4. Résultats
4.3. Effets des paramètres de fabrication sur les propriétés mécaniques
4.3.1. Résistance mécanique des joints
4.3.1.2. Échantillons d’essais de flexion trois-points
Dans l’optique d’explorer une nouvelle méthode de caractérisation des joints tout en utilisant un type d’essai normé, l’utilisation d’éprouvettes de flexion trois-points a été sélectionnée. Cette méthode permet d’évaluer la résistance des interfaces en imposant une charge parallèle aux joints, qui met la face opposée en tension et favorise la décohésion des feuillards (Figure 28). Ce type d’essai convient bien au procédé de FASU compte tenu des raisons suivantes :
Elle permet d’analyser une surface plus grande que les essais de traction avec échantillons miniatures (~40x plus grande considérant seulement la surface en tension sous l’axe neutre) ;
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La hauteur de dépôt nécessaire est beaucoup moindre que celle des spécimens pour les essais de tractions standards ;
La fabrication des échantillons est simple ;
La manipulation des échantillons est facile pour les essais.
Un plan d’expérience complet comportant 4 facteurs et 2 niveaux (24) a été réalisé pour discerner les effets reliés aux paramètres de production. Les résultats sont ensuite comparés avec ceux préalablement obtenus en utilisant des éprouvettes d’essais de traction miniatures. Encore une fois, les niveaux utilisés sont ceux du Tableau 6. Puisqu’il est impossible pour l’instant de déposer suffisamment de matériel en utilisant l’alliage 5052 pour la fabrication de ces échantillons, seuls les feuillards de l’alliage 5005 ont été utilisés. Les résultats de TRS moyens sont présentés au Tableau 11 tandis que les données complètes accompagnées de l’analyse statistique se trouvent en Annexe E. Au total, 61 échantillons ont servi à produire les résultats suivants.
Tableau 11 : Résultats du plan d’expérience des essais de flexion trois-points pour l’alliage 5005 Force Avance Amplitude Température 𝑻𝑹𝑺̅̅̅̅̅̅
x1 x2 x3 x4 MPa 1 1 1 1 174 ±6 -1 1 1 1 169 ±4 1 -1 1 1 168 ±13 -1 -1 1 1 167 ±10 1 1 -1 1 152 ±10 -1 1 -1 1 122 ±3 1 -1 -1 1 163 ±2 -1 -1 -1 1 163 ±3 1 1 1 -1 129 ±7 -1 1 1 -1 126 ±3 1 -1 1 -1 127 ±8 -1 -1 1 -1 149 ±8 1 1 -1 -1 115 ±9 -1 1 -1 -1 99 ±4 1 -1 -1 -1 127 ±4 -1 -1 -1 -1 120 ±3
La régression obtenue, composée uniquement des paramètres significatifs est présentée à l’équation 11 et possède un coefficient de détermination (R²) de 0,94 ainsi qu’un coefficient
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de détermination ajusté de 0,92. Même si l’interaction triple et quadruple sont statistiquement significatives, il est difficile de conclure sur leur réelle utilité. Leur retrait au sein de la régression, par ailleurs, n’est guère visible sur les estimations ni sur les coefficients de détermination.
𝐹3𝑃5005−𝐻38 = 142 + 2,6𝑥1 − 6,2𝑥2+ 9,3𝑥3+ 17,8𝑥4+ 4,2𝑥1𝑥2− 4,0𝑥1𝑥3+ 1,9𝑥1𝑥4+ 4,5𝑥2𝑥3 + 3,1𝑥2𝑥3𝑥4− 2,6𝑥1𝑥2𝑥3𝑥4 (Éq.11)
Bien qu’une multitude de paramètres soient présents, les trois effets les plus importants en ordre décroissant sont la température (x4), l’amplitude d’oscillation (x3) et finalement la vitesse d’avance (x2). À l’exception du paramètre relié à la température, l’amplitude d’oscillation et la vitesse de soudage sont encore une fois les facteurs déterminant pour la résistance des joints. Par contre, l’utilisation de ces trois facteurs seulement au sein de la régression n’est pas suffisant pour être significatif sous un degré de confiance de 95 %. Les résultats affichent clairement l’effet bénéfique de l’utilisation d’une préchauffe sur la résistance des joints. Pour les mêmes paramètres de fabrication, les échantillons de l’alliage 5005 soudés avec une préchauffe de 150°C atteignent des résistances en moyenne 36 MPa plus élevés que ceux fabriqués à température ambiante. Le Tableau 12 présente les résistances TRS moyennes minimales et maximales obtenues lors des essais mécaniques selon les paramètres et les deux températures expérimentées. Une courbe représentative de chaque combinaison est tracée dans le graphique de la Figure 42, où la force enregistrée par la cellule de charge est présentée en fonction du déplacement de la tête.
Tableau 12 : Résistances TRS minimales et maximales selon la température Préchauffe Résultat Force Avance Amplitude 𝑻𝑹𝑺̅̅̅̅̅̅ (MPa)
20°C TRS min -1 1 -1 99
TRS max -1 -1 1 149
150°C TRS min -1 1 -1 122
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Figure 42 : Courbes d’essais de flexion trois-points pour les résistances moyennes minimales et maximales à 20 et 150°C
En examinant de plus près les échantillons d’essais de flexion trois-points, deux tendances sont visibles auprès de la face testée en tension. Certains spécimens affichent une propagation de fissure plus fragile tandis que d’autres sont plus ductiles. La Figure 43 expose la face en tension à faible grossissement pour les échantillons F3P05-20/TRS min et F3P05-20/TRS max. Il est également possible de distinguer les différentes couches de feuillards ainsi que les sillons d’usinage. Dans le cas de la Figure 43a, la propagation de la fissure est nette et se produit majoritairement au niveau de la même interface soudée. Par contre, cette tendance n’est pas du tout la même lors de l’observation de la Figure 43b. Ce signe de ductilité à la figure b) est également distinguable dans le graphique de la Figure 42 où la force diminue progressivement suite à l’atteinte du maxima pour les échantillons affichant une résistance maximale TRS à 20 et 150°C. À la lumière de ces résultats, il est possible d’obtenir une résistance plus élevée à température ambiante qu’avec une préchauffe en choisissant une combinaison de paramètres adéquats. Les propriétés minimales et maximales obtenues à température ambiante sont respectivement pour des conditions énergétiques minimales et maximales, en considérant seulement les paramètres significatifs trouvés à la section 4.2. Lors de l’utilisation d’une préchauffe à 150°C, cette situation est aussi vérifiée pour la résistance minimale. Toutefois, la résistance moyenne maximale n’a pas été obtenue pour les paramètres d’énergie maximale (1 :-1 :1 :1), mais plutôt pour la condition (1 :1 :1 :1). Par contre, un test de Student sur la différence des moyennes selon un α = 5 % indique que les deux moyennes ne sont pas significativement
0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Fo rce ( N ) Déplacement (mm) F3P05-20/TRSmin F3P05-20/TRSmax F3P05-150/TRSmin F3P05-150/TRSmax
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différentes, résultant de l’écart-type important de la combinaison 1 :-1 :1 :1. La condition énergétique maximale à température élevée présente cependant la résistance TRS la plus élevée de tous les échantillons testés.
F3P05-20/TRS min F3P05-20/TRS max
a) b)
Figure 43 : Propagation de la fissure sur la face en tension lors des essais de flexion trois-points à température ambiante a) résistance TRS minimale obtenue et b) résistance TRS maximale