Discussion - Effets de la concentration en magnésium dans les alliages d'Al-Mg sur la fabricati

La composition chimique des feuillards influence sans équivoque la capacité du procédé à produire des joints de qualité. Dans la présente étude, l’effet de la concentration en magnésium à un impact visible sur différents aspects, depuis les propriétés mécaniques initiales des feuillards de base à l’incapacité d’obtenir un joint décent pour des teneurs élevées.

L’utilisation de divers plan d’expériences ont permis la détermination des effets principaux sur la résistance des joints produit par FASU sur les alliages 5005 et 5052 dans l’état H38. Ces effets ont été déterminés par le biais d’échantillons d’essais de traction hors normes et par l’utilisation d’éprouvettes de flexion trois-points. Après analyse statistique, seule la vitesse d’avance de soudage et l’amplitude d’oscillation sont significatives lors de la caractérisation mécanique des joints par essais de traction miniatures. En ce qui concerne les résultats obtenus pour les essais de flexions trois-points, plusieurs paramètres se sont révélés être significatifs. Toutefois, les effets les plus importants en ordre décroissant sont les effets individuels de la température, de l’amplitude et de la vitesse d’avance. Les deux essais convergent vers le même résultat par lequel la résistance des joints peut être augmentée par une hausse de l’énergie de soudage via les paramètres de production. Cette hausse pouvant provenir d’une préchauffe, ou simplement de la réduction de la vitesse d’avance jumelée ou non avec une augmentation de l’amplitude d’oscillation. Lors de l’utilisation de la plage paramétrique du Tableau 6, les meilleurs joints produits pour les alliages 5005 et 5052 possèdent des résistances en traction moyenne respectives de 70 et 86 MPa. Il s’agit de 39 et 32 % des propriétés mécaniques initiales des feuillards. Elles ont tous deux été obtenues pour des niveaux d’énergie maximale soit une force normale et une amplitude maximale, avec une avance minimale. L’utilisation d’une préchauffe et d’une vitesse d’avance considérablement réduite pour la production de l’échantillon B52-110 a permis d’obtenir une résistance en traction moyenne de 120 MPa, soit 45 % des propriétés du matériel de base.

Bénéfiques pour les joints produits, la hausse énergétique n’est pas nécessairement souhaitable pour les propriétés mécaniques dans les autres directions de construction. Lors du soudage ultrasons de la nuance 5005, les propriétés mécaniques dans la direction X ont

montrées être fortement influencées par les paramètres de production et ce, sous les deux températures évaluées. Cet alliage permet donc une modulation des propriétés mécaniques en fonction des paramètres de production par laquelle une hausse énergétique vient à baisser graduellement la résistance en tension, mais bonifier la ductilité. Pour des paramètres énergétiques minimaux à 20°C, la résistance en traction dans la direction longitudinale est identique à celle des feuillards initiaux mais l’allongement est 10 fois plus important. Si la température de préchauffe est portée à 150°C et les paramètres de FASU sous des conditions énergétiques maximales, la résistance en traction diminue légèrement à 83 % pour un allongement équivalent à 25 fois celui présent dans le feuillard de base. N’étant pas influencé par les paramètres de production comme le 5005, l’alliage 5052 qui comporte une concentration en Mg trois fois plus élevée en solution solide, n’est seulement affecté que par la température de préchauffe. Lorsque soudé à température ambiante, la résistance en traction longitudinale est équivalente et parfois même supérieure aux propriétés des feuillards avec un allongement également 4 fois supérieur. Lorsque la température de préchauffe est portée à 150°C, la résistance en traction diminue légèrement à 97 % des propriétés initiales avec un allongement 9 fois plus élevé. L’utilisation d’une préchauffe est donc bénéfique.

Lors de la production de blocs, les alliages testés affichent un comportement plus fragile dans la direction Y comparativement à la direction longitudinale. Cette caractéristique est d’autant plus visible avec la hausse de la teneur en Mg pour des paramètres standards lorsque soudé à température ambiante. Les propriétés obtenues sont hautement anisotropes et proviennent à la fois de la méthode de fabrication utilisée, déposant continuellement les bandes selon l’axe longitudinale, et de l’anisotropie initiale des feuillards. Pour des paramètres de production identiques, l’alliage 5005 permet d’obtenir des résistances dans les directions X et Y équivalentes à la résistance en traction du feuillard. L’allongement est par contre presque 3 fois plus important dans la direction longitudinale que transversale. Pour l’alliage 5052, les propriétés longitudinales sont également similaires aux feuillards avec des résistance égales ou supérieures ainsi qu’avec un allongement un peu plus de 5 fois supérieur. Cette résistance diminue rapidement en Y avec seulement 77 % des propriétés initiales, causé par un manque d’adhésion aux endroits de superposition des

feuillards. Des joints de moins bonne qualités sont visible lors de la fabrication des échantillons, où ce type de défaut est présenté à la Figure 59. La dernière jonction a été soudée selon la couche n et le décalage des couches précédentes est encore visible même après la superposition de plusieurs bandes. Ces joints produisent des profils de rupture dans lesquels le patron de décalage est discernable (Figure 60) expliquant la baisse de résistance en traction.

