1.1
Contexte
Le soudage par friction malaxage est un procédé qui permet de remplacer le rivetage pour l’assemblage du fuselage de la nouvelle génération des avions de transport. L’élimination des rivets permet de diminuer le temps de fabrication, la traînée et de réduire le poids des appareils, ce qui signifie une réduction des coûts et de la consommation de carburant. Des compagnies comme «Eclipse» détiennent un grand nombre de brevets sur l’utilisation de ce procédé pour la fabrication de leur jet d’affaires. Cependant, cette technique n’est pas très répandue à cause du manque de données sur le contrôle du procédé et les propriétés mécaniques des joints soudés.
Le CNRC (Montréal) qui fait partie du Conseil National de Recherches du Canada (CNRC) - Aérospatiale étudie le SFM depuis 2002. Le CNRC et l’École Polytechnique de Montréal ont entamé une collaboration dans le but d’étudier les joints SFM bout à bout. Le CNRC fournit l’équipement nécessaire et l’expertise pour réaliser les soudures et la caractérisation métallographique tandis que l’École Polytechnique fournit l’expertise en matière de modélisation numérique du procédé et de caractérisation mécanique. Cette collaboration a permis de réaliser un premier projet sur la modélisation numérique du procédé et l’effet des paramètres de soudage sur la résistance en fatigue des joints SFM dans le cadre des études doctorales de Gemme (2011). Cette étude a permis d’identifier les paramètres de soudage de l’AA7075-T6 de 2,3 mm d’épaisseur qui donnent une bonne performance en fatigue et bonne productivité, deux facteurs importants au niveau industriel. Le projet de cette thèse a été lancé à la suite du premier dans le but d’étudier l’effet de parachèvements sur la résistance en fatigue et la réduction des déformations des tôles en AA7075-T6 de 2,3 mm.
1.2
Problématique
Les joints par SFM possèdent des caractéristiques distinctives par rapport aux joints soudés par des procédés conventionnels. Les bourrelets du joint et les sillons laissés par l’outil sont des
formes de concentration de contraintes qui facilitent l’amorçage de fissures de fatigue, constituant donc une faiblesse mécanique.
Pour certains alliages, le cycle thermique du soudage cause une chute de dureté dans la zone affectée thermiquement (ZAT) à cause de la dissolution des précipités. La microdureté montre un profil en "W" où la dureté minimale est dans la ZAT. Les propriétés mécaniques de la ZAT sont
inférieures à celles du métal de base, ce qui constitue une faiblesse métallurgique.
Plusieurs méthodes ont été suggérées pour l’amélioration de la résistance en fatigue comme le tensionnage (Richards, Prangnell et al. 2008; Altenkirch, Steuwer et al. 2008b), le grenaillage de précontrainte (Cheng, Fisher et al. 2003), le martelage par chocs laser (Hatamleh 2008) et l’usinage (Uematsu, Tokaji et al 2009). Chacune de ces méthodes implique l’ajout d’une opération manufacturière et l’utilisation d’un autre type d’équipement que la machine de soudage.
Le brossage est un procédé qui permet de réduire la sévérité de la faiblesse mécanique en atténuant les bourrelets et sillons du joint. Il est possible de l’appliquer sur la machine de soudage et en utilisant le même montage. Ce procédé a été expérimenté par Gemme (2011) qui n’a toutefois pas exploré l’effet des paramètres de brossage tel que le nombre de passes, la vitesse de rotation et la pénétration de la brosse sur les caractéristiques du joint.
Un traitement thermique de mise en solution et précipitation permettrait de restaurer les propriétés mécaniques de la ZAT des joints SFM en AA7075-T6, ce qui éliminerait la faiblesse métallurgique.
Les contraintes résiduelles autour du joint causent une déformation permanente dans les plaques. Plusieurs recherches ont été publiées sur la réduction de la déformation des plaques soudées par galetage ou brunissage. Ces traitements affectent la distribution des contraintes résiduelles autour du joint, mais aucune publication ne fait mention de l’effet du galetage sur la résistance en fatigue des joints galetés.
1.3
Objectifs généraux et spécifiques
La présente recherche a pour but d’étudier le comportement en fatigue de joints SFM bout à bout de 2,3 mm d’épaisseur en AA7075–T6 à l’état brut de soudage et après parachèvement par usinage, brossage, galetage et traitement thermique de mise en solution et revenu.
Les objectifs spécifiques de ce projet sont les suivants:
- Mise en œuvre de procédés de parachèvement par brossage, galetage, usinage, et par brossage suivi de traitement thermique afin de réduire la sévérité des défauts géométriques en surface (sillons et bourrelets de soudage) et de remonter la dureté dans la ZAT pour ainsi améliorer la résistance en fatigue de joints SFM. Le galetage doit aussi pouvoir réduire la déformation des tôles soudées.
- Étude des contraintes résiduelles en surface par diffraction des rayons X sur une plaque soudée et des échantillons de fatigue avant et après parachèvement par brossage.
- Étude de la microstructure par des coupes métallographiques et des mesures de microdureté dans le but de mettre en évidence l’effet du soudage et du traitement thermique sur la microstructure.
- Caractérisation du fini de surface des joints SFM bruts de soudage et des joints brossés. - Caractérisation des défauts de planéité des joints SFM bruts de soudage et des joints
galetés afin de mesurer la réduction de la déformation après galetage.
- Caractérisation mécanique en traction et en fatigue du métal de base et des joints SFM avant et après parachèvements dans le but de déterminer les conditions de parachèvement qui offrent les meilleures propriétés mécaniques en traction et en fatigue entre 104 et 107
cycles.
1.4
Organisation du document
Le chapitre 2 détaille l’étude bibliographique incluant la description du procédé, les caractéristiques métallurgiques et mécaniques du joint, les techniques de parachèvement et leur utilisation sur les joints SFM.
La description des techniques expérimentales est faite au chapitre 3. Ce dernier inclut la méthode de fabrication et l’optimisation de la force verticale, les techniques de parachèvement et leur mise en œuvre et les différents types de caractérisation. Ainsi, ce chapitre explique comment ont été réalisées les coupes métallographiques et les mesures de microdureté, la caractérisation de la rugosité de surface et les mesures de contraintes résiduelles avant et après brossage, les mesures des défauts de planéité avant et après galetage et le montage des essais de traction et de fatigue.
Le chapitre 4 analyse les mesures des contraintes résiduelles, les métallographies macroscopiques et microscopiques, les cartographies de microdureté et les mesures des déformations avant et après galetage. Il expose aussi les résultats des essais de traction et de fatigue, incluant les analyses fractographiques, effectués sur les joints sur les joints bruts de soudage et parachevés.
La discussion des résultats expérimentaux est présentée au chapitre 5. Elle porte sur l’interprétation des résultats des essais mécaniques de chacune des techniques de parachèvement.
Enfin, le chapitre 6 expose les conclusions du projet en mettant en évidence la contribution scientifique. Le document termine par des recommandations faites à la lumière des résultats obtenus.