Microstructure des joints soudés FSW

Un joint soudé FSW est classiquement constitué de trois zones affectées par le procédé de soudage. Le noyau soudé (noté NS par la suite) qui se trouve au centre de la soudure, une zone affectée thermomécaniquement (notée ZATM) et enfin une zone affectée thermiquement (ZAT). L’apparition de ces zones est liée aux gradients à la fois thermique mais aussi de déformation obtenus lors du soudage. A l’extérieur du joint soudé se trouve évidemment le métal de base qui n’est pas impacté par le soudage et qui a été présenté au paragraphe précédent

Une microstructure typique d’un joint soudé FSW est donnée en Figure I-32. La taille des différentes zones va dépendre de la géométrie du pion utilisé ainsi que des paramètres de soudage. Ainsi, Tang et al. [72] ont montré que la température atteinte lors de l’opération de soudage et par voie de conséquence la largeur de la ZAT augmentaient avec la vitesse de rotation de l’outil. L’influence des paramètres de soudage sur la thermique est visible à la Figure I-29 puisque, pour différents paramètres, la largeur des pics de température varie.

Chapitre I : Synthèse bibliographique

Figure I-32 : Observations après attaque Keller d'un joint soudé FSW (a) Matériau de base (b) ZAT (c) ZATM et (d) Noyau soudé [67].

La microstructure de chaque zone fait l’objet d’une description détaillée dans les paragraphes suivants.

3.4.1. La zone affectée thermiquement

La zone affectée thermiquement, comme son nom l’indique, voit une augmentation de la température lors du soudage par FSW. Cette augmentation de la température n’entraine pas de modification de la taille et de la forme des grains initialement présents. Cependant, l’augmentation de la température peut entrainer une modification de la précipitation présente dans cette zone par rapport à ce qui est observé dans le métal de base.

Par exemple, Fonda et al. [73] ont étudié au MET la précipitation présente dans la ZAT d’un joint soudé obtenu à partir d’un alliage 2519-T87. Ils ont montré que, dans cette zone, les précipités θ’ initialement présents dans le matériau de base, coalesçaient et se transformaient en phase d’équilibre θ.

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3.4.2. La zone affectée thermomécaniquement

Lors de son déplacement le long des deux plaques, le pion va venir déformer les grains du matériau de base. Ces derniers dans la ZATM vont donc présenter une désorientation géométrique par rapport à la direction initiale des grains. De plus, différents auteurs ont mesuré des températures qui pouvaient atteindre 450°C lors du soudage. Fonda et al. [73] ont étudié la texture générée par la désorientation des grains lors du soudage-malaxage. Ils ont montré que les grains avaient subi une rotation de 57° par rapport aux grains du matériau de base (Figure I-33). En outre, une étude EBSD a montré une augmentation de la déformation au fur et à mesure que l’on se rapproche du noyau soudé [73].

Figure I-33 : Désorientation géométrique des grains dans la ZATM [73].

Il est intéressant aussi de noter la présence de deux types de ZATM. La première nommée ZATM Advancing qui correspond au moment où le vecteur vitesse du pion est colinéaire à celui du vecteur déplacement de l’outil et la ZATM côté Retreating correspondant au côté où ces deux vecteurs sont anti-colinéaires. Ces deux cotés présentent tous les deux des grains déformés et une désorientation géométrique. Cependant, Wei et al. [74] constatent que, du côté Advancing, la désorientation géométrique des grains est beaucoup plus forte que du côté

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et celle caractéristique des grains dans la ZATM est plus important dans la ZATM coté Advancing que du côté Retreating. De plus, Adamowski et al. [75] ont constaté qu’il y avait aussi une différence entre ces deux côtés d’un point de vue thermique avec une température supérieure de 50°C du côté Advancing. Shukla et al. [76] ont observé que, dans cette zone, pour un alliage 2195 à l’état T8, il y avait la présence d’une zone appauvrie en précipité (notée PFZ) ainsi qu’une importante précipitation intergranulaire. Cette PFZ apparait à cause de la dissolution de précipités θ’ et du survieillissement des précipités T1.