Figure 59 : Défauts visibles lors du décalage des couches pour la production de l’échantillon B52-20

Figure 60 : Profil de rupture d’une traction dans la direction Y de l’échantillon B52-20

Cette problématique a été largement diminuée lors de la production du bloc B52-110, par l’utilisation de la préchauffe et d’une vitesse d’avance largement réduite. Par le biais de ces paramètres, il s’agit du seul bloc soudé affichant une déformation plastique homogène avant la rupture de l’éprouvette à 7 % dans la direction transversale longue.

L’alliage 5056 composé de 4,9 % de magnésium est le seul alliage dans le cadre de cette étude qui empêche le procédé de FASU de créer des joints solides entre les différentes couches. Comparativement aux autres alliages étudiés, il possède une dureté supérieure sous l’état H38. Suite au passage de la sonotrode, cet alliage affiche très peu de changement de rugosité. Un recuit partiel a été utilisé dans l’optique de diminuer les propriétés mécaniques du feuillard au même niveaux que celles des autres alliages étudiés. Par contre, même avec des propriétés estimées entre les alliages 5005 et 5052, il est impossible de créer un joint convenable. La raison empêchant la création de joints solides pour cet alliage à haut magnésium n’est donc pas liée aux propriétés mécaniques initiales. Cet aspect est également confirmé par des tentatives de soudage à 150°C où les propriétés de l’alliage 5056-H38 typiques sont moindres que celle de l’alliage 5052-H38 affichées au Tableau 4 à température ambiante, soit une limite élastique de 214 MPa et une résistance à la traction de 262 MPa [4]. Malgré tout, il reste impossible de le souder autant sur lui-même que sur

n’importe quel autre alliage présenté dans cette étude, incluant la plaque de base. De plus, selon les calculs de contrainte en surfaces depuis le contact de Hertz (Annexe G) la contrainte maximale générée en surface par la sonotrode depuis les paramètres utilisés est de 282 MPa, largement supérieure à la limite élastique des alliages 5056-R et 5056-H38 à 150°C. La possibilité de déformer plastiquement un feuillard par FASU n’est donc pas un critère permettant de statuer sur la soudabilité.

Le soudage des alliages 3003, 5005 et 5052 permet l’obtention de composantes très denses et contenant peu de défauts. Par contre, lors de l’utilisation de l’alliage 5056 sous son état H38 et partiellement recuit, la quantité de défauts aux interfaces devient rapidement importante (Figure 61). Les défauts visibles en noir sont des concavités laissées par le passage de la sonotrode, toujours vacants suite au dépôt du feuillard succédant par manque d’écoulement plastique. Plusieurs amas de matière restent piégés à l’intérieur de ces concavités, phénomène absent ou rarement rencontré dans les autres nuances. Un amas typique emprisonné entre deux interfaces (flèches rouges) est présenté à la Figure 61b, où une couche d’oxyde résiduelle est pointée par une flèche pointillée noire. Par les défauts visibles ainsi que les débris présents, cette tendance laisse croire que les feuillards glissent les uns sur les autres plutôt que de se déformer et de créer des joints.

a) b)

Figure 61 : Métallographie selon le plan YZ pour un échantillon d’alliage 5056-H38 sous des paramètres standards

Ce manque de déformation visible dans le plan YZ est aussi transposé au plan XY. Lors du passage de la sonotrode, le feuillard de la nuance 5056 n’est que très peu déformé, lui laissant par le fait même une faible rugosité arithmétique. Une analyse EDS a été effectuée sur un joint soudé suite au pelage d’un feuillard immédiatement avant son insertion dans la chambre du microscope électronique à balayage. La Figure 62 montre une proportion

importante de zones intactes, même suivant le passage de la sonotrode ainsi qu’après le soudage du feuillard sur la même surface. Les sillons laissés par le laminage dans la direction longitudinale sont d’ailleurs encore visibles. L’analyse à faible tension d’accélération révèle une concentration de Mg à la zone soudée (Zone 1) identique à celle du feuillard de base (Tableau 19) tandis qu’une hausse importante d’oxygène et de magnésium à l’interface intacte (Zone 2) est présente. Il est en revanche impossible de s’avancer sur la composition exacte de l’oxyde, possiblement du MgO ou du MgAl2O4 puisque la poire d’interaction des électrons rétrodiffusés inclut une partie de la matrice due à sa faible épaisseur.

