Parmi les paramètres de soudage, quatre d’entre eux sont plus importants et influencent grandement la qualité du joint. Il s’agit de la force exercée sur la pièce par le biais de la sonotrode, l’amplitude d’oscillation de celle-ci à une fréquence donnée, la vitesse d’avance pour générer la soudure ainsi que la température de la pièce lors du soudage (voir Figure 2) [1, 2, 7, 29]. D’autres paramètres sont également à prendre en compte, comme la rugosité du feuillard ainsi que celui de la sonotrode. Les méthodes de caractérisation les plus utilisées sont détaillées et ensuite les effets des paramètres sont abordés.
1.3.1. Amplitude d’oscillation
L’amplitude d’oscillation de la sonotrode est la distance maximale que cette dernière parcourt durant son déplacement latéral. L’amplitude est toujours perpendiculaire à l’avance, donc parallèle aux feuillards lors du soudage d’un joint continu métallique (Figure 2). La quantité d’énergie fournie au matériau est un facteur clé pour la réalisation de joints solides. Une amplitude trop faible laisse plus de régions où le feuillard brut est encore intact, diminuant du même coup la densité linéaire [11, 25]. L’amplitude d’oscillation doit donc être suffisante pour provoquer une déformation plastique capable de remplir les aspérités. Chunbo et al. [44] ont remarqué une augmentation importante de la résistance du joint avec une augmentation de l’amplitude d’oscillation. Ils notent aussi qu’il s’agissait du paramètre avec la plus forte influence pour les propriétés mécaniques de joints. Janaki et al. [10] ainsi que Friel et al. [11] arrivent aussi à la même conclusion, mais concernant la densité linéaire. Pour leur part, Gibson et al. [2] discutent d’un point critique à ne pas dépasser : fournir trop d’énergie via l’amplitude peut résulter en une perte de résistance du joint. Ceci est dû à l’excès de déformation plastique qui brise les liens préalablement formés à cause de contraintes trop élevées ou par l’initiation de fissures par fatigue. Ce même point critique a été observé par Janaki et al. lors de la quantification de la densité linéaire des échantillons [10].
Certains affirment que l’énergie fournie durant les étapes de fabrication additive voyage au travers de la totalité des couches de feuillards soudés qui forme la pièce plutôt qu’aux couches à proximité de la sonotrode [45]. Johnson [25] rapporte que la majorité de l’énergie
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est dissipée à l’interface, prouvée par l’affinage de grains important. Il ajoute également que l’amplitude d’oscillation à l’interface est probablement moindre que celle produite par la sonotrode.
S’ajoute à ceci, la perte de rigidité de la structure en fonction de la hauteur. La sonotrode conserve aisément son amplitude d’oscillation lors de la fabrication additive.Toutefois, au fur et à mesure que la structure s’élève par l’ajout successif de couches, il devient plus difficile de transmettre les vibrations directement à l’interface. L’effet de porte-à-faux vient réduire l’amplitude transmise directement au joint. Une partie de l’énergie, qui devrait être transmise à l’interface, est perdue et fait involontairement vibrer la structure [1]. Wolcott [1] rapporte que plus la hauteur de la pièce augmente, plus sa fréquence naturelle se rapproche de celle de la machine. Le point critique étant un ratio hauteur/largeur d’environ 0,7 et résultant en des joints médiocres. Pour contrer cette situation, l’augmentation de la surface en contact avec le substrat permet de retarder l’atteinte de ce ratio, augmentant simultanément sa rigidité. D’autres auteurs [46, 47] arrivent aussi à la conclusion qu’un tel ratio critique existe, toutefois d’une valeur de 1:1. Lors de l’atteinte de ce ratio, un minimum de déplacement entre les feuillards créant la friction est présent, laissant plutôt place à un collage entre ceux-ci et expliquant la formation de joints médiocres. Robinson
et al. [46] ont observé des différences notables sur la densité linéaire des pièces aux
environs de ces ratios.
1.3.2. Force normale
La force normale est essentielle pour créer une friction convenable à l’interface des feuillards à souder.Une force trop faible ne permet pas à assez d’énergie de se rendre à l’interface, tandis qu’une force trop importante vient créer des contraintes élevées pouvant détruire des liens métallurgiques nouvellement formés [2]. Lors de l’application de la force normale sur le feuillard à souder, celle-ci vient alors transmettre l’énergie au substrat. La vitesse du feuillard déposée diminue graduellement jusqu’à devenir semblable à celle du substrat, qui à son tour est moindre que celle de la sonotrode. Les fréquences du substrat, du feuillard et de la sonotrode sont en phase [48]. Toutes ces conditions sont nécessaires pour la formation d’un joint.
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Une force suffisante, combinée à une amplitude tout aussi adéquate est nécessaire pour briser les oxydes à l’interface afin de mettre en contact direct du métal sain. Un point seuil est également présent pour ce paramètre. Comme dans le cas de l’amplitude, l’augmentation de la force normale améliore la résistance des joints jusqu’à un point où l’effet est moins marqué ou même néfaste [2, 11, 44]. Les travaux de Janaki et al. [10] ont montré que la force normale avait le moins d’influence sur la densité linéaire des pièces selon les paramètres évalués, en plus d’afficher un point critique similairement à la résistance mécanique. Selon Cooper et Allwood [36], la force normale doit permettre de dépasser la limite élastique du matériel à l’interface pour permettre la création de joints à l’état solide comportant une bonne résistance. L’effet de la température peut donc permettre de diminuer cette limite, ce qui est discuté plus loin.
