un courant électrique lors du soudage.

[0087] La pièce 120 de l'exemple précédent peut être remplacée par un traitement de surface isolant, résistant à la température, et localisé au niveau de la surface supérieure 33 de la collerette 31. Un tel traitement de surface peut être élaboré par voie sèche - PVD, projection thermique, par exemple - et peut être constitué d'un oxyde réfractaire par exemple, comme A1203.

[0088] La présence d'une pièce intermédiaire 120 ou d'un traitement de surface localisé ne doit pas empêcher l'assemblage mécanique des pièces 20 et 30. Dans ces conditions des assemblages comme présentés sur les figures 15, 16 et 17 peuvent être envisagés.

[0089] [Fig. 20] La figure 20 présente la combinaison des pièces interne 20 et externe 30 pour former le second mode de réalisation du pion à souder creux selon l'invention

[0090] [Fig. 21] La figure 21 présente trois cas de poinçonnage dans trois tôles de 2 mm d'épaisseur de natures différentes : alliage d'aluminium avec une résistance mécanique de 430 MPa pour la tôle 200, composite à 80% de fibres de carbone et 20% de résine époxyde pour la tôle 210, polyester non saturé et chargé à 29% de fibres de verre pour la tôle 220.
Pour ces trois matériaux, les efforts de poinçonnage sont respectivement de 18 600, 9 300, et 4 500 N. La figure 21 met ainsi en évidence la bonne qualité du poinçonnage pour différents types de matériaux. Les principes de l'invention sont applicables même avec la résistance mécanique élevée de la tôle 200 à savoir 430MPa comme cela a été mentionné.

[0091] Pour les deux modes de réalisation de pion à souder creux, l'extrémité
libre du fût 22 ou 32 faisant l'objet de la soudure sur la tôle d'acier peut présenter un chanfrein intérieur, ou une ondulation (une vague), ou des créneaux sur son périmètre, ou toute autre forme ne nuisant par à l'opération de poinçonnage, mais permettant de réduire la surface de contact avec la tôle 80 en acier lors du soudage par résistance. Dans ces conditions, l'intensité du courant de soudure peut être réduite ainsi que l'échauffement des différentes pièces traversées par le courant.

[0092] [Fig. 22] La figure 22 présente trois exemples de pion à souder creux selon le premier mode de réalisation, avec trois géométries différentes de la surface saillante annulaire de l'extrémité libre du fût : avec un chanfrein interne (orienté vers l'intérieur du cylindre) pour la surface annulaire 240, avec une ondulation le long du périmètre (d'amplitude parallèle à l'axe) pour la surface annulaire 241, et avec des créneaux le long du périmètre (les côtés des créneaux étant parallèles à l'axe) pour la surface annulaire 242.

[0093] L'expérience montre que les fûts chanfreinés ou avec des ondulations se comportent bien lors du poinçonnage, même avec des tôles dont la résistance mécaniques est supérieure à 300MPa, alors que les créneaux en bout de fût ont tendance à s'écraser lors du poinçonnage.

[0094] [Fig. 23] En figure 23, on a représenté la possibilité de rajouter, en cas de défaillance de la soudure du pion creux constitué pour l'illustration, selon le deuxième mode de réalisation, des pièces creuses 20 et 30, de pouvoir tirer profit du caractère creux du pion, resté dans l'hypothèse en place malgré sa défaillance, pour réaliser une réparation simple.
Dans ce cas, on utilise le trou du pion creux pour introduire la tige d'un pion standard 250, qui est ensuite soudé par soudure électrique à l'aide d'une électrode appliquée sur sa tête, accessible au-dessus du pion creux, à l'opposé de l'extrémité libre de sa tige qui est en contact avec la tôle 80. Le même principe est applicable avec le pion creux du premier mode de réalisation de l'invention. La tête du pion standard est de plus appuyée sur la face externe de la collerette du pion creux pour serrer les deux tôles 40 et 80, respectivement en acier et soit en aluminium ou en matériau composite ou autre, l'une contre l'autre.

[0095] [Fig. 24] En référence aux figures 24 à 29, une autre approche, pour procurer une protection thermique efficace de la tôle 40 lors de son assemblage avec une tôle en acier 80, consiste en la réalisation d'une rondelle 130 qui présente sur son diamètre interne trois parties saillantes radialement 131 dont les extrémités sont réparties sur un diamètre D autour de l'axe de la rondelle très légèrement inférieur au diamètre externe du fut 22 de la pièce creuse interne 20.

[0096] [Fig. 25] Cette rondelle a de plus une épaisseur e130 inférieure à la hauteur L22 du fut 22 de la pièce creuse interne 20.