Figure 62 : Cartographie EDS de l’échantillon ST56-20 suite au pelage d’un feuillard

Tableau 19 : Analyse EDS (%m) des zones soudée et non soudée

Analyses Al Mg O

Zone 1 Zone déformée 91,0 4,9 4,1

Zone 2 Zone intacte 82,7 8,4 9,0

La hausse croissante du magnésium dans les feuillards initiaux favorise la formation de MgO en surface. Durant les opérations de soudage, la diffusion du magnésium est possiblement stimulée par les vibrations et par la chaleur générée. Comme les feuillards sont très minces, ces facteurs peuvent être importants lors du dépôt de plusieurs couches. En plus de l’oxyde déjà présent initialement, la FASU pourrait contribuer à la formation de MgO et/ou de MgAl2O4 supplémentaire limitant l’adhésion entre les feuillards. Combiné à un temps très rapide de soudage, le temps d’exposition pour la formation du

joint de l’alliage 5056 est trop court pour disperser suffisamment l’oxyde en surface laissant place à une quantité importante de défauts. D’autre part, l’écrouissage important de cet alliage diminue la déformation plastique admissible aux interfaces afin de remplir les concavités. La présence croissante d’oxyde de magnésium en surface des alliages étudiés et nuisant à la formation de joints corrobore aussi les courbes de tractions observées. Très peu de stries sont visibles dans le cas de l’alliage 5005 comparativement à son concourant le 5052. Ces stries sont donc majoritairement résultantes du bris progressif des soudures s’apparentant à de petits ilots dans le cas de l’alliage 5052 et tel que visible dans le cas plus critique de l’alliage 5056. L’absence de stries pour l’alliage à bas magnésium révèle un joint plus continue.

Finalement, un mécanisme supplémentaire pouvant intervenir sur la diminution de la soudabilité est la recristallisation, plus spécifiquement la recristallisation dynamique par la rotation progressive du réseau, couramment rencontré dans les alliages d’Al-Mg pour des déformations sévères [75]. Ce mécanisme permet la formation d’une structure allant de partiellement à complètement recristallisée par la rotation des sous-grains présents dans le matériel. Suite à des déformations importantes, ce mécanisme transforme les sous-grains en de nouveaux grains de fines tailles. Dans les cas où la recristallisation n’est que partielle, celle-ci se produit tout d’abord sur le contour du grain, laissant son centre intact ou avec seulement quelques sous-grains. Cette tendance est d’ailleurs observable depuis les travaux de Shick à la Figure 18. De plus, les nouveaux grains sont ancrés par les particules de secondes phases présentes en plus de l’oxyde fragmenté et dispersé.

Dans l’étude présente, la cartographie EBSD pour l’échantillon B52-110 (Figure 58) montre la présence de nombreux sous grains dans le matériel de base se transformant en grains distincts aux interfaces suite au soudage. Avec une dureté similaire à celle du feuillard de base à l’interface pour une diminution de la taille des grains, la recristallisation s’est donc produite sur une faible distance. Sans la confirmation par cartographies du même type, la recristallisation de l’alliage 5005 est tout à fait plausible par sa plus faible concentration de Mg. Inversement, l’alliage 5056 à haut Mg empêche alors ce mécanisme puisque la température de recristallisation augmente avec la teneur en éléments d’alliage. L’utilisation d’une préchauffe ainsi que des paramètres testés ne sont donc pas suffisants

pour atteindre l’énergie d’activation nécessaire à cette transformation. Les mécanismes de recristallisation expliquent également les allongements importants obtenus suite au soudage par rapport aux feuillards initiaux.

Conclusion

La soudabilité des alliages Al-Mg de la série 5000 est affectée par la concentration en solution solide de Mg. Les alliages 5005 et 5052 sous l’état H38 ont permis l’obtention de joints solides et ont été caractérisés mécaniquement selon différents plans d’expériences. Par contre, l’alliage 5056, n’a pu être soudé adéquatement dans le cadre de cette étude. Lorsque soudé sous les mêmes paramètres, l’augmentation de la teneur en magnésium dans les feuillards H38 a entraîné une diminution de la rugosité de surface laissée par la sonotrode et augmenter rapidement les duretés visibles aux interfaces.

Différents plans d’expériences ont mis en lumière l’effet des principaux paramètres de la FASU sur l’énergie enregistrée et les propriétés mécaniques des joints.

