Par la nature de ce procédé, le cisaillement à l’interface joue un rôle majeur quant à l’évolution de la microstructure [14]. Lors de l’étape de soudage, la quantité de liens formée est très variable et fonction des paramètres utilisés. Par ailleurs, la nature de ces liens n’est pas encore très bien comprise et peu d’articles en discutent. Toutefois, ils pourraient avoir les mêmes racines que ceux formés par le procédé d’accumulation de couches par laminage («ARB» Accumulative Roll Bonding) [49]. Pour assister à la naissance d’un joint à l’état solide, une déformation seuil est nécessaire [36]. De manière très générale, les liens produits peuvent être catégorisés sous deux types : mécanique ou métallurgique [2].
L'assemblage de matériaux de duretés très différentes permet la formation de liens mécaniques par ancrages physiques [2]. Ce type de lien a aussi été mis en lumière par les travaux de Schick [6], pour des matériaux de même dureté. Notant également que la forte déformation plastique est en cause, l’interface ne semble pas suivre de patron de déformation défini. Selon les auteurs cités précédemment, la couche d’oxyde présente et résiduelle est responsable de l’absence de liens métallurgiques, agissant comme une barrière entre les feuillards.
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Les travaux de Schick et al. [7] ont montré la formation de liens métallurgiques pour un échantillon d’aluminium 3003-H18, où l’interface est pratiquement invisible lors d’observations au microscope électronique à transmission. De part et d’autre de l’interface, les grains affichent une morphologie équiaxe plutôt qu’allongée, tel qu’elle se retrouvait dans le matériel de base. Le phénomène de recristallisation serait probablement responsable de ce changement morphologique. Cette tendance a aussi été observée par d’autres chercheurs notant que la recristallisation serait possible. Elle se produirait de manière dynamique à l’interface lors du soudage ou par le biais de la chaleur dissipée dans la structure au fil de la construction [13, 14, 18, 25, 50]. Schick [6] note aussi qu’à l’interface, la quantité de dislocations est beaucoup plus prononcée dans les gros grains que les petits, mais tout de même beaucoup plus importante que la quantité initiale présente dans les grains du feuillard. Johnson [25] observe aussi, que pour un aluminium 3003-O, les sous-grains possèdent beaucoup de dislocations. Certains d’entre eux affichent également des bandes de dislocations de même direction à quelques microns sous l’interface.
1.5.2. Taille des grains
Plusieurs scientifiques ont mis à jour l’affinage des grains à l’interface soudée, et ce, sur une profondeur de quelques dizaines de microns [1, 6, 12, 14, 18, 25, 31, 38, 42]. Dans l’optique de caractériser plus précisément ces changements, différentes zones ont été nommées pour décrire les phénomènes :
Zone d’interface inférieure : Zone qui a été affectée par le passage de la sonotrode avant son soudage. Son relief est donc fonction des paramètres du procédé et du fini de surface de la sonotrode.
Zone d’interface supérieure : Zone n’ayant pas été affectée par le passage de la sonotrode. Le fini de surface initial est celui du feuillard laminé à froid.
28 1.5.2.1. Suite au soudage
Des changements notables de microstructures sont présents à proximité des interfaces suite aux opérations de FASU. Le cliché de la Figure 18 affiche un affinage important des grains à l’interface des feuillards, indiquée par la flèche blanche. De fins grains sont également présents plus loin de cette interface, mais dans une quantité moindre. L’analyse par imagerie d’orientation («OIM») révèle que la presque totalité des grains sont inférieurs à un diamètre de 2 µm [6]. Les dimensions initiales des grains du feuillard étant indisponibles dans le mémoire de Schick, il est possible de les comparer avec les travaux de Dezhi et al. [12], qui les ont caractérisés pour le même matériau, soit un feuillard d’aluminium 3003- H18. L’alliage possède des grains allongés, conséquence de l’étape de laminage à froid (H18). Ils ont une longueur approximative d’une cinquantaine de micromètres, quelques microns d’épais ainsi qu’un diamètre équivalent d’une dizaine de microns. Ce phénomène d’affinage aux interfaces a aussi été observé par Johnson [25]. Pour le même alliage mais à l’état recuit, les grains moyens initiaux possédaient un diamètre moyen variant entre 30 et 70 µm. Suite au soudage par ultrasons, le diamètre moyen des grains à proximité des interfaces possédaient une distribution entre 0,5 et 5µm. En s’éloignant de l’interface, une transition abrupte est ensuite présente entre les fins grains et des grains équiaxes.
Figure 18 : Cartographie OIM tel que soudé d’un alliage d’aluminium 3003 soudé par FASU [6]
La formation de colonies de grains nanométriques est présente jusqu’à une distance de 10 µm depuis la jonction des feuillards [25]. Elles sont particulièrement visibles sur la zone inférieure de l’interface et près des zones non planaires. Cette observation est également
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relatée par Shimizu et al. [14]. Johnson [25] note l’influence du relief de la zone inférieur sur le résultat de l’affinage. Le soudage par ultrasons entre deux feuillards au fini de surface lisse, produit très peu d’affinage de grain. Le joint résultant possède une interface plane avec un film d’oxyde résiduel. Inversement, l’utilisation de feuillards qui comportent un certain relief favorise l’affinage. La diminution notable de la taille des grains suite au soudage a aussi été relatée pour les zones qui possèdent des précipités. Bref, le soudage d’une couche, sur une surface préalablement déformée par le passage de la sonotrode, favorise l’affinage. Finalement, Johnson conclut que la sonotrode est également responsable d’une bonne partie de l’affinage, et ce même avant l’apposition de la couche suivante.
1.5.2.2. Après traitement thermique
Selon les expériences de Shick [6], le traitement thermique donne des résultats peu conventionnels. Étonnament, suite à un traitement de deux heures à une température de 343°C, la majeure partie des grains affinés est restée intacte. Les grains ayant davantage crû sont ceux positionnés au centre des feuillards, comme il est possible de voir à la Figure 19.
Figure 19 : Cartographie OIM d’un alliage d’aluminium 3003 soudé par FASU après traitement thermique à 343°C pendant 2h [6]
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Plus précisément, la zone d’interface inférieure affiche des grains entre 1 et 3 µm, les plus gros atteignant 5 µm. La zone supérieure affiche majoritairement des grains possédant une étendue de 5 à 12 µm avec une moyenne aux alentours de 10 µm et la zone centrale du feuillard possède des grains d’une quarantaine de microns et plus. La zone affectée par la sonotrode montre une croissance de grains minime comparativement à la zone supérieure de l’interface et le centre du feuillard.
Schick [6] ne se prononce pas sur la raison expliquant la différence de croissance des grains selon les zones, mais lance l’idée que la dispersion d’oxyde pourrait ancrer les joints de grains. Le centre du feuillard est aussi impacté par la différence de croissance, possiblement altérée par les composés d’Al-Mn-Fe ou bien les oxydes dispersés. D’autres auteurs ont également remarqué la dispersion d’oxyde aux interfaces suite au soudage, provoquant des îlots de grains nanométriques composés d’oxydes et d’aluminium [14].