1.3 Surfaces de l’aluminium : description et analyse
1.3.4 Couche d’oxyde de l’aluminium : description et morcellement en
Si la caractère amorphe de la couche d’oxyde constitue une barrière naturelle qui confère aux alliages d’aluminium des propriétés intéressantes vis-à-vis de la corrosion (notamment pour l’industrie alimentaire), sa présence peut s’avérer problématique dans d’autres situations. En effet, l’oxyde d’aluminium Al2O3, également appelée alumine, est
un matériau céramique fragile dont la température de début de fusion est de 1773 ℃. On peut ainsi retrouver dans le bain fondu d’aluminium des bouts d’alumine à l’état solide, ce qui peut ensuite constituer des régions de faiblesses dans l’aluminium solidifié.
Au cours du laminage à froid de bandes d’aluminium revêtues initialement d’une couche d’oxyde déposée par oxydation anodique, des micro-fissures se forment perpendi- culairement à la direction de laminage (figure 1.13). Le et al. [30] ont notamment montré l’accroissement de l’espacement des micro-fissures avec l’épaisseur de la couche d’oxyde et que l’aluminium en sous-surface est extrudé au travers de ces micro-fissures et entre en contact avec le laminoir lorsque la réduction est supérieure à 13% (figure 1.14).
Figure 1.13 – Micrographie présentant les micro-fissures apparaissant sur la surface des bandes laminées à froid (ici pour une réduction de 30%) [30].
Figure 1.14 – Coupe micrographique présentant l’extrusion de l’aluminium au travers des micro-fissures de la couche d’oxyde au cours du laminage [30].
Chap. 1 - Mise en forme de l’aluminium
Frolish et al. [31] ont mis en place une analyse micrographique (MEB) et par éléments finis du comportement de la couche d’oxyde de l’aluminium et de l’acier en laminage à chaud. Toutefois, ceux-ci sont arrivés à la conclusion que la multiplicité et le complexité des phénomènes à prendre en compte nécessite de la construction d’approches numériques plus sophistiquées.
Fishkis et Lin [32] ont également observé qu’outre une couche de surface continue composée d’oxydes métalliques (Al2O3 amorphe et MgO), les alliages Al-Mg laminés à
chaud possèdent également une couche de sous-surface de structure et de propriétés dif- férentes du métal de base (figure 1.15). En augmentant le nombre de passes de laminage, l’épaisseur de la sous-couche diminue (5 à 8 µm après une passe contre 1,5 à 2 µm après six passes) ainsi que le nombre d’oxydes cristallins présents dans cette sous-couche (Al2O3
amorphe, MgO, γ-Al2O3 et MgAl2O4 après une passe contre uniquement MgO après 6
passes). Les observation MEB de la couche continue d’oxyde de surface indique une dé- croissance de son épaisseur de 100-160 nm après deux passes à 25-80 nm après 4 passes. L’amincissement de cette couche avec le nombre de passes s’explique par l’expansion de cette couche et une diminution de la température de surface. En effet, au cours de for- mage, l’épaisse couche initiale se morcelle et est distribuée sur une plus grande surface. L’apparition de surface fraîche conduit à la formation de nouveaux oxydes, or la vitesse d’oxydation est liée à la température de la tôle qui diminue au fur et à mesure des passes, si bien que la couche d’oxyde de surface s’affine avec le nombre de passes.
Figure 1.15 – Représentation schématique de la couche continue d’oxyde et de la couche de sous-surface d’un Al-Mg [32]
Figure 1.16 – Schéma illustrant le mor- cellement de la couche d’oxyde sous l’ac- tion d’un effort de pression P conduisant à l’apparition de surface fraîche à l’interface de soudage.
Enfin, le troisième domaine d’application où la couche d’oxyde pose problème concerne le soudage de l’aluminium. En effet, la couche d’oxyde étant amorphe, il est nécessaire de passer outre cette couche pour pourvoir former des liaisons métalliques. Dans ce but, les procédés de soudage de l’aluminium doivent donc pouvoir décaper la couche d’oxyde. On
peut par exemple utiliser un flux électronique complété par un gaz de protection (procé- dés classiques de type TIG, MIG/MAG, etc.) ou un effet thermo-mécanique (procédés de soudage en phase solide de type FSW, soudage par pression, etc.).
Ainsi, pour Kolmogorov et al. [33], les principaux facteurs influant la solidité des jonc- tions métalliques créées par un procédé de soudage en phase solide sont la composition chimique des métaux, la température, la pression, la déformation subie localement à l’in- terface de soudage, l’épaisseur de la couche d’oxyde et son morcellement conduisant à la création de surfaces fraîches (figure 1.16). Enfin, la figure 1.17 illustre le processus de soudage par pression :
Figure 1.17 – Schéma de principe du mécanisme de jonction en soudage par pression
(a) : après une étape de préparation des surfaces, les deux parties à souder sont mises en
contact (métal de base en gris et couche d’oxyde en jaune).