 Les paramètres significatifs pour l’estimation de l’énergie pour l’alliage 5005 et l’alliage 5052-H38 sont l’avance et l’amplitude d’oscillation, la force normale n’ayant aucun impact. La hausse énergétique est possible via la diminution de la vitesse d’avance et/ou l’augmentation de l’amplitude d’oscillation ;

 Les mêmes conclusions s’appliquent à l’estimation des propriétés mécaniques par l’utilisation d’éprouvettes d’essai de traction miniatures pour ces deux alliages ;  L’estimation de la résistance des joints avec l’utilisation d’échantillons d’essai de

flexion trois-points comporte 11 paramètres significatifs où les plus importants sont en ordre la température de préchauffe, l’amplitude d’oscillation et la vitesse d’avance.

L’utilisation d’éprouvettes d’essai de traction miniatures ou d’éprouvettes d’essai de flexions trois-points dans l’optique de caractériser les joints converge aux mêmes résultats. Pour une température fixe, l’utilisation de paramètres plus énergétiques favorise l’adhérence entre les feuillards. La corrélation entre l’énergie et les résultats d’essais mécaniques est par contre plus forte avec l’utilisation de spécimens d’essais de traction miniatures que d’essais de flexion. L’augmentation de la résistance des joints est stimulée par une hausse énergétique, mais affecte en retour les résultats mécaniques des autres directions de construction. Une énergie de soudage élevée favorise les allongements, mais diminue les propriétés en traction, ce qui est causé par les mécanismes de restauration et de recristallisation. Seules les éprouvettes en tension dans la direction transversale longue

pour le spécimen B52-110 ont permis d’atteindre de meilleurs résultats via des paramètres plus énergétiques, favorisant la déformation plastique aux interfaces.

Conséquence de la direction de déposition de la FASU et de l’utilisation de feuillards fortement écrouis, les pièces produites sont hautement anisotropes. Les propriétés mécaniques en tension de blocs produits par rapport aux propriétés de feuillards les composants sont :

 Jusqu’à 105 % des propriétés dans la direction longitudinale (X) avec des allongements atteignant 25 % ;

 Jusqu’à 100 % dans la direction transversale longue (Y) avec des allongements atteignant 7 % ;

 Jusqu’à 45 % dans la direction transversale courte (Z).

Une perte énergétique est visible lors de la construction de bandes simples, phénomène qui n’est pas observé lors du soudage de structures plus larges. Cette perte suit une tendance quadratique en fonction du nombre de couches déposées par FASU. Les minimums énergétiques trouvées diminuent en fonction de la concentration en magnésium.

Finalement, le procédé de FASU affiche une incapacité à joindre convenablement l’alliage 5056 sous les paramètres expérimentés par la présence d’oxyde de magnésium en surface. Bien que le procédé soit en mesure de briser et disperser les oxydes en surface, cet atout n’est pas suffisant pour joindre convenablement l’alliage 5056. La déformation plastique est également entravée par la concentration en Mg plus élevée que tous les autres alliages limitant la recristallisation et favorisant un écrouissage important, ce qui empêche le mouvement de matière nécessaire aux interfaces et diminue le contact entre les feuillards.

Travaux futurs

Les présents travaux ont permis de montrer l’influence de la concentration en Mg dans un alliage d’aluminium, sur différentes caractéristiques suite au soudage par ultrasons. Toutefois, certains aspects plus spécifiques mériteraient une attention particulière pour donner suite à ces travaux.

Le premier aspect est la caractérisation de l’oxyde en surface des feuillards. Des méthodes plus pointues telles que la spectrométrie photoélectronique X (XPS) permettraient de confirmer la nature de l’oxyde en surface des feuillards avant et après la FASU.

En second lieu, la caractérisation microstructurale des interfaces par EBSD des autres nuances permettrait de comparer la taille de grains dans les différentes zones d’intérêts, notamment dans la zone affinée. Complémentairement à ces résultats, l’étude de l’évolution des textures suite au soudage en fonction de la distance de l’interface est également à prévoir. De plus, des observations par microscopie électronique à transmission sur l’alliage 5056 pourraient amener de nouvelles pistes de solutions sur les phénomènes empêchant la création d’un joint adéquat. L’utilisation de cette technique pourrait, par le fait même, être utilisée pour comparer les densités de dislocations présentes dans les grains et sous-grains à différents endroits pour confirmer la présence de restauration et/ou de recristallisation.

Dans l’optique de créer des pièces à propriétés mécaniques plus élevées que celles fabriquées dans cette étude, voici également d’autres travaux envisageables :

 Alterner les directions de dépôts selon les directions X et Y afin de produire des composantes à propriétés plus isotropes à l’intérieur de ce plan lors du soudage à température ambiante ;

 Utilisation de soudures secondaires, sans dépôt de feuillards, pour consolider davantage les joints lors de la superposition volontaire des feuillards pour créer des blocs;

 Utilisation d’une sonotrode possédant un fini de surface beaucoup plus rugueux dans l’optique d’agripper plus fermement les feuillards de 5056 et possiblement réussir à souder cette nuance.

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