Déformation plastique du matériau soudé 15 

L’écoulement du matériau qui résulte du passage de l’outil et qui mène à la formation du joint est un phénomène qui suscite de multiples interrogations. En effet, l’observation directe de cet écoulement n’est pas possible et certaines méthodes indirectes ont dues être développées afin d’en déduire les caractéristiques.

Comme le soudage est réalisé à l’état solide, le FSW peut être considéré comme une opération de mise en forme au même titre que le forgeage ou l’extrusion. La déformation plastique du matériau dépend donc de la géométrie et de la cinématique de l’outil. Cette cinématique comprend un mouvement de rotation et un mouvement de translation. Le mouvement de rotation engendre un champ de vitesse tangentiel qui entraîne le matériau dans un écoulement cylindrique autour du pion (Figure 1-4 a)). Cet écoulement peut prendre une forme conique pointant vers le bas. Dans ce cas, les arêtes du cône coïncident avec celles de l’épaulement et de la tige.

La translation de l’outil dans le sens du joint produit un mouvement horizontal de matière (Figure 1-4 b)). Le matériau échauffé est déplacé horizontalement entre la paroi de l’outil et le matériau environnant qui est plus froid, selon un écoulement qui s’apparente à celui observé pour le procédé d’extrusion.

Figure 1-4: Description schématique de l’écoulement du matériau (Schneider, J. A. et Nunes Jr., 2004).

Pour un outil fileté ou vrillé, le matériau situé à proximité de la tige est déplacé verticalement. La direction de cet écoulement (vers le haut ou vers le bas) dépend de la géométrie des filets ou de la vrille par rapport au sens de la rotation. Comme le métal incompressible est confiné par l’épaulement, le support inférieur et le matériau froid environnant, le matériau est soumis à une succession de déplacements ascendants et descendants (Figure 1-4 c)). La combinaison de ces trois mouvements de matière produirait un écoulement en forme de spirale tel que montré à la Figure 1-4 d) (Schneider, J. A. et Nunes Jr., 2004).

Des expériences ont été menées pour confirmer ces hypothèses en déterminant les déplacements de matière provoqués par l’outil à l’aide de traceurs ayant été insérés dans le matériau soudé. Cette approche est indirecte puisque l’écoulement est déduit à partir de l’écart entre les positions initiale et finale des traceurs. Si elle permet de vérifier qu’il y a bel et bien un mouvement vertical du matériau, il n’est pas possible de confirmer qu’une particule est soumise à un nombre bien défini de tours de l’outil. Dans certains cas (Schmidt, H. N. B., Dickerson et al., 2006), le film métallique placé à l’interface entre les deux plaques soudées se brise sans que les fragments n’effectuent nécessairement de tour complet. Par ailleurs, les résultats d’une expérience dans laquelle un fil de plomb introduit dans le côté entrant du joint est dispersé au passage de l’outil montrent des écarts intermittent et irrégulier entre les particules dispersées en demi-cercles successifs. L’origine de cette fluctuation est encore mal connue et il a été suggéré qu’elle pourrait résulter d’une variation de la condition de contact à l’interface matériau/outil ((Schneider, J., Beshears et al., 2006), (Schmidt, H. N. B., Dickerson et al., 2006)).

Des expériences similaires ont été réalisées à l’aide de marqueurs transversaux (Figure 1-5). Lors du passage de l’outil le matériau du côté entrant (advancing side), c’est-à-dire du côté où la vitesse tangentielle de l’outil est orientée dans la même direction que la direction du soudage, est entraîné dans la direction de soudage. Le matériau situé à proximité de l’outil forme une bande de cisaillement intense qui est déplacée autour du pion, alors que le matériau se trouvant plus en périphérie reste en place (Zhao, Lin et al., 2005). D’autre part, l’écoulement du matériau se divise en deux régions : l’une dans la partie supérieure de la plaque, où l’écoulement est dominé par l’action de l’épaulement; l’autre plus en profondeur où l’écoulement est dominé principalement par la tige (Guerra, Schmidt et al., 2003).

Le matériau entraîné par le mouvement de l’outil passe du côté entrant au côté sortant (retreating side), puis il est déplacé à l’arrière du pion, où il est déposé par couches successives, ce qui mène à l’apparition d’une structure en pelures d’oignon ou en bandes (Schneider, J. A. et Nunes Jr., 2004). La Figure 1-6 montre le processus de déposition de ces bandes. Cette image a été obtenue en usinant la surface d’un joint soudé, suite à un arrêt brutal du soudage.

Figure 1-5: Déplacement d’un film traceur transversal dans l’épaisseur de la plaque, autour du pion (en haut) et sous l’épaulement (en bas) (Zhao, Lin et al., 2005).

Figure 1-6: Déposition du matériau à l’arrière de l’outil (Chen, Pasang et al., 2006).

L’analyse de la texture cristallographique des bandes montre une alternance de propriété d’une bande à l’autre. Le premier type de bande est formé de grains recristallisés, équiaxes et sans orientation préférentielle. Le second type de bande, en alternance avec le premier, est formé de grains qui sont aussi équiaxes et recristallisés, mais montrant une orientation préférentielle qui consiste en un alignement des pôles cristallographiques (Nandan, Lienert et al., 2008) avec l’axe

de rotation de l’outil (Schneider, J. A. et Nunes Jr., 2004). Cette différence montre que le mouvement de rotation de l’outil induit un écoulement de nature périodique.

La structure en bandes a été étudiée pour en déterminer le mécanisme de formation. Des mesures de dureté sur les bandes ont montré une alternance entre deux valeurs de dureté d’une bande à l’autre (Yang, Yan et al., 2004). Une différence de la taille des grains recristallisés est également observée. Des mesures similaires ont été effectuées sur un joint produit par le soudage de deux alliages d’aluminium différents, l’un appartenant à la série 2XXX (AA2024) et l’autre à la série 7XXX (AA7075) (Sato, Kurihara et al., 2006). Ces résultats montrent (Figure 1-7) une alternance de bandes constituées de chacun des matériaux initiaux. Ils observent aussi que la structure en bandes est favorisée par un apport de chaleur plus important. La structure en bandes semble donc issue d’une déposition successive de matériau provenant des côtés entrant et sortant.

Figure 1-7: Profil de microdureté obtenu sur des bandes côte-à-côte d’un joint réalisé à partir des alliages AA2024 et AA7075 (Sato, Kurihara et al., 2006).