ANALYSE DU COMPORTEMENT MECANIQUE GLOBAL D’UN ASSEMBLAGE PAR SOUDAGE FSW

ANALYSE DU COMPORTEMENT MECANIQUE GLOBAL D’UN ASSEMBLAGE PAR SOUDAGE FSW

B. BOUCHOUICHA¹, M. ZEMRI¹, A. GHAZI¹, M. MAZARI¹ M. BENGUEDIAB¹, A. IMAD²

1 :Laboratoire de matériaux et systèmes réactives LMSR,Département de génie mécanique, Université Djilali Liabes de Sidi Bel Abbès E-mail : benattou_b@yahoo.fr

2 : Laboratoire de mécanique de Lille LML France

Résumé :

Le procédé de Soudage par Friction Malaxage, connu sous la dénomination anglaise « Friction Stir Welding – FSW », est un procédé récent d’assemblage qui a été mis au point par l’Institut de Soudure britannique, le TWI (The Welding Institute), en 1991. Il constitue une avancée considérable dans le domaine de la recherche relatif au Soudage par Friction, technique connue depuis plusieurs décennies. Cette technique d’assemblage présente une originalité manifeste puisque le soudage est effectué à l’état solide, ce qui peut contribuer à supprimer la naissance des défauts liés à la phase de solidification par rapport au soudage classique. Son principe consiste à brider deux tôles, qui doivent être en contact, l’outil approprié, animé par un mouvement de rotation (700à 2000 tours/min) et un mouvement de translation (40 à 400 mm/min), pénètre entre les deux tôles et crée un état « pâteux » du matériau par la chaleur engendrée par friction. Généralement, l’outil est composé de parties essentielles : un épaulement et un pion. Plusieurs travaux de recherche ont été axés sur l’incidence des morphologies du pion sur la qualité du soudage.

Le travail consiste à établir une démarche globale en vue de définir les conditions optimales pour le soudage des tôles en alliage d’aluminium par la technique FSW. Le travail est scindé en trois parties (Essais mécaniques, Etude microstructurale et analyse fine des différentes zones des joints soudés)

Mots clefs : Assemblage, FSW, micro dureté, 5083 alliage d’aluminium, le pseudo index de chaleur.

1 Introduction

Le principe de ce procédé thermomécanique, est de réaliser une liaison métallique (soudure) des deux pièces à assembler en malaxant localement la matière. La liaison métallurgique est obtenue à chaud en faisant intervenir un outil rotatif, mais en dessous de la température de fusion des matériaux [1]. Ce procédé permet ainsi de s’affranchir des défauts liés à la solidification observée dans les procédés classiques de soudage par fusion. De ce fait, cette technologie de soudage semble répondre à toutes les problématiques, en ce qui concerne l’assemblage des alliages d’aluminium, ainsi que l’assemblage bimétallique. Trois étapes sont nécessaires pour ce type de liaison. L'outil animé d’une fréquence de rotation ω est amené au contact du plan de joint, la chaleur produite par le frottement de l’outil sur les pièces provoque un ramollissement de la matière qui passe à l’état pâteux. Cette phase, facilitant la pénétration progressive de l’outil dans le plan de joint est appelée la phase de plongée (étape 1). Lorsque le pion en rotation a complètement pénétré la matière

présenté (voir la figure 1) [2]. Afin d’apporter une chaleur et une déformation plastique suffisantes, plusieurs paramètres entrent en jeu, dont les principaux sont (la vitesse de rotation, l’effort de soudage et la vitesse d’avance de l’outil. Ces paramètres, qui influent sur les propriétés mécaniques du joint de soudure, dépendent à la fois des matériaux, des épaisseurs mises en jeu, de la configuration de soudage (tôles jointives ou superposées), du type de machine utilisée, et de l’outil.

Figure 1 : Schéma de principe FSW.

Le travail consiste à une étude paramétrique permettant d’identifier et de quantifier les paramètres opératoires caractéristiques pour définir le domaine optimal de soudabilité par le procédé FSW.

2 Conditions expérimentales

Les opérations de soudage ont été réalisés sur des tôles utilisées sont en alliage d’aluminium 5083H111 dont la composition chimique est donnée dans (le tableau 1).

Tableau 1: composition chimique de l'alliage d'Aluminium 5083H111

Al Autres Ti

Zn Cr

Mg Mn

Cu Fe

Si

0,05 4,00

0,40 Mini

reste 0,15

0,15 0,25

0,25 4,90

1,00 0,10

0,40 0,40

Maxi

Les caractéristiques mécaniques globales sont déterminées par des essais de traction monotone sur des éprouvettes haltères, les principales caractéristiques mécaniques sont rassemblées dans (le tableau 2).

