QUALIFICATION DU DOMAINE DE SOUDABILITE EN SOUDAGE PAR POINT PAR FRICTION MALAXAGE

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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, http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 139

QUALIFICATION DU DOMAINE DE SOUDABILITE EN SOUDAGE PAR POINT PAR FRICTION MALAXAGE

Mohamed Merzoug¹, Benattou Bouchouicha¹, Abdelkader Ghazi ¹ ,Mokhtar Zemri, Mohamed Mazari¹ , Abdellatif Imad², Christophe Herbelot²

1: Laboratoire des matériaux et systèmes réactifs – Faculté des sciences de l’ingénieurUniversité Djillali Liabes de Sidi Bel Abbés.Algérie, m_merzoug01@yahoo.

2: Laboratoire de mécanique de Lille, LML.France, Abdellatif.Imad@polytech-lille.fr

Résumé :

L’objectif de cette étude est de montrer l’effet des paramètres du procédé de soudage par point par friction malaxage (outil de malaxage, cycle de temps de soudage, vitesse de rotation, vitesse de plongée) sur la température mesurée à 12 et 15 mm du point de centre de la zone de soudure d’un alliage d’aluminium du type 6060 T5. L’étude est basée aussi sur l’examination des modes de rupture de plusieurs assemblages des tôles minces de 2 mm d’épaisseur afin d’analyser leur comportement mécanique en utilisant des essais de traction-cisaillement. A la fin de l’étude, il est attendu de savoir comment et par quels paramètres de procédé il est possible d’optimiser la tenue mécanique des points de soudure.

Mots clés : FSSW, vitesse de plongée, rotation de l’outil, pion de l’outil, température, modes de rupture

1 Introduction

Le soudage par point par friction malaxage (FSSW) est une technologie de soudure comportant un processus semblable à FSW et appliquée en général pour l’aluminium et ses alliages dans des environnements de fabrication d'automobile [1-2]. Ce procédé permet de réaliser des soudures par transparence (tôles superposées). Contrairement au soudage linéaire, FSW, le pion ne se déplace pas longitudinalement, comme le montre le schéma de principe de la figure 1 [3]. L’outil en rotation pénètre complètement la tôle supérieure et partiellement la tôle inférieure (phases a et b). Le pion permet alors un malaxage à l’interface des tôles assurant la liaison métallique (phase b). En fin de cycle, l’outil est rétracté en laