Sites d’amorçage des fissures

Les sites d’amorçage de fissures de fatigue dépendent de l’état de la surface du joint et du type d’alliage d’aluminium. Les sites d’initiation les plus rapportés dans la littérature sont les bavures à la surface du joint, les défauts du type «couche d’oxyde résiduelle» et les manques de pénétration.

Typiquement, les fissures de fatigue des joints SFM bien réalisés s’amorcent à partir des bavures causées par l’expulsion du métal aux extrémités de l’épaulement et à partir des sillons laissés par l’outil (Kainuma, Katsuki et al. 2008). Les surfaces de rupture de certains échantillons de fatigue comportent de multiples sites d’amorçage à partir des bavures et des sillons; les petites fissures coalescent ensuite pour former une fissure large qui se propage à travers le joint (figure 2-41) (Okada, Suzuki et al. 2010).

Figure 2-41: Surface de rupture par fatigue d’un joint SFM. a) emplacement de la fissure dans les sillons de l’outil. b) surface de rupture (Okada, Suzuki et al. 2010).

Les défauts internes, comme les amorçages dans la ligne d’oxyde (zigzag) ou le manque de cohésion du joint à cause d’une couche d’oxyde résiduelle, ont un effet préjudiciable sur la résistance en fatigue des joints. Ces défauts sont causés par la présence d’une couche d’oxyde sur la surface des plaques et l’insuffisance de la chaleur générée par l’outil (figure 2-19). Le fond du joint est l’endroit le plus propice à ce type de défauts. Dickerson et Przydatek (2003) ont trouvé que les joints SFM en AA5083-O et AA6082-T6 dont les indications sont inférieures à 0,35 mm de profondeur (pénétration incomplète) possèdent approximativement la même résistance en

Racine du joint

traction et en pliage que les joints sans défaut. Par contre, la résistance en fatigue des joints en AA2024-T3 de 4 mm d’épaisseur avec indication linéaire en fond de joint est réduite de 30 % à 80 % par rapport aux joints sans indication linéaire (Di, Yang et al. 2006; Zhou, Yang et al. 2006a) (figure 2-42 et figure 2-43). De même, Di, Yang et al. (2007) rapportent que ce type de défectuosité réduit la résistance en fatigue de joints SFM de 23,4 % pour l’AA2024-T4 et de 39,8 % pour l’AA7075-T6. La figure 2-44 montre les courbes S-N des joints SFM en AA7075-T6 avec un défaut de type zigzag d’environ 60 m (figure 2-16). Cette dernière montre que la résistance des joints avec défauts est environ 131 MPa inférieure à celle des joints sans défauts. Zhou, Yang et al. (2006b) ont constaté que la contrainte correspondant à 2x106 _{cycles en fatigue}

des joints SFM en AA5083 comportant des défauts de type «couche d’oxyde résiduelle» est de 65,6 MPa comparativement à 100,24 MPa pour les joints sains (figure 2-45). Ce type de défauts réduit principalement la vie en initiation des fissures de fatigue (Sato, Takauchi et al. 2005; Di, Yang et al. 2006).

La présence de défauts de type zigzag est difficilement détectable par les méthodes d’inspection non destructives. Une coupe transversale dans le joint est nécessaire pour déceler ce type de défauts. Ainsi, leur présence représente un risque important sur la vie en fatigue des joints SFM.

Figure 2-42: Résultats des essais de fatigue des joints SFM en AA2024–T3 de 4 mm d’épaisseur avec et sans indication linéaire en fond de joint (R = 0,1) (Zhou, Yang et al. 2006a).

Figure 2-43: Courbes S-N des joints SFM comparativement au métal de base (AA2024–T4 de 4 mm d’épaisseur). Les échantillons soudés par SFM avaient des indications de type zigzag à l’endos du joint (Di, Yang et al. 2006).

Figure 2-44: Courbe S-N de joints en AA7075-T6 avec un défaut de type zigzag de 60 m de profondeur et ceux des joints sans défauts (Di, Yang et al. 2007).

Figure 2-45: Courbe S-N de joints en AA5083 SFM de 8 mm d’épaisseur avec et sans défaut de type couche d’oxyde résiduelle (Zhou, Yang et al. 2006b).

L’amorce de fissures de fatigue à partir des défauts de type manque de cohésion et zigzag indique que les paramètres de soudage ne sont pas optimisés. Tel qu’expliqué à la section 2.4.3, la présence de défauts de type couche d’oxyde persistant ou zigzag signifie que le taux du mélange n’est pas suffisant pour disperser les particules d’oxyde. L’utilisation d’un outil à pion fileté permet de mieux les disperser. Le défaut de type manque de cohésion à la racine du joint est un indice de manque de chaleur à cet endroit. L’ajustement de la longueur du pion peut être une solution efficace pour remédier à ce problème.

Les sillons de l’outil et les bourrelets de soudage sont des formes de concentration de contraintes qui causent la réduction de la vie en fatigue des joints SFM. Normalement, les fissures de fatigue s’amorcent à partir de ces défauts géométriques à la surface du joint. La vie en fatigue des joints qui possèdent des défauts de type manque de fusion et zigzag est contrôlée par la vie en propagation, ce qui réduit considérablement la résistance en fatigue des joints SFM. Les courbes de fatigue présentées par Zhou, Yang et al. (2006a) et Di, Yang et al. (2006) et Zhou, Yang et al. (2006b) montrent que ces défauts réduisent considérablement la vie en fatigue. En général, l’effet

d’entaille est plus important sur la fatigue d’endurance que sur la fatigue oligocyclique. Cette caractéristique est visible sur les courbes S-N rapportées par Zhou, Yang et al. (2006a) (figure 2- 42). Cependant, les courbes présentées par Di, Yang et al. (2006) (figure 2-43) et Zhou, Yang et al. (2006b) (figure 2-45) démontrent l’effet inverse : l’écart entre la courbe S-N des joints ayant un défaut et celles du métal de base et des joints sans défauts diminue avec l’augmentation du nombre de cycles. Ce type de comportement peut être expliqué par la mauvaise préparation des échantillons de fatigue ou le mauvais alignement des échantillons durant les essais.