(b) : sous l’action de l’effort de pression vertical, le métal de base et la couche d’oxyde
à l’interface se déforment plastiquement. Or, la couche d’oxyde est essentiellement composée d’alumine qui est un matériau céramique et est donc fragile : l’accumu- lation de la déformation plastique conduit au morcellement de l’oxyde. Des micro- fissures se forment et laissent apparaître de la surface fraîche, c’est-à-dire de l’alu- minium non oxydé.
(c) : l’augmentation de la pression isole peu à peu les îlots d’oxyde entre lesquels s’extrude
le métal de base (voir également figure 1.14).
(d) : la haute réactivité de la surface fraîche conduit à la création de jonctions métalliques
CHAPITRE
2
LE SOUDAGE THERMOMÉCANIQUE
EN PHASE SOLIDE
U
n second thème fortement étudié en métallurgie est l’assemblage de différents com- posants afin d’élaborer des systèmes complexes : parmi l’ensemble des techniques, on s’intéresse ici aux procédés de soudage thermomécaniques dont les plus courants sont présentés ci-après.Les techniques de soudage assurent la continuité des pièces à assembler contrairement au rivetage, sertissage, collage ou boulonnage qui présentent des discontinuités physiques et/ou chimiques. Si le champ d’application du soudage est large puisque verres, céramiques et matières plastiques peuvent être soudés, ce chapitre se limite au cas du soudage des matériaux métalliques. En ce sens, le soudage consiste à réunir de façon permanente deux ou plusieurs éléments, de manière à assurer la continuité entre les parties à assembler, soit par chauffage, soit par pression soit par combinaison de l’un ou de l’autre. Par ailleurs, l’emploi ou non d’un produit d’apport dont la température de fusion est voisine ou non de celle du matériau constituant les éléments à assembler permet de faire le distinguo entre les notions de soudage, de brasage et de soudobrasage.
Il convient de noter l’importance du terme continuité qui sous-entend à la fois [34] : – la continuité provenant des forces de liaisons atomiques (ou moléculaires) ;
– la continuité découlant de la géométrie des parties assemblées ;
– et, à un degré moindre, la continuité résultant des constituants chimiques, physico- chimiques donc des caractéristiques physiques des parties assemblées qui seront par la suite définies par le terme matériau de base.
2.1 Notions de soudabilité
Préalablement à la présentation des procédés de soudage, il est utile d’introduire les notions de soudabilité. Ainsi, la définition de la soudabilité proposée par l’ISO (Organi- sation Internationale de Normalisation) s’énonce en ces termes [34] :
« Un matériau est soudable à un degré donné, par un procédé et pour un type d’application donnés, lorsqu’il se prête, moyennant les précautions correspondant à ce degré, à la réalisation d’une construction entre les éléments de laquelle il est possible d’établir la continuité métallique par la constitution de joints soudés qui, par leurs propriétés locales et les conséquences globales de leur présence, satisfont aux caractéristiques requises et choisies comme bases de jugement. »
Cette définition fait ressortir le caractère subjectif de la notion de soudabilité. En réalité [34], le terme soudabilité peut être considéré selon trois niveaux distincts :
soudabilité opératoire : Il s’agit de l’aptitude physique que présente le matériau consi-
déré à assurer la continuité (métallique) par le biais de la solidification ou de la diffusion retenue comme mode d’obtention au travers du procédé mis en œuvre. L’exemple typique d’un problème de soudabilité opératoire est celui généré par la présence d’une couche d’oxyde réfractaire et résistante à la surface de certains mé- taux et alliages (Aluminium et Magnésium par exemple), qui empêche la diffusion et crée une solution de continuité lors de la solidification.
soudabilité locale (dite aussi métallurgique) : Cette notion fait intervenir l’altération
des propriétés du matériau au voisinage même de la liaison soudée par suite du cycle thermique, mécanique ou thermomécanique induit par le mode opératoire de soudage mis en œuvre. On peut ainsi introduire les notions de zone fondue (ZF), de zone de liaison (ZL) et de zone affectée thermiquement (ZAT). L’exemple typique d’un problème de soudabilité locale est celui de la trempe martensitique en soudage d’acier trempant, conduisant en ZL et ZAT à la création d’une zone de fragilité excessive sensible à la fissuration.
soudabilité globale (dite aussi constructive) : Cette notion prend en compte les modi-
fications du comportement global de la construction soudée qui se trouve affecté par la sensibilité à la fissuration (à froid ou à chaud) et la présence de contraintes rési- duelles dans la zone soudée. Dans le cas des aciers non austénitiques, un problème typique de la soudabilité globale porte sur la possibilité de rupture fragile du joint soudé.