Comparaison entre le soudage FSW et le soudage Bout a Bout pour le polyéthylène à haute densité
(PEHD)
Kaid Mustapha Univ Djilali Liabes
Laboratoire de Matériaux et Systèmes Réactifs (LMSR) Sidi Bel Abbes algerie
Mustapha_kaid@yahoo.fr
Zemri Mokhtar Univ Djilali Liabes
Laboratoire de Matériaux et Systèmes Réactifs (LMSR) Sidi Bel Abbes algerie
mzemri@gmail.com
L'objectif de cette étude est la maîtrise de la technique du Soudage par Friction Malaxage (Friction Stir Welding - FSW) et l’optimisation des paramètres sur un polyéthylène à haute densité (PEHD). Ce procédé d'assemblage est basé sur le phénomène de malaxage provoqué par le passage de l'outil (pion), élément essentiel de cette technique. L’étude consistera à : 1. Réaliser des soudures par le procédé FSW. 2. Étudier le comportement mécanique à la rupture des joints soudés. Afin de maîtriser et optimiser le procédé en maitrisant la vitesse de rotation, l’avance et la plongée de l'outil.3. Réaliser des soudages bout à bout et faire une comparaison entre les deux soudages
Mots clées—comparaison;soudage;fsw; bout a bout;pehd Introduction
(Heading 1)
Le soudage Bout a Bout est une méthode du soudage des polyéthylènes PE 100 et FSW est une soudage qui se produit au-dessous de la température de solidus des métaux. Ce procédé permet l’assemblage des matériaux difficilement soudables par les procédés de soudage traditionnels. Les cordons de soudure obtenus par FSW sont généralement de haute qualité métallurgique et quasiment sans défauts tels que les porosités ou les criques de refroidissement. Dans ce procédé le métal d’apport n’est pas nécessaire. L’opération de soudage est assurée par le malaxage de la matière des pièces à souder avec un outil. Ce procédé est très fiable pour le travail automatique, donc peu couteux une fois intégré dans une chaine de fabrication pour des géométries simples. Depuis sa découverte, plusieurs travaux de recherche ont été mènes afin de décrire les interactions entre les paramètres du procédé et les propriétés mécaniques et microstructurales du cordon FSW. Ces travaux ont permis d’acquérir une connaissance capitale en FSW et de qualifier le cordon FSW.
Dans cette étude nous étudions l’optimisation des paramètres de soudage du polyéthylène PE100.afin de faire une comparaison avec le soudage Bout à Bout.
I. LE PROCÉDÉ DE SOUDAGE BOUT À BOUT 1) Description générale
Le soudage bout à bout est une technique d’assemblage des thermoplastiques par la fusion des extrémités de deux éléments tubulaires au moyen d’une plaque chauffante, appelée miroir. Ce procédé consiste à faire fondre la matière au niveau de la surface à souder, figure 1, à mettre en contact les parties fondues pour assurer le mélange intime et à laisser refroidir l’assemblage ainsi constitué. À l’état fondu, les chaînes de polyéthylène des deux tubes mis en contact s’interpénètrent et en se solidifiant, se figent dans cet état, procurant ainsi à la soudure une certaine solidité.
Les soudures sont caractérisées par l’apparition d’un bourrelet, ou cordon de soudure, au niveau du plan de soudage qui résulte de l’éjection latérale de la matière fondue formée à l’extrémité des tubes, figure 2. Sa forme est utilisée
généralement pour donner une première indication visuelle de la qualité de la soudure.
Figure 1 .Chauffage des tubes lors du soudage bout à bout
Figure 2. Schéma de la formation du bourrelet au contact du miroir chauffant
2) Les étapes principales du soudage bout à bout
Le soudage bout à bout peut être divisé en quatre phases distinctes, figure 3, bien représentées sur un diagramme temps – pression – température, figure II.29, qui se retrouvent dans la plupart des études du procédé [1] [2].