[0097] [Fig. 26] En figure 26, on voit l'assemblage de la rondelle 130 sur la pièce creuse intérieure 20, et plus précisément sur son fut 22. La rondelle 130 est poussée jusqu'à
rencontrer la surface de la collerette 21 tournée vers le fut 22, pour former le pion à souder creux 10.

[0098] [Fig. 27] Ainsi la rondelle 130 peut être montée en force sur le fut 22 avec trois points de contact uniquement, à 120 l'un de l'autre par exemple, générant un appui stable de la rondelle 130 sur le fut 22, ainsi que trois volumes d'air 132 se succédant sur trois secteurs angulaires de l'espace torique compris entre le fut 22 et la rondelle 130. Ces volumes d'air 132 sont délimités l'un de l'autre par les parties saillantes radialement 131. L'écart entre le diamètre D et le diamètre extérieur du fut 22 est maitrisé pour assurer un montage en force qui empêche la rondelle 130 de se désolidariser de la pièce 20 sans l'application d'un effort extérieur important.

[0099] [Fig. 28] Une fois la rondelle 130 solidaire avec la pièce 20, la face extérieure 133 de la rondelle sert au poinçonnage de la tôle 40 et à son maintien dans la tôle 40. Le diamètre extérieur de la rondelle 130, référencé De130, est nécessairement inférieur au diamètre extérieur de la collerette 21 de la pièce 20, référencé De21, de manière à
générer une surface de contact 134 annulaire, sur la face de la collerette regardant du côté du fut, avec la tôle 40 après poinçonnage. Cette face de contact est constituée par la surface de la face de la collerette regardant du fut qui dépasse de la rondelle 130, du fait du diamètre plus faible de celle-ci. La surface 134 garantit la résistance mécanique de l'assemblage des tôles 40 et 80 après soudure, en évitant le déboutonnage.

[0100] L'extrémité 24 du fut 22, à l'opposé de la collerette 21, peut avantageusement présenter un double chanfrein de manière à augmenter la résistance de contact lors de la soudure avec la tôle en acier 80 et donc à réduire l'intensité du courant de soudure.

[0101] [Fig. 29] Lors du soudage de l'extrémité 24 du fut 22, la diffusion de la chaleur dans la rondelle 130 ne peut se faire que par les trois parties saillantes 131, et est donc très limitée.
Ainsi, la rondelle 130 s'échauffe beaucoup moins que le fut 22 lors de l'opération de soudage par résistance. Compte tenu de la déperdition de chaleur dans la rondelle 130, la tôle 40, qui reçoit de la chaleur par la rondelle, s'échauffe moins que la rondelle et que le fut 22. La rondelle 130 peut avantageusement être fabriquée dans un matériau qui possède une conductivité thermique réduite pour limiter l'échauffement de la tôle 40 au maximum. Ainsi, par exemple, la rondelle 130 peut être réalisée en acier inoxydable, ou en acier réfractaire.
La rondelle 130 peut avantageusement, et d'un point de vue du coût de fabrication que l'on souhaite être réduit, être réalisée par emboutissage.

[0102] Dans ce qui précède, on a évoqué l'introduction du pion à une ou deux pièces dans la tôle en matériau non électriquement conducteur par poinçonnage avec dépastillage, et rétention du pion. Alternativement, si la tôle en matériau non électriquement conducteur est fabriquée par moulage ou compression de type laminage, thermocompression, estampage, ce qui est aisément le cas si le matériau est un matériau polymère thermoplastique, une résine thermodurcissable ou un matériau composite comprenant des fibres tissées imprégnées d'une résine polymérique, alors le pion ou, si le pion est en deux pièces, la pièce externe du pion (le cylindre supplémentaire) peut être introduit dans la tôle dès sa prise en forme à chaud, par surmoulage. Le pion (ou la pièce externe du pion si le pion est en deux pièces) est alors retenu par la contraction du matériau autour du fut lors du refroidissement.

[0103] [Fig. 31] Si le matériau moulé ou laminé est un thermoplastique renforcé de fibres longues dont au moins certaines sont orientées selon une direction unique dans le plan, on évite de couper les fibres longues par le poinçonnage, puisque les fibres longues peuvent être disposées localement dans la matière autour du pion, la présence de celui-ci les déviant localement de part et d'autre de l'emplacement qu'il occupe sur la tôle sans remettre en cause la présence régulière des fibres longues dans l'ensemble de la pièce, en amont et en aval du pion selon la direction des fibres. Cela permet de s'assurer de la solidité de la pièce, dont les fibres conservent toute leur intégrité, et assurent donc si besoin la transmission d'efforts de l'aval du pion vers l'amont de celui-ci, ou vice versa.