Tableau 2: Propriétés mécaniques.

Caractéristiques mécaniques

E [MPa] Re0.2 [MPa] Rm [MPa] A[%] Hv K[J/cm²]

71008 155 236 16.5 88 45

Pour déterminer les caractéristiques mécaniques globales du joint soudé, des essais de traction monotone sur des éprouvettes haltères prélevées perpendiculairement à la direction de soudage sont réalisées. Les caractéristiques géométriques de ces éprouvettes en sens travers sont illustrés (voir figure 2).

  

v

 F

v

v

Figure 2: Prélèvement des éprouvettes de traction.

3 Résultats expérimentaux et discussions 3.1 Microstructure

La soudure se compose de quatre zones principales présentant des microstructures et des propriétés différentes (voir Figure 3-a). En effet, le gradient thermique et le gradient de déformation impliquent un gradient des microstructures à travers la soudure.

Le métal de base, qui se trouve loin de la zone soudée, ne subit ni déformation ni échauffement important (voir figure 3-b). Par conséquent il conserve ses propriétés et microstructures d'origine.

La structure granulaire est allongée dans le plan perpendiculaire à l’axe de laminage et les grains mesurent en moyenne 60 μm de long par 35 μm d’épaisseur, ces dimensions ont été déterminées en comparaison avec d’autre microstructures de même alliage [3]. Les intermétalliques, Mg

2Si et Al6 (Fe, Mn), font de 1 à quelques microns de diamètre avec une présence plus prononcée de petits intermétalliques. Les grains présentent de nombreux sous grains faiblement désorientés les uns part rapport aux autres, avec une taille proche de 500 nm de diamètre.

(ZAT) : Dans cette zone la texture granulaire ainsi que la distribution des intermétalliques est identique à celle du métal de base. Par contre, on constate une restauration et une croissance des sous grains dues à l'augmentation de la température durant le soudage.

ZT : Cette zone particulière se situe à la frontière de la ZAT / ZATM et uniquement dans la zone d’attaque (Advancing Side), (voir figure 3-d). La structure granulaire se compose de grains assez gros, 10 à quelques dizaines de microns de diamètre. Du côté proche de la ZATM, les intermétalliques montrent un mouvement

recristallisation géométrique dynamique. D’autre part, la structure de dislocations est hétérogène avec une population dense dans les grains non recristallisés et faible dans les grains recristallisés. Le matériau dans cette zone subit une déformation plastique liée aux mouvements de la matière combinés à l’élévation de température (voir figure 3-a). Ceci peut entraîner une recristallisation du matériau, mais elle est moins significative que dans le noyau. La (Figure 3-e) présente la micrographie obtenue dans la ZATM.

Noyau : Dans le noyau soudé, les grains sont petits avec un diamètre moyen de 10-15 µm. Les intermétalliques sont fracturés de façon importante, ils sont ronds et peu, ils ont un diamètre supérieur à 1,5 µm. La structure de dislocations est repartitionnée hétérogénèses.

Dans cette zone Il se produit une recristallisation dynamique du matériau entraînant une structure à grains très fins (Figure 3-c) avec de faibles densités de dislocations [4].

Défaut tunnel interne présenté sur la Figure 3-a-g. C’est un défaut caractéristique du FSW [8]. Il est généralement situé du côté avance du cordon de soudure. Ce défaut provient d’un manque de consolidation de la matière malaxée à l’arrière du joint dû à un flux de matière insuffisant [5]. Kumar et al. [5] ont montré l’interaction entre l’effort axial Fz appliqué et la formation de ce défaut. En augmentant Fz, la taille du défaut tunnel au sein du cordon s’est

vue réduite et disparaître pour un effort donné. L’augmentation de l’effort contribue, en effet, à une meilleure interaction entre l’outil et la matière, augmentant l’apport de chaleur par friction et la pression au sein du noyau [5].

(a)

(b) (c)

(d) (e)

(f) (g)

Figure 3: Micrographie de l'alliage 5083H111, métal de base et différent zone de soudure FSW.

3.2 Profils de micro dureté

Des profils de micro-dureté à mi-épaisseur des joints soudés, perpendiculairement à l'axe de soudage ont été effectués (voir figure 4).

Figure 4: Lieu de micro-dureté sur les éprouvettes [5]

Pour les alliages série 5000, l’abattement des propriétés dépend du taux d’écrouissage du métal de base.

