Effet des paramètres de soudage sur le comportement en fatigue 152 

Au cours de ce travail de recherche, un intérêt particulier a été porté à l’influence des vitesses de rotation et d’avance sur la résistance en fatigue des joints soudés (Chapitre 4). L’effet de ces deux paramètres peut être interprété en considérant la distance parcourue par tour k = v/ω ou l’énergie de soudage des joints FSW.

5.5.3.1 Courbes d’endurance

Les courbes d’endurance mesurées dans ce travail montrent que la résistance en fatigue peut être améliorée en augmentant la vitesse de rotation pour une vitesse d’avance donnée (Figure 4-5). Cette amélioration est attribuable à la diminution de la taille, et en particulier de la profondeur, des rainures circulaires laissées par l’outil. À faible vitesse de rotation, la distance parcourue par tour est plus grande et les rainures provoquent une importante concentration de contrainte. À grande vitesse de rotation, l’effet des rainures n’est pas le plus dommageable : la rupture résulte majoritairement de l’amorçage de fissures à partir d’une fine bavure latérale.

Une diminution de la vitesse d’avance permet également d’augmenter la résistance en fatigue des joints soudés (Figure 4-6). Cet effet est surprenant puisque la tendance opposée est observée lorsque les joints sont soumis à un essai de traction. À faible vitesse d’avance (1 mm/s), l’énergie de soudage plus importante est plus dommageable pour l’état de précipitation du matériau,

augmente la taille de la ZAT et abaisse davantage la dureté de cette dernière. Ainsi, lorsque l’amorçage se fait aux environs de la ZAT, la résistance en fatigue est réduite de 18% par rapport au métal de base, contre 29 % en traction monotone. Cependant, quand la vitesse d'avance augmente, au lieu d'assister à une augmentation de la résistance en fatigue, celle-ci diminue encore une fois à cause des petits défauts de soudage, soit les bavures latérales à 5 mm/s et rainures circulaires de surface à 10 mm/s.

D’autre part, la résistance en fatigue augmente lorsque la distance parcourue par tour (k) diminue. Toutefois, pour une valeur de k donnée, la résistance en fatigue peut être différente pour deux ensembles de paramètres différents. Une différence significative de résistance en fatigue est observée entre les conditions C et D de soudage (Figure 4-7), alors que la distance parcourue par tour (k) est la même dans les deux cas. Pour ces deux conditions de soudage, les fissures s'amorcent et se propagent à partir de bavures latérales. Le fait que la résistance en fatigue est plus faible pour la condition D s’explique probablement par une énergie de soudage plus importante, qui se traduit par une ZAT plus molle (Figure 4-4). Pour une même distance parcourue par tour, l’énergie de soudage est plus importante lorsque le couple appliqué est plus grand (équation 1.4). Cependant, le couple dépend de la température du matériau à proximité de l’outil (via la contrainte d’écoulement). Il existe donc un couplage entre l’énergie de soudage et la température du matériau entraîné par l’outil. Cette dernière est plus basse lorsque la vitesse d’avance est plus importante puisque la chaleur dissipée en amont a moins de temps pour diffuser vers le matériau en aval.

5.5.3.2 Analyse fractographique

L’analyse des faciès de rupture a permis d’établir avec précision les causes de la rupture pour chaque ensemble de paramètres considéré dans ce travail. La Figure 5-6 montre la distribution des sites d’amorçage ayant mené à une rupture en fatigue pour les cinq conditions de soudage considérées.

Figure 5-6: Distribution des sites d'amorçage pour les cinq conditions de soudage: A (ω = 600 rpm, v = 10 mm/s, k = 1 mm/tour); B (ω = 900 rpm, v = 10 mm/s, k = 0,67 mm/tour); C (ω = 1200 rpm, v = 10 mm/s, k = 0,5 mm/tour); D (ω = 600 rpm, v = 5 mm/s, k = 0,5 mm/tour); E (ω

= 600 rpm, v = 2 mm/s, k = 0,2 mm/tour).

Lorsque le soudage est réalisé avec une grande distance parcourue par tour (k = 0,67 et 1 mm/tour), la rupture résulte de l’amorçage de fissures au fond des rainures circulaires laissées par l’outil. Ce mode de rupture ne pourrait être éliminé que par l’utilisation d’une technique de parachèvement tel que le fraisage superficiel. Pour une distance parcourue par tour intermédiaire (k = 0,5 mm/tour), la rupture a été initiée par la présence de fines bavures latérales microscopiques présentes sur les deux côtés du joint soudé. La formation de ces bavures est probablement due à une force verticale trop importante. Tel qu’expliqué à la section 5.5.2.1, l’optimisation de la force verticale a été faite sans tenir compte de ces défauts microscopiques. Un ajustement plus fin pourrait être fait sans avoir besoin d’une technique de parachèvement. D’autre part, un brossage simple et économique pourrait constituer un autre moyen efficace pour y arriver. 0 20 40 60 80 100 A B C D E P rop or ti on d es s ite s d 'a m or ça ge (%) Conditions de soudage

Enfin, l’analyse de la surface de rupture des échantillons obtenus avec la distance parcourue par tour la plus faible (k = 0,2 mm/tour) a mis en évidence deux causes de rupture distinctes. Pour les joints de type A obtenus avec l'énergie de soudage la plus élevée, des ruptures se sont produites dans la ZAT à l’extérieur du joint soudé. L’adoucissement de la ZAT, démontré par une baisse de la microdureté dans cette zone, devient critique pour la résistance en fatigue en-dessous d’une certaine valeur de k. D’autres ruptures se sont produites dans le joint, causées par l’amorçage de fissures au fond de cavités sous-surfaciques formées lors de l’écoulement turbulent du matériau très chaud sous l’outil. Les deux types de ruptures observées pour k = 0,2 mm/s sont causées par une énergie de soudage élevée.

5.5.3.3 Facteurs déterminants pour la résistance en fatigue

La résistance en fatigue des joints soudés par frottement-malaxage est contrôlée par la compétition entre deux facteurs principaux. D’une part, une augmentation de k conduit à une augmentation de la taille (et de la profondeur) des rainures circulaires laissées par l’outil. Cette faiblesse mécanique s’est avérée être la plus sévère pour des distances parcourues par tour de 0,67 et 1 mm/tour. Le second facteur est l’énergie de soudage, dont la valeur augmente lorsque k diminue. Dans un tel cas, la rupture peut survenir à l’extérieur du joint, dans la ZAT fortement adoucie, ou dans le joint, causée par la présence de défauts formés lors de l’écoulement turbulent du matériau très chaud.

Dans la présente étude, un troisième facteur a été observé. Les bavures latérales ont été responsables de la rupture pour des valeurs intermédiaires de k. Ce facteur est différent des deux autres dans la mesure où son apparition est circonstancielle et parce qu’il ne semble pas dépendre de la distance parcourue par tour. Il pourrait peut-être être éliminé par une optimisation plus précise de la force verticale appliquée. En éliminant l’effet des bavures, il est très probable que la rupture serait causée par l’un des deux facteurs principaux, notamment les rainures circulaires laissées par l’outil. Pour les conditions C et D, la rupture serait survenue à partir des rainures s’il n’y avait pas eu de bavure.

5.6 Discussion sur la caractérisation microstructurale et mécanique