Figure 3 . Les étapes du soudage bout à bout
Figure 4 . Diagramme temps – pression – température 3. LE SOUDAGE PAR FRICTION MALAXAGE OU FRICTION STIR WELDING (FSW)
A. Principe de soudage par friction malaxage ou friction stir welding (FSW)
Le principe de ce procédé est de réaliser une soudure de proche en proche en malaxant localement la matière des deux pièces à assembler. La liaison métallurgique est obtenue à chaud, mais en dessous de la température de fusion des matériaux. Comme la plupart de ces procédés (soudage par friction, soudage par explosion...), le FSW a deux avantages essentiels :
Il ne génère pas de soufflure ni de fissure à chaud,
Il permet de réaliser des soudures hétérogènes.Pour réaliser une opération de soudage par friction- malaxage, les pièces à assembler sont mises en position sans jeu, généralement sur une enclume, et bridées afin d’éviter tout mouvement relatif de celles-ci au cours du soudage. Pour illustrer l’opération de FSW, prenons la configuration la plus simple à savoir le soudage bout à bout de deux tôles
Figure 5. Soudage rectiligne de deux plaques
B. Les étapes du procédé FSW
Le procédé de soudage par friction malaxage décomposé en 4 étapes :
B.1. Pénétration de l’outil
L’outil composé d’un pion de géométrie plus ou moins complexe et d’un épaulement de diamètre de 2 à 2.5 fois supérieur au pion est mis en rotation rapide (entre 100 et plusieurs milliers de tr/min). Sous un effort défini, le pion entre en contact avec la surface des tôles à assembler [3].
B.2. Soudage
Après préchauffage, l’outil en rotation se déplace le long du joint à une vitesse définie (jusqu’à 2 m/min). Par un mécanisme combiné d’extrusion par le pion et de forgeage par l’épaulement, le cordon est réalisé de proche en proche.
Une nouvelle structure métallurgique commune aux deux matériaux est formée grâce à des phénomènes de
restauration-recristallisation.
B.3. Rétraction de l’outil
Lorsque la longueur soudée est réalisée, l’outil en rotation est retiré de la matière. Suivant la technologie de soudage utilisé, il reste en fin de soudage une empreinte laissée par le pion.
Figure 6 Les étapes du procédé FSW
C. Étude préliminaire de la cinématique de l’opération de soudage FSW
Les machines de FSW que ce soit les robots ou les portiques permettent la programmation de ces deux paramètres.
Dans cette partie, on décrit la cinématique du procédé dans toutes les phases de soudage. La figure suivante est une schématisation simplifiée de la chronologie de ces vitesses au cours du soudage
Figure 7. Représentation de la cinématique de l'outil FSW
D. ÉTUDE EXPÉRIMENTALE
Le présent travail est composé de deux parties :
Une première partie qu’est la préparation donc l’usinage des plaques et leur soudure par le procédé de Friction Malaxage.
Ces deux opérations ont étés réalisées sur une fraiseuse conventionnelle et de faire un soudage bout à bout avec un banc de soudage pour un tube en PEHD
Une deuxième partie c’est l’usinage des éprouvettes de traction à partir des plaques soudées par FSW et du tube soudées bout à bout, les essais réalisés avec une machine de traction spécialisée pour notre matériau
.
D.1.OUTIL DE SOUDAGE FSW
Les soudures ont été réalisées à l’aide de deux outils de malaxage en acier XC 65, figure 8. Un outil est composé d’un pion cylindrique et d’un épaulement concave et l’autre d’un pion et d’un épaulement plat.
Figure 8. Les outils de soudage FSW D.2. CHOIX DES PARAMÈTRES DE SOUDAGE
Les principaux paramètres de conduite de la phase de soudage sont :
*La vitesse d’avance de l’outil (Va)
*L’effort axial Fz appliqué sur l’outil suivant son axe de rotation, afin de compenser la pression formée dans la zone de soudure
*La fréquence de rotation N
*L’angle d’inclinaison de l’outil i.
Ces paramètres sont à régler selon le matériau, l’épaisseur soudée et la géométrie de l’outil. L’ensemble conditionne l’apport d’énergie, le flux de matière, la formation du cordon, les propriétés mécaniques de l’assemblage et les efforts générés [4]. Le choix de ces paramètres est donc primordial [5]. [6].
Outil Cas
Fréquence de rotation N
(tr/min)
Vitesse d’avance Va (mm/min)
Inclinaison i°
Épaulement plat
1 710 50
1°
2 710 63
3 1000 80
4 1400 40
5 1400 80
Épaulement concave
1 ’
1400 802 ’
2000 1003 ’
710 504 ’
1000 505 ’
710 63Tableau.1. Les paramètres de soudage choisi
D.3. LE SOUDAGE BOUT À BOUT
Paramètres de soudure pour tube PE100 Ø500mm épaisseur 45.5 mm PN16
SDR11, suivant la norme DVS 2207.
Température miroir 210°C Pression de déplacement mesurée (Pt) 20 bars Pression bourrelet/soudure (P1 et P4) 68.9 bars Pression totale phases 1 et 4 (P1 + Pt) et (P4 + Pt) 88.9 bars
Figure 9. Soudure du tube PE100 Ø500mm D.4. GÉOMÉTRIE ET PRÉPARATION DES ÉPROUVETTES
Les essais de traction ont été réalisées sur des éprouvettes plates du type II d’épaisseur B = 6 mm et de longueur L = 115 mm, représentées sur la figure III.6. Les dimensions et la forme sont en accord avec la norme EN ISO 6259 [7].
