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ETUDE DE LA TRANSITION DUCTILE-FRAGILE DANS LES ALLIAGES D’ALUMINIUM 7075 T6 SOUDES PAR
LE PROCEDE DE SOUDAGE TIG
Mustapha Temmar, Hadji Mohamed, Khatir Mohamed, Sellam Mohamed Département de Mécanique, Université de Blida, BP270, Blida, Algérie.
temmar_m@yahoo.fr
Résumé :
Les transports aériens sont aujourd'hui en plein essor. Les constructeurs apprécient actuellement l’aluminium pour sa légèreté, ses qualités mécaniques et son caractère écologique. La haute qualité de surface, une fois décapée ou anodisée, lui donne un atout supplémentaire.
Parmi les procédés d'assemblage utilisés, le soudage est une voie possible de remplacement du rivetage. Dans notre étude, on a utilisé le procédé de soudage TIG. Ce procédé est appliqué à des alliages à durcissement structural (série 2xxx, 6xxx, 7xxx) qui ont la particularité d’être difficilement soudable. Il a aussi pour conséquence de modifier la microstructure du matériau de base et donc ses propriétés mécaniques. En effet, même si en dehors du cordon de soudure, le matériau ne subit pas la fusion, il est sujet à des changements de température qui vont modifier son état de précipitation (notion de zone affectée thermiquement).
Notre travail consistera à étudier les principaux traitements thermiques et leurs effets sur la microstructure, l’observation par microscope optique de ces changements d’une zone à une autre, et l’influence du procédé de soudage TIG sur les caractéristiques mécaniques d’un alliage d’aluminium 7075 T6. Ces caractéristiques mécaniques seront définies par des essais mécaniques (résilience et dureté). Le premier essai sera utilisé pour déterminer l’énergie de la rupture (rupture fragile ou ductile), et le deuxième pour déterminer la variation de la dureté et la micro-dureté dans chaque zone des pièces soudées (métal de base, zone affectée thermiquement ZAT, zone fondue).
Mots clés : Procédé de soudage TIG, alliages d’aluminium 7075 T6, traitements thermiques, propriétés mécaniques et microstructures.
Introduction :
Les constructeurs apprécient l'aluminium pour sa légèreté, ses qualités mécaniques et son caractère écologique. La haute qualité de surface, une fois décapée ou anodisée, lui donne un atout supplémentaire. Ces alliages bénéficient d’un bon durcissement structural, via une décomposition complexe faisant intervenir aussi bien des phases stables que métastables. [1].
Les alliages d'aluminium industriels laminés 7000 sont notamment utilisés en tant que tôles fortes pour les voilures d’avions. Ces alliages comportant les éléments Zn, Mg et Cu comme les principaux éléments d'addition. Leur utilisation est due à leurs plus hautes caractéristiques mécaniques. Les alliages d'aluminium subissent au cours de leur mise en
Conférence Internationale sur le Soudage, le CND et l’Industrie des Métaux, IC-WNDT-MI’10 Oran, 27 - 28 novembre 2010
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œuvre un traitement thermomécanique complexe qui comprend, après la coulée, un traitement d’homogénéisation, puis divers laminages (à chaud puis à froid). [2].
Le soudage des alliages d’aluminium n’est pas une simple équation. Même les spécialistes ne sont pas toujours d’accord sur la réponse des différents alliages au soudage et l’impact sur leurs propriétés mécaniques. [3]. Le soudage de l’aluminium crée systématiquement une zone affectée thermiquement (ZAT) dans laquelle les propriétés mécaniques peuvent être réduites jusqu’à 50 % par rapport aux valeurs nominales, dépendant de l’alliage soudé et du procédé utilisé. Généralement, pour le calcul de structures, il est entendu d’étendre cette zone à 2,5cm de chaque coté du joint, à moins de pouvoir traiter thermiquement la pièce après soudage. La conception de la pièce doit donc prendre en considération cette réalité. Le métal de base, qui se trouve loin de la zone soudée, ne subit ni déformation ni échauffement important. Par conséquent, il conserve ses propriétés et microstructures d'origine. [4].
Partie expérimentale :
Après l’étude bibliographique, la partie expérimentale s’est résumée sur l’application des traitements thermiques sur notre alliage d’aluminium 7075 T6, la préparation des échantillons, l’application du procédé de soudage TIG et l’application des essais mécaniques (résilience, dureté).
Dans le cadre de notre étude, nous avons choisi l'alliage d'aluminium 7075. Il nous a été remis, par le service de maintenance d'Air Algérie, sous forme de tôles à l'état T6.