1.3.3. Vitesse d’avance
Généralement, la réduction de la vitesse de soudage se traduit par une augmentation des propriétés du joint [2, 21, 22, 29, 44]. Par contre, selon Gibson et al. [2], une avance trop lente peut aussi détériorer les liens créés à l’interface par un apport d’énergie trop important. Toutefois Janaki et al. [10] ont observé une tendance asymptotique très près de 100 % pour la densité linéaire en fonction de la réduction de cette vitesse. De plus, bien qu’un temps de soudage plus court soit possiblement bénéfique en termes de propriétés mécaniques, il va à l’encontre de la productivité et est donc plus coûteux [10].
1.3.4. Température de la pièce
Lors de la fabrication, il est possible d’imposer une température spécifique à la pièce via une plaque chauffante. Cet apport énergétique supplémentaire est bénéfique pour la formation des joints pour la plupart des métaux [2, 10, 24, 36]. Les travaux de Janaki et al. [10] révèlent que la densité linéaire des pièces est croissante avec l’augmentation de la température. De fait, elle favorise positivement la diminution des propriétés mécaniques des feuillards, la diffusion ainsi que la possibilité de recristallisation [10]. Il faut toutefois doser cette chaleur pour éviter des situations moins intéressantes comme la production d’oxydes, des changements métallurgiques ou même un ramollissement trop important des
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feuillards pouvant les mener à coller à la sonotrode [2, 10]. La température peut aussi être hasardeuse lors d’utilisation de matériaux à bas point de fusion ou d’encapsulation d’éléments électroniques par exemple [10]. Selon leurs essais, Kelly et al. [29] arrivent à la conclusion qu’il est plus bénéfique d’utiliser une préchauffe que de réduire la vitesse de soudage pour améliorer la résistance des joints.
1.3.5. Fini de surface 1.3.5.1. Feuillards
Lors de la création d’un joint, l’interface est toujours en présence d’un feuillard préalablement soudé, à l’exception de la première passe qui est en contact avec la plaque de base. Le feuillard neuf est donc moins rugueux que celui qui est déjà déposé, suite au passage de la sonotrode. À l’état brut, les feuillards sont environ 65 fois moins rugueux que la sonotrode [11, 25]. Si les surfaces en contact sont trop lisses, les feuillards glisseront les uns sur les autres, tandis qu’une interface trop rugueuse augmentera significativement la friction, créant de forts gradients thermiques localisés pouvant mener jusqu’à une fissuration de la pièce par chocs thermiques [24].
Les recherches de Janaki et al. ont mis en lumière les effets bénéfiques d’un surfaçage entre les étapes de soudage. Cette opération supplémentaire permet d’augmenter considérablement la vitesse de soudage pour l’obtention de densité linéaire équivalente, passant de 16 à 36 mm/s en conservant les autres paramètres constants, et ce, à une température de 149°C. Cet effet est aussi marqué à température pièce, obtenant une vitesse de 32 mm/s pour des résultats équivalents [10].
1.3.5.2. Sonotrode
La sonotrode joue deux rôles importants : celui d’agripper fermement le feuillard pour transmettre les vibrations jusqu’à l’interface et au même moment lui imprimer une texture pour la création de l’interface suivante. Sa surface est donc volontairement rugueuse pour créer une friction convenable [2]. Une surface de sonotrode trop rugueuse a par contre tendance à laisser plus de porosités au sein de la pièce [11, 25].
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Au fil du temps, la surface de la sonotrode s’use, devenant plus lisse, ce qui entraîne une dégradation de la qualité des joints produits pour des paramètres de production constants. À l’heure actuelle, la dégradation de la texture de la sonotrode n’est pas prise en compte par l’appareil de FASU. Dezhi et al. [39] ont fait des recherches pour voir les impacts d’une sonotrode usée versus une sonotrode à l’état neuf. Les essais ont été réalisés avec des aluminiums 3003 à l’état O et H-18. Ils se sont concentrés sur deux aspects du fini de surface, soit Ra et Rt qui sont respectivement la rugosité moyenne arithmétique et la hauteur maximale du profil. Passé un point critique, une perte d’efficacité est notable et la majeure partie de l’énergie est perdue et ne sert pas à la création du joint. À ce point, les feuillards ont plutôt tendance à glisser à l’interface sonotrode/feuillard par manque d’adhésion entre eux. Les feuillards se trouvent même parfois à être froissés lors de l’opération de soudage. Leur conclusion est qu’un Ra moyen de 6 µm est recommandable pour la sonotrode. Le relief de la sonotrode peut aussi être optimisé en fonction du matériau utilisé pour s’assurer que la déformation plastique soit suffisante pour remplir les cavités formées. De plus, pour un contrôle adéquat du procédé, il est nécessaire de prendre en compte l’usure au fil du temps et d’ajuster les paramètres en conséquence [2]. Dans tous les cas, l’effet de texture provoqué par la sonotrode, amélioré par une différence importante de rigidité entre le feuillard et l’outil, est très important pour la qualité des joints réalisés [25].
1.4. Propriétés mécaniques attendues