[0104] Cette fabrication par insertion du pion lors de la fabrication de la pièce se conçoit notamment avec le pion à deux pièces, la pièce externe offrant une protection thermique au matériau polymère ou composite pour l'étape de soudure électrique. On précise que la pièce interne du pion peut être présente lors du surmoulage, ou être introduite plus tard.

[0105] L'invention s'applique notamment au secteur automobile, pour l'assemblage de pièces de carrosserie ou de caisse en acier et en alliage d'aluminium, ou pour l'assemblage de pièces en acier et en matière polymère, ou composites.

Claims

Revendications [Revendication 1]. Procédé d'assemblage d'une tôle (40) et d'une pièce métallique à base de fer (80) comprenant une étape de mise en place d'un pion tubulaire (10) ouvert à ses deux extrémités par poinçonnage traversant de la tôle (40) avec un fût dudit pion avec rétention dudit fut (10) par la tôle, une pastille (70) se détachant de la première tôle (40), une collerette du pion venant en butée contre la surface de la tôle (40) une fois le poinçonnage traversant effectué, et les retours élastiques du fut du pion (10) et de la tôle (40) comprimant la surface extérieure du fût, ou par surmoulage dudit pion dans la tôle, puis une étape de soudure d'un tube métallique du pion (10) sur la pièce métallique à base de fer (80) par mise en contact d'une extrémité
libre (24) du tube métallique avec la surface de la pièce métallique à base de fer (80) et soudure par résistance électrique (90).
[Revendication 2]. Tôle pour assemblage mécanique retenant un tube ouvert à
ses deux extrémités et traversant, en métal conducteur d'électricité (20), qui sur une face de la tôle présente un évasement (21) qui vient en butée contre la surface de la tôle (40) et qui sur l'autre face de la tôle présente une extrémité libre (24).
[Revendication 3]. Tôle pour assemblage mécanique selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'il s'agit d'une tôle d'alliage d'aluminium (200), ou d'une tôle en polymère (220) avec ou sans renfort fibreux, ou d'une tôle en matériau composite à matrice organique (210) ou céramique avec ou sans renfort fibreux.
[Revendication 4]. Tôle pour assemblage mécanique selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisée en ce que la matière du tube métallique ouvert à
ses deux extrémités (20) étant maintenue à l'écart de la matière de la tôle (40) par un tube supplémentaire (30), l'extrémité libre (24) du tube métallique ouvert à ses deux extrémités dépassant d'une extrémité libre (34) du tube supplémentaire (30).
[Revendication 5]. Tôle pour assemblage mécanique selon la revendication 4, caractérisée en ce que le tube supplémentaire (30) est en acier inoxydable, en acier trempé, ou encore en matériau non métallique réfractaire à la chaleur.
[Revendication 6] . Tôle pour as semblage mécanique selon l' une des revendications 4 à 5, caractérisée en ce que le tube métallique ouvert à ses deux extrémité (20) et le tube supplémentaire (30) sont assemblés par soudure, colle, bridage ou déformation plastique entre des collerettes terminales respectives (21, 31) des tubes du côté de l'évasement, ou encore bloquée l'une par rapport à l' autre par insertion d'une cale d'épaisseur (110) entre une surface interne du tube supplémentaire et une surface externe opposée du tube métallique ouvert à ses deux extrémités. ou encore par la présence sur le diamètre interne du tube supplémentaire de parties saillantes radialement (131) favorisant un encastrement du tube supplémentaire autour du tube métallique ouvert à ses deux extrémités (20).
[Revendication 7] . Tôle pour as semblage mécanique selon l' une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend une isolation électrique (120) entre la matière du tube métallique ouvert à ses deux extrémités et la matière du tube supplémentaire.
[Revendication 8] . Tôle pour as semblage mécanique selon l' une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend un écartement, selon un développement cylindrique et sur la hauteur du tube en métal conducteur d'électricité, entre la matière du tube métallique ouvert à ses deux extrémités (20) et la matière du tube supplémentaire (30).
[Revendication 9]. Procédé d'assemblage d'une tôle (40) et d'une pièce métallique à base de fer (80) comprenant une étape de mise en place avec rétention par la tôle d'un pion creux, par poinçonnage traversant de la tôle (40) avec un fût dudit pion creux (10), une pastille (70) se détachant de la tôle (40), une collerette du pion venant en butée contre la surface de la tôle (40) une fois le poinçonnage traversant effectué, ou par surmoulage dudit fut dans la tôle (40), puis une étape de soudure d'un cylindre métallique du pion (10) sur la pièce métallique à base de fer (80) par mise en contact d'une extrémité libre (24) du cylindre métallique avec la surface de la pièce métallique à base de fer (80) et soudure par résistance électrique (90).
[Revendication 10]. Procédé d'assemblage d'une tôle et d'une pièce métallique selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'électrode de soudure par résistance électrique (90) est dimensionnée et appliquée de telle sorte que tous les secteurs angulaires du cylindre métallique sont utilisés simultanément pour transmettre l'énergie pour la soudure.
[Revendication 11]. Tôle pour assemblage mécanique retenant un pion creux comprenant un cylindre creux traversant en métal conducteur d'électricité
(20), qui sur une face de la tôle présente un évasement (21) qui vient en butée contre la surface de la tôle (40) et qui sur l' autre face de la tôle présente une extrémité
libre (24).