3.4.3. Le noyau soudé

Le centre de la soudure voit à la fois une forte augmentation de la température mais aussi un fort taux de déformation. Jariyaboon et al. [67] et Mahoney et al. [69] ont mesuré une température au centre de la soudure respectivement de 481°C et 500°C lors d’un soudage d’un alliage d’aluminium 2024-T351. Concernant le taux de déformation au centre du noyau soudé, celui-ci dépend très fortement des conditions de soudage. De nombreux auteurs ont avancé différentes vitesses de déformation. Jata et al. [77] ont estimé une vitesse de déformation de 10 s-1 _{alors que Masaki et al. [78] l’ont estimée à 2-3 s}-1_{. Bien qu’il y ait des}

différences concernant la vitesse de déformation, la grande majorité des auteurs s’accordent à dire que la microstructure du noyau est obtenue lors d’un phénomène de recristallisation dynamique [77-78]. Cependant, Fonda et al. [79] ont étudié l’interaction outil-matière grâce à des analyses EBSD réalisées après des essais de soudage FSW interrompus, menés sur un alliage 2195. Ils ont montré que la forme et la taille des grains sont dues au cisaillement des grains en avant de l’outil selon les plans de cisaillement de la structure cubique face centrée caractéristique de l’aluminium. D’après ces auteurs, l’affinement de la taille de grains serait dû à la subdivision des grains induite par la déformation et à des processus de restauration dynamique et non à des mécanismes de recristallisation dynamique comme le proposent les auteurs précédents. Prangnell et al. [80] ont étudié la formation des grains équiaxes en utilisant un système pour geler la microstructure lors du soudage. Ils ont montré que la diminution de la taille de grains est gouvernée par la subdivision des grains et donc fortement dépendante de la déformation.

Le facteur principal gouvernant la taille de grains est la vitesse de rotation de l’outil. En effet, Jariyaboon et al. [67] ont montré qu’avec une même vitesse d’avance de l’outil, plus la vitesse de rotation du pion était importante, plus la taille de grains augmentait. Cette

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constatation a été confirmée par d’autres auteurs [81-82]. En revanche, pour une même vitesse de rotation, la taille de grains ne varie quasiment pas avec la vitesse de déplacement de l’outil. Sutton et al. [83] ont aussi noté que la taille des grains diminuait du haut vers le bas du noyau soudé. Cette constatation a été corroborée par Pao et al. [84] sur un joint FSW réalisé sur un alliage 2519-T87 pour lequel la taille de grains était de 12 µm, 8 µm et 2 µm respectivement en haut, au milieu et au bas du noyau. Cette différence de taille est attribuée au gradient de température que l’on retrouve dans le noyau lors du soudage induit notamment par le problème d’évacuation de la chaleur en haut du cordon par la présence de l’épaulement. En fonction des conditions de soudage, la température atteinte dans le noyau peut entrainer la dissolution complète [76, 85] ou non des précipités T1 [86] présents initialement dans le

matériau de base quand il s’agit d’un alliage d’aluminium-lithium. Certains auteurs ont d’ailleurs noté la formation de précipités TB qui n’étaient pas présents initialement dans le

matériau de base et qui sont donc apparus après le soudage [86].

Le malaxage de la matière présenté précédemment et le phénomène de recristallisation dynamique vont entraîner l’apparition de bandes présentant des textures particulières. Ces différentes bandes sont appelées « Onion rings ». Plusieurs auteurs ont montré que l’espace entre les bandes était lié à l’avancée de l’outil en une rotation [87-88]. Une explication sur la formation de ces Onion Rings est proposée à la Figure I-34 par Kumar et al. [89].

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Ils décrivent le mécanisme de formation des Onion rings de la façon suivante : création d’une cavité lors de l’introduction du pion, flux de matière généré par le pion, regroupement de la matière issue à la fois du malaxage du pion mais aussi de l’épaulement et extrusion du métal de base dans le noyau.

Chen et al. [90] et Krishnan et al. [87] ont montré que les bandes étaient dues aux différentes couches de matière cisaillée, arrachée et forgée au cours du soudage. A l’intérieur de ces bandes, dans la direction de soudage, des évolutions microstructurales telles que des variations de taille de grains, de distributions de précipités ou de texture sont observées en fonction des paramètres du procédé FSW [83-84,91].