Figure 1 : Plaque brute d’aluminium 7075 T6 d’épaisseur de 2 mm
Les échantillons ont été traités par la suite au niveau du laboratoire des Grands Travaux Pétroliers (GTP) de Reghaia (Wilaya de Boumerdès) pour déterminer et vérifier la composition chimique. Ce travail a été fait dans le but de vérifier la conformité de la fiche technique du fournisseur du matériel.
Le Tableau 1 représente la composition chimique des échantillons de l'alliage d'aluminium 7075 T6.
Si Ti Mn Cu Fe Cr V Zn Mg Autres Al
7075 T6
0.10 0.04 0.03 1.53 0.22 0.19 0.01 5.63 2.50 0.03 89.72 Tableau 1: Composition chimique des échantillons de l'alliage d'aluminium 7075 T6
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Lors de l’expérience, trois différents échantillons ont été utilisés. Le premier échantillon n’a subit aucun traitement thermique et les deux autres échantillons ont subit un traitement thermique : la mise en solution, la trempe et le revenu.
Le procédé de soudage TIG s’est déroulé au niveau du centre de recherche scientifique et technique en soudage et contrôle de Chéraga à Alger (Algérie).
Résultats et interprétations :
Lors de l’utilisation du microscope optique, des changements dans la microstructure causés par l’effet Joule du soudage TIG ont été constatés. Les zones les plus affectées sont celles proches du cordon de soudure et la zone affectée thermiquement. Ainsi, le métal d’apport fondu complètement est solidifié dans des conditions différentes que celles du métal de base et la zone affectée thermiquement subit une température élevée lors du soudage. Les grains du métal de base commencent à grandir entrainant une diffusion des particules vers le métal d’apport. Le changement de la microstructure dans cette zone apparait nettement par rapport au métal de base.
A titre d’exemple, la zone affectée thermiquement est représentée dans la figure suivante :
Figure 2 : Présentation de la ZAT sous différentes formes (sans traitement thermique, traitement thermique et revenu respectivement à 120°C et 180°C) x 500
L’essai de micro-dureté nous a permit d’obtenir la figure suivante. La moyenne de la micro- dureté varie d’une zone à une autre.
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0 10 20 30 40 50 60
105 110 115 120 125 130 135 140 145 150
Dureté Hv
Distance (mm)
Figure 3: Profil de la micro-dureté de l’échantillon traité (T=120°C)
0 50 100 150 200 250 300 350
Dureté
MB
ZAT
CORD
Figure 4 : Evolution de la dureté de l’échantillon traité (T=120°C)
D’après nos résultats, on remarque une diminution de la dureté dans la zone affectée thermiquement. Cette diminution est provoquée par l’effet de la température de soudage qui dépasse 500°C. Cette température joue un rôle d’un traitement thermique semblable à une mise en solution, qui a pour effet de réduire considérablement la dureté, et par conséquent une diminution des caractéristiques mécaniques.
Les résultats de l’essai de résilience sont représentés dans le tableau suivant :
Entaille au MB Entaille au ZAT Entaille au CORD
E (Sans traitement thermique) 2.27 1.68 1.57
E (Avec revenu à T°=120°C) 4.70 1.45 1.57
E (Avec revenu à T°=180°C) 4.49 1.57 1.19
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Tableau 2 : Energie à la rupture (en Joules) de chaque échantillon
De ce tableau, on remarque que dans le metal de base, l’énergie à la rupture est plus grande dans le cas des échantillons traités. Dans la zone affectée thermiquement, les valeurs sont proches ce qui nous permet de conclure que le traitement thermique dans la ZAT n’a pratiquement pas d’effet sur l’effet de la résilience.
Conclusion :
D’après notre étude, nous pouvons conclure que le traitement thermique permet d’améliorer les caractéristiques mécaniques de notre alliage d’aluminium 7075 T6 et son aptitude à être soudé. Aussi, le procédé de soudage TIG permet de provoquer des zones fragilisées (ZAT) conduisant ainsi un changement de microstructure.
Référence :
[1]: Wilfried Kurz, Introduction to the sciences of materials, second edition, polytechnic and universities Romandes, 1991.
[2] David Dumont, thesis of doctorate: Relation of the microstructure/tenacity in the aeronautical alloys (7000), 2001.
[3]II.6: W. F. SAVAGE, E. F NIPPES, A Study of Weld Interface Phenomena in an Alloy Steel, Welding Journal Research Supplement (1976), p. 260s-268s.
[4] R. BLONDEAU, Procédés et applications industrielles du soudage, Hermès Science publication, Paris (2001).