[Revendication 12]. Tôle pour assemblage mécanique selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'il s'agit d'une tôle d'alliage d'aluminium (200), ou d'une tôle en polymère (220) avec ou sans renfort fibreux, notamment un renfort fibreux à
fibres longues, ou d'une tôle en matériau composite à matrice organique (210) ou céramique avec ou sans renfort fibreux, notamment un renfort fibreux à fibres longues.
[Revendication 13]. Tôle pour assemblage mécanique selon la revendication 11 ou la revendication 12, caractérisée en ce que le cylindre métallique creux (20) est en acier faiblement allié embouti.
[Revendication 14] . Tôle pour as semblage mécanique selon l' une des revendications 11 à 13, caractérisée en ce que la matière du cylindre métallique creux (20) est maintenue à l'écart de la matière de la tôle (40) par un cylindre supplémentaire (30) du pion, l'extrémité libre (24) du cylindre métallique creux dépassant d'une extrémité libre (34) du cylindre supplémentaire (30).
[Revendication 15]. Tôle pour assemblage mécanique selon la revendication 14, caractérisée en ce que le cylindre supplémentaire (30) est en acier inoxydable, en acier trempé, ou encore en matériau non métallique réfractaire à la chaleur.
[Revendication 16]. Tôle pour assemblage mécanique selon la revendication 14 ou la revendication 15, caractérisée en ce que le cylindre métallique creux(20) et le cylindre supplémentaire (30) sont assemblés par soudure, colle, bridage ou déformation plastique entre des collerettes terminales respectives (21, 31) des cylindres du côté de l'évasement, ou encore bloquée l'une par rapport à
l'autre par insertion entre une surface interne du cylindre supplémentaire et une surface externe opposée du cylindre métallique creux d'une cale d'épaisseur (110) ou encore par la présence sur le diamètre interne du cylindre supplémentaire de parties saillantes radialement (131) favorisant un encastrement du cylindre supplémentaire autour du cylindre métallique creux (20).
[Revendication 17] . Tôle pour as semblage mécanique selon l' une des revendications 14 à 16, caractérisée en ce qu'elle comprend une isolation électrique (120) entre la matière du cylindre métallique creux et la matière du cylindre supplémentaire.
[Revendication 18] . Tôle pour as semblage mécanique selon l' une des revendications 14 à 16, caractérisée en ce qu'elle comprend un écartement, selon un développement cylindrique et sur la hauteur du cylindre en métal conducteur d'électricité, entre la matière du cylindre métallique creux (20) et la matière du cylindre supplémentaire (30).
[Revendication 19] . Tôle pour as semblage mécanique selon l' une des revendications 9 à 18, caractérisée en ce que l'extrémité libre du cylindre métallique creux (20) est lisse, ou présente un chanfrein (240), ou présente une ondulation sur son périmètre (241), ou présente des créneaux sur son périmètre (242).
[Revendication 20]. Assemblage d'une tôle (40) et d'une pièce métallique à
base de fer (80) comprenant un pion creux comprenant un cylindre creux en métal conducteur d'électricité (20) traversant la tôle (40) et dont une extrémité présente un évasement (21) en butée contre la surface de la tôle (40), le cylindre métallique creux (20) étant soudé sur la pièce métallique à base de fer (80).
[Revendication 21]. Véhicule automobile dont une structure inclut au moins un assemblage selon la revendication 20.
[Revendication 22]. Procédé de réparation d'un assemblage selon la revendication 12 ou d'un véhicule selon la revendication 21, en cas de défaillance de la soudure, caractérisé en ce que la tige d'un conducteur métallique (250) composé d'une tête et d'une tige de longueur choisie pour la réparation est placée dans le creux dudit cylindre en métal conducteur d'électricité (20), la tête étant appuyée contre l'évasement (21) du cylindre (20) et une électrode de soudure électrique étant appliquée sur la tête pour souder la tige à la tôle.