Ainsi, à l’état recuit O, il n’y a pas de perte de propriétés mécaniques [6] suite à l’affinement de la microstructure au passage de l’outil dans la ZAT, la ZATM et du noyau. Le passage de l’outil crée un affinement de la microstructure et donne naissance au noyau (Nugget), à la zone affectée thermo- mécaniquement (Termo-Mechanically Affected Zone) puis à la zone affectée thermiquement (Heat Affected Zone). On retrouve un peu plus loin le matériau de base (Base Material). LA figures 5 montre l’évolution du profil de dureté pour les différentes vitesses v de soudage et de fréquences de rotation ω.

Figure 5: variation de la dureté.

Quelles que soient les conditions de soudage on remarque une diminution de la dureté dans la HAZ qui provient de la restauration. Ce phénomène est caractérisé par la recombinaison et le réarrangement des

structure granulaire est complètement recristallisée et les grains sont tous équiaxes Dans le même temps, la recristallisation prend place au voisinage de la TMAZ d’où une diminution significative de la dureté. Ces profils de dureté donnent une indication sur la tenue mécanique du joint FSW.

3.3 Essai de traction

Les essais de traction réalisés sur les éprouvettes soudées bout à bout permettent de mesurer les propriétés mécaniques globales du joint soudé. Les éprouvettes sont prélevées perpendiculairement à la direction de soudage puis usinées mettent en évidence la variation de la contrainte en fonction de la déformation (voir Figure 6). On observe un affaissement des propriétés mécaniques quelles que soient les conditions de soudage.

Figure 6: Variation de la limite élastique Re en fonction de ε.

Les essais de traction du matériau de base 5083H111 laminé ont montré une anisotropie des propriétés mécaniques. Une chute importante des propriétés mécaniques est observée après soudage FSW. Le FSW a eu comme conséquence une perte dramatique dans toutes les propriétés de traction (limite conventionnelle d'élasticité, résistance à la traction finale et déformation avant rupture). Ces résultats sont compatibles aux études réalisées sur FSW [6]. Dans cette étude, la fenêtre de processus est tout à fait étroite et puis, les paramètres de soudure pour produire des soudures menées à une entrée de chaleur tout à fait semblable (40- 44 J/mm). Puis, on n'a pas pu observer l'influence de l'entrée de chaleur sur les propriétés de traction.

Le soudage par friction malaxage est le procédé qui a ramené un développement et par conséquent une amélioration dans la construction légère. Notre étude est centrée sur la mise en évidence des paramètres significatifs du procédé FSW et la compréhension des mécanismes à l’origine de la réalisation du cordon de soudure.

Cette analyse est basée sur une approche expérimentale. Durant le procédé de soudage la forme de l’outil et en particulier le pion a une influence notable sur la résistance mécanique du joint de soudure. Du fait des gradients thermiques et mécaniques subis par le matériau lors du soudage, on a remarqué plusieurs zones dues à l’évolution des microstructures. Les essais de traction ont montré que les paramètres choisit donnent une bonne qualité de soudure.

L’importance des phénomènes thermiques et mécaniques dépend à la fois de la nature du matériau et du choix des paramètres (géométrie, positionnement et inclinaison de l’outil (1 à 3°), vitesse de rotation et d’avance profondeur de pénétration à la force appliquée du pion et de l’épaulement.

Références

[1] Sandra ZIMMER. Contribution a l’industrialisation du soudage par friction malaxage. l’École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers Spécialité “Mécanique”. 2009

[2] K. Kumar, S. V. Kailas, 2007, The role of friction stir welding tool on material flow and weld formation, Materials Science and Engineering A 485 (2008) 367–374

[3] Loreleï COMMIN. Assemblage des alliages de magnésium lamines a chaud par soudage friction malaxage et soudage laser - approche expérimentale vers une compréhension des propriétés mécaniques – l’École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers Spécialité “Matériaux, Mécanique”2008

[4] Hasan Okuyucu, Adem Kurt, Erol Arcaklioglu . Artificial neural network application to the friction stir welding of aluminum plates. Materials and Design 28 (2007) 78–84

[5] Y.J. Quan, Z.H. Chen, X.S. Gong, and Z.H. Yu. Effects of heat input on microstructure and tensile properties of laser welded magnesium alloyAZ31. Materials Characterization, 2008

[6] N. Afrin, D.L. Chena, X. Cao, and M. Jahazi. Microstructure and tensile properties of friction stir welded AZ31B magnesium alloy. Materials Science and Engineering A, 2008.