ÉTUDE DE L’EFFET DE LA GEOMETRIE DE L’OUTIL SUR LA QUALITE DES SOUDURES FSW DANS L’ALLIAGE D’ALUMINIUM 7075-T6

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3^ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012,

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ÉTUDE DE L’EFFET DE LA GEOMETRIE DE L’OUTIL SUR LA QUALITE DES SOUDURES FSW DANS L’ALLIAGE D’ALUMINIUM

7075-T6

Saliha GACHI¹, Mouloud AISSANI¹,Fouad BOUBENIDER²et Riad BADJI¹

1Centre National de Recherche Scientifique en Soudage et Contrôle (CSC), BP 64, Route de Dely Brahim, Chéraga, Algérie. Email : s_gachi@yahoo.fr

2Laboratoire de Physique des Matériaux, Faculté de Physique, USTHB, Algérie.

Résumé :

Le soudage des alliages d’aluminium à résistance élevée est généralement une opération délicate en raison de la dégradation des propriétés mécaniques dans la ZAT et de la présence de porosités dans le métal fondu. De plus, certains de ces alliages d’aluminium sont connus comme étant “non soudables”, spécialement, ceux appartenant à la série 2000 ou 7000. Le procédé de soudage FSW peut offrir une solution pour l’assemblage plus rapide et plus économique de ces alliages avec, en plus, moins de déformations. Cependant, malgré le potentiel de cette nouvelle technique, un cordon de soudure FSW peut comprendre un ou plusieurs types de défauts qui peuvent être probablement causés par un mauvais choix d’un ou plusieurs paramètres. Dans ce travail, une analyse des défauts générés en FSW a été menée, l’objectif étant de connaitre l’influence de la géométrie de l’outil sur la qualité de la soudure et trouver les paramètres optimaux pour une meilleure qualité de la soudure. Les soudures ont été contrôlées par trois méthodes non destructives. Les résultats obtenus montrent que l’apparition et la localisation des défauts sont bien conformes à celles décrites dans la littérature.

Mots clés : FSW, alliages d’aluminium, défauts, Contrôle non destructive.

1. INTRODUCTION

Un cordon de soudure FSW peut comprendre un ou plusieurs types de défauts. L’origine de ces défauts n’est pas encore parfaitement connue. Ils peuvent être causés par le mauvais choix d’un ou de plusieurs paramètres. La connaissance industrielle et l’expérience peuvent aider à limiter ces défauts mais pas encore à les éliminer. Ces défauts dépendent principalement, des différentes variables opératoires (alliage, épaisseur, efforts appliqués, paramètre de soudage, géométrie de l’outil, etc.) [1, 2], d’où la nécessité de passer par un plan d’expérience pour choisir les paramètres les plus efficaces répondant aux conditions de soudage et à une qualité satisfaisante d’un point de vue industriel.

Le procédé de soudage FSW fait intervenir deux phénomènes mécanique et thermique. La chaleur résulte de deux sources, par friction entre l'épaulement et les tôles, et par déformation plastique du matériau au niveau du pion. Les paramètres qui influencent le plus la production de cette chaleur sont la forme du pion et l'angle d'inclinaison de l’outil. L'inclinaison de l'outil provoque de plus grandes pressions du côté avance de l'épaulement, et donc, l’amélioration du confinement du matériau afin d’éviter la présence de bavures [3]. La présence du filetage influence beaucoup l’écoulement de la matière vers la face inférieure des tôles. C’est pour ces raisons que la géométrie et l’inclinaison de l’outil feront partie de l’objet de notre étude.

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2. PROCEDURE EXPERIMENTALE

Des tôles d’alliages d’aluminium 7075-T6 (e = 3.2 mm) sont utilisées dans cette étude. C’est un alliage à durcissement structural dont les éléments de base sont l’aluminium et de zinc (Al-Zn-Mg) (Tableau. 1). Il a subit le traitement thermique T6 et est caractérisé par sa légèreté et ses meilleures caractéristiques mécaniques. Le 7075-T6 est utilisé dans les structures aéronautiques et d’armement pour le fuselage, les voilures, le blindage, les munitions, etc. Les propriétés mécaniques de cet alliage sont : limite d’élasticité Re = 495 MPa, résistance mécanique Rm = 565 MPa et le module d’élasticité E = 72 GPa.

Tableau 1 - Composition chimique de l’alliage 7075-T6 (% en poids).

Pour tester la qualité des soudures en fonction de la géométrie de l’outil et les paramètres de soudage, un ensemble d’essais de soudures FSW a été effectué. Pour cela, quatre outils ont été mis à contribution : le premier avec un pion cylindrique lisse, le second avec un pion cylindrique fileté sans gorges, le troisième avec un pion conique fileté à deux gorges et le dernier est conique fileté à trois gorges. Nous avons testé l’influence du pas de filetage du pion et cherché l’angle d’inclinaison optimal de la tête de l’outil par rapport à la verticale.

Ces paramètres vont être optimisés en fonction des résultats trouvés par chaque test. Les autres dimensions de l’outil restent constantes. Pour les paramètres de soudage : vitesse d’avance et rotation, quelques modifications sont faites, spécifiquement, car elles dépendent de la nature de l'alliage et de l'épaisseur des tôles.

3. RESULTATS ET DISCUSSIONS

a- Pion cylindrique lisse avec α = 0°, Vr = 2000 tr /min et Va = 25 mm/mn.

Figure 1 : (a) Contrôle visuel « l'extrémité du pion est entrée en contact avec l’enclume », (b) Contrôle par rayons X et (c) Contrôle par ressuage.

Elément Zn Mg Al

% en poids 06.72 02.00 91.73

(b)

Le pion touche l’enclume

(a)

(c) (b)

Défauts internes Défaut macrographique

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 33 La figure 1a montre un état de surface rugueux avec un défaut macrographique vers la fin du cordon.

Ceci peut être dû à la position verticale de l’outil qui a produit une instabilité dans l’effort appliqué.

Lorsque l’outil ne stabilise pas sa position verticale, il peut pénétrer trop profondément dans la matière et le pion finit par toucher l’enclume, cela peut détériorer l’outil et l’enclume.

Sur la radiographie apparaissent des demi-cercles blancs, ces défauts sont occasionnés par le faible transfert de matière, à cause de l’absence du filetage. D’autre part, la détection de défaut par ressuage révèle l’absence de liquide pénétrant dans la première partie de la soudure, ce qui prouve l’absence de défauts surfaciques. Par conséquent, les défauts observés sur la radiographie dans cette zone sont des défauts internes.

b. Pion cylindrique lisse avec α = 1°, Vr = 2000 tr/mn et Va = 16 mm/mn

Sur la figure 2a, nous remarquons qu’au cours du soudage, l’outil s’enfonce au sein de la matière entrainant une pénétration importante de l’outil. Le surplus de matière déplacée par l’outil, lorsque celui-ci s’enfonce conduit à la formation d’une bavure excessive au bord du cordon de soudure (Fig.

2b) et par conséquent à un amincissement du cordon par rapport à l’épaisseur des tôles.

La coupe transversale montre un défaut tunnel au fond du cordon dans le côté avance, au niveau de la transition ZATM / Noyau soudé (Fig. 2c). Ce défaut provient de la forme lisse du pion qui a provoqué des manques de matières à ce niveau, du fait que la matière ne fait pas complètement le tour de l’outil d’où, un malaxage insuffisant de la matière. Ce résultat est en bon accord avec les conclusions trouvées par Zhao et al [4].

Figure 2 : Outil s’enfonçant au sein de la matière générant une bavure excessive (a) Au cours du soudage, (b) A la fin du soudage et (c) Coupe transversale.

(b)

Tunnel au fond du cordon

Bavures excessives

(a)

(b)

(c)

(4)

c. Pion conique fileté (pas de 0.75 mm) à deux gorges avec α = 1.5°, Vr = 2000 tr /min et Va = 25 mm/mn

Sur la figure 3, nous remarquons qu’un minimum de bavures s’est formé sur chaque côté du cordon, ceci prouve que pour une inclinaison de l’outil de 1.5°, la matière a pu se renfermer à l’intérieur de la zone de soudage. La surface du cordon est bonne avec des stries bien arrangées tout au long du joint. La vitesse d’avance (25 mm/mn) utilisée lors de cet essai est convenable dans le cas des faibles épaisseurs (e = 2.6 mm) contrairement au cas des grandes épaisseurs (cas du premier essai e = 3.2 mm ou elle a été réduite à 16 mm/mn).

Figure 3 : Soudure sans défauts.

La radiographie ainsi que le contrôle par ressuage ont confirmé l’absence de défauts internes et surfaciques le long du joint (Fig. 4a-b). Par conséquent, les conditions du soudage paramétrées étaient appropriées dans le cas de cet essai. Elles ont permis la génération d’une quantité de chaleur plus importante ce qui a permit d’améliorer le malaxage de la matière d’où une absence de défauts.

Figure 4 : Absence de défauts internes et surfaciques (a) Contrôle par rayons X et (b) Contrôle par ressuage.

d. Pion conique fileté (pas de 0.50 mm) à trois gorges avec α = 2°, V

_r

= 2000 tr /min et V

_a

= 10 mm/mn

Figure 5 : (a) Face avant, (b) Contrôle par rayons X et (c) Contrôle par ressuage.

(a)

(b)

(c)

(a) (b)

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 35 Dans ce dernier cas, nous avons effectué toutes les modifications permettant d’avoir une meilleure qualité du joint soudé. Nous avons tenté de diminuer Va à la valeur de 10 mm/mn, d’augmenter encore α et d’améliorer la géométrie du pion, en diminuant encore, son pas de filetage et en ajoutant une autre gorge. Il est apparu que pour α = 2°, un outil avec le pion conique fileté d’un pas très faible (0.50 mm) et composé de trois gorges donne la meilleure qualité de joint (Fig. 5). Enfin, l’augmentation du filetage génère une quantité de chaleur plus importante, ce qui permet d’améliorer le malaxage de la matière. L’angle critique pour cette épaisseur est égal donc à 2°.

4. CONCLUSION

En définitive, l’ensemble des résultats obtenus certifie que l’outil avec le pion conique fileté d’un pas très faible (0.5 mm) et composé de trois gorges, influence grandement l’écoulement de la matière autour de l’outil et donc contribue favorablement à la qualité du joint de soudure.

5. REFERENCE

[1] H. B. Chen, K. Yan, T. Lin, S. B. Chen, C. Y. Jiang, Y. Zhao; The investigation of typical welding defects for 5456 aluminum alloy, friction stir welds. Mater. Sci. and Engineering A 433: pp. 64-69, (2006).

[2] S. Zimmer, W. Chapeau, B. Da Costa, X. Stassart, N. Ben Slima Ayadi, L. Langlois, J.C.

Goussain, B. de Meester, L. D’Alvise ; Manuel Pédagogique, Le soudage par friction malaxage, friction stir welding. ISBN 978-2-900781-67-8.

[3] B. Yuh, J. Chao et X. Qi. Proc. 1st Int on Friction Stir Welding, Thousand Oaks, California, USA, (1999).

[4] Y. H. Zhao, S. B. Lin, L. Wu, et F. X. Qu. The influence on pin geometry on bonding and mechanical properties in friction stir weld 2014 Al alloy. Mater. Letters, 59, pp. 2948- 2952, (2005).