Les paramètres d’opération 11 

Le soudage par frottement-malaxage est réalisé en imposant une vitesse de rotation à l’outil, une vitesse d’avance dans la direction du soudage ainsi qu’un angle d’inclinaison de l’axe de rotation de l’outil par rapport à la direction normale à la plaque soudée. La force verticale appliquée est un autre paramètre important si le soudage est réalisé en contrôle de la charge. L’influence de ces paramètres sur les propriétés du joint obtenu est très grande. En effet, ce sont les variables qui définissent la quantité de chaleur fournie au matériau, le degré de malaxage et la géométrie de l’écoulement. Ces conditions thermomécaniques ont des répercussions sur le fini du joint et sur sa microstructure, et conséquemment sur les propriétés mécaniques du joint.

De nombreuses études portent sur l’optimisation du procédé via une analyse paramétrique où l’effet de chacune des variables énumérées est analysé. Par exemple, certains résultats montrent

que la vitesse d’avance a une influence plus importante sur la microstructure du joint que la vitesse de rotation (Yan, Sutton et al., 2005). Toutefois, seule une variation de la vitesse d’avance peut modifier le profil de dureté dans la zone affectée thermiquement (ZAT). Cette dernière, pour une plus grande vitesse (donc un temps de passage plus court), est moins étendue et la dureté y est plus grande. Cette observation est confirmée par d’autres auteurs (Reynolds, Tang et al., 2005), qui constatent que la vitesse d’avance est le principal facteur qui influence les vitesses de chauffage et de refroidissement. Le matériau est affecté thermiquement pendant une période plus courte lorsque la vitesse (v) augmente.

Il est toutefois difficile d’isoler l’effet d’une seule de ces variables puisque c’est la combinaison de leurs effets respectifs qui est importante. En effet, les variables fondamentales que sont la création de chaleur, reliée au nombre de tour par unité de longueur, et la conduction de la chaleur, associée au temps nécessaire à l’outil pour parcourir la même unité de longueur, sont plus représentatives. En ce sens, plusieurs auteurs considèrent le rapport des vitesses k (welding pitch) comme un paramètre expérimental. Ce rapport, qui correspond à la distance parcourue en une révolution de l’outil (mm/révolution), est défini par :

(1.1) où ω est la vitesse de rotation et v est la vitesse d’avance. Par exemple, Dubourg et al. (Dubourg, Gagnon et al., 2006) ont optimisé le soudage de tôles d’aluminium et concluent que le ratio optimal des vitesses se situe entre deux limites bien définies. Selon Dong et al. (Dong, Lu et al., 2001), le ratio des vitesses est le paramètre responsable de l’emplacement d’une couche limite où a lieu le cisaillement maximal, ce qui définit la taille du noyau.

Une combinaison donnée de paramètres mène à un joint qui peut être qualifié de «froid» ou de «chaud» selon l’apport de chaleur fourni. Un joint froid montre habituellement un fini de surface de bonne qualité mais peut souffrir d’un manque de pénétration, menant à une cavité sous le noyau, ou encore de la présence de défaut internes. À l’opposé, un joint chaud est caractérisé par une pénétration suffisante malgré la présence marquée de bavures et de déchirement superficiel.

L’apport de chaleur ne dépend pas uniquement de la distance parcourue par tour. Elle dépend également de la puissance de soudage, définie à la section 1.2.3.

L’angle d’inclinaison de l’axe de l’outil par rapport à la verticale se situe généralement entre 2° et 5°. L’objectif d’une telle inclinaison est une amélioration du confinement du matériau afin d’éviter la présence de bavure. L’angle optimal dépend de la géométrie de l’épaulement et des propriétés rhéologiques du matériau soudé. Toutefois, un angle d’inclinaison trop prononcé détériore le fini de surface du joint, en plus de modifier la distribution des forces verticales et horizontales appliquées sur l’outil lorsque le soudage est réalisé à une profondeur fixe.

Le soudage peut être contrôlé de deux façons. Une profondeur de pénétration de l’épaulement peut être imposée (contrôle en position). La seconde option consiste à utiliser une certaine force verticale (contrôle de la charge). La première approche présente un intérêt pour l’étude du procédé car elle permet de voir comment évolue la force au cours des différentes phases du soudage. Les paramètres de soudage qui ont le plus d’impact sur la force verticale enregistrée (position verticale constante) sont le ratio des vitesses et l’angle d’inclinaison de l’outil (Dubourg, Gagnon et al., 2006). Le premier est directement relié à l’apport de chaleur et donc à la contrainte d’écoulement du matériau. D’autre part, la quantité de matériau qui s’accumule sous l’épaulement augmente pour un angle d’inclinaison plus prononcé, ce qui explique la hausse de la force verticale.

La force verticale devient un paramètre de soudage lorsque l’essai est réalisé en contrôle de la charge. Par exemple, Yan et al. (Yan, Sutton et al., 2005) se sont intéressés à l’effet produit par une variation de la force verticale appliquée. Ces travaux montrent qu’il existe un intervalle de force qui permet d’obtenir un joint exempt de défauts, et que les propriétés du joint varient peu lorsque la force appliquée se situe dans cet intervalle. Kim et al. (Kim, Fujii et al., 2006) montrent que la taille de la fenêtre opératoire augmente avec la force appliquée, tel que montré à la Figure 1-3.

Figure 1-3: Intervalle de conditions de soudage optimales en fonction de la force verticale appliquée (Kim, Fujii et al., 2006).

Les différents paramètres énumérés sont souvent utilisés comme variables dans des plans expérimentaux dont l’objectif est de préciser dans quelles conditions un joint de qualité peut être obtenu. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour évaluer la qualité du joint. L’intégrité globale du joint est d’abord évaluée au moyen d’un test de pliage, très sensible aux défauts macroscopiques, tels des cavités longitudinales ou un manque de pénétration. D’autres mesures, comme des profils de microdureté ou des essais de traction, peuvent être réalisées pour évaluer la qualité du joint. Comme l’interaction entre les différentes variables inhérentes au procédé peut être importante, il est souvent utile d’utiliser une méthode statistique pour dresser le plan expérimental et analyser les résultats (Dubourg, Gagnon et al., 2006).