Figure 10. Éprouvette plate du type II E..RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
Figure 11. Courbes contrainte-déformation Éprouvettes MB
Et MPa σeMpa σrMpa Amax
% Arup
Épro A 1168.6 28.16 16.71 13.94 503.62%
Épro B 1203.2 25.54 16.85 12.46 588.2 Tableau.2. Propriétés mécaniques (Éprouvettes MB)
Figure 12. Courbe contrainte-déformation de toutes les éprouvettes soudées par FSW
E.1.Commentaires :
La Figure 11. Représente Courbes contrainte-déformation Éprouvettes MB on remarque que on a une l’imite élastique de 28 MPa avec un allongement jusqu’à 580% pour deux essaie la Figure 12. Représente Courbe contrainte-déformation de toutes les éprouvettes soudées par FSW en remarque que toutes les éprouvettes coupées au niveau de la soudure après élasticité directement on dit que le matériau devient fragile et un allongement maximum de 6%.
Figure 13. Courbe contrainte déformation (Éprouvettes B à B) Et MPa σeMpa σrMpa Amax % Arup % Éprouvette A 261.31 17.55 13.1 388.1 388.1 Éprouvette B 440.17 18.55 1.2 533.2 461.2 Éprouvette C 920.14 19.92 20.15 727.36 730.02
Tableau.2. Propriétés mécaniques (Éprouvettes B à B)
La Figure 13. Représente Courbe contrainte déformation (Éprouvettes soudées bout à bout) on remarque que on a une limite élastique entre 17.55 et 19.92 MPa avec les zones élastique et plastique et une allongement de 388 à 730%.
Figure 14. Courbe contrainte-déformation de toutes les éprouvettes soudées par FSW + éprouvettes soudées Bout à Bout + éprouvettes
en Métal de Base
F. CONCLUSION
Nos conclusions et donc notre optimisation ne se sont basées que sur les essais de traction.
Les paramètres qui ont donnés de bonnes limites élastiques et de bonnes résistantes sont le Cas3 et le Cas5 avec un outil plat et le Cas3’ et le Cas5’ pour les soudages avec un outil à épaulement concave.
Parmi tous les cas qui ont donnés des bons résultats c’est le Cas3, à savoir une vitesse de rotation de 1000 tr/min et une vitesse d’avance de 80 mm/min, qui est le plus intéressant.
Ce que nous avons remarqué aussi, c’est que c’est la qualité de la soudure est bonne pour:
-Une grande vitesse de rotation et une grande vitesse d’avance pour un outil à épaulement plat.
-Une faible vitesse de rotation et une faible vitesse d’avance pour un outil à épaulement concave.
Nous avons fait une comparaison entre les soudures par FSW et les soudures Bout à Bout et nous avons constaté que les structures soudées par FSW sont plus résistantes que celles faites par le procédé Bout à Bout mais un peu moins
résistantes que le Matériau de Base et que toutes les ruptures ont lieu au niveau du joint de soudure et pour l’allongement le soudage Bout à Bout contient un bon joint de soudure et très grande allongement jusqu'au 700% et les ruptures sont aeure du joint de soudure
Alors on dit que que les soudage FSW ne pas fiable pour le polytylens et la mieure méthode c’est le soudage Bout à Bout.
Bibliographie
[1] Stokes. VK, 1998. « Experiments on the hot-tool welding of three dissimilar thermoplastics». Polymer 39 ,2469.
[2] Wolters M, Venema B. 1987. « Le soudage bout à bout de tubes de Polyethylene ». Souder 4, 213.
[3] Mishran. R. A, 2007. Chapter 1 Introduction, Friction Stir Welding and Processing, Edité par R.S. Mishra and M.W. Mahoney, ISBN-13 978-0-87170-840-3, ASM International.
[4] Nandan.R, Dedroy. T, Bhadeshia. H.K.D.H, 2008, Reecent advances in Friction Stir Welding – Process, weldmet structure and propertiers, Progress in Materials Science 53, 980-1023.
[5] Mishra.R.S, Ma. Z.Y, 2005. Friction stir welding and processing.
Materials Science and Engineering 50, 1-78.
[6] Balasubramanian. N, Gattu. B, Mishra. R. S, 2009, Process forces during friction stir welding of aluminium alloys, Science and Technology of Welding and Joining 14, 141 – 145.
[7] la norme EN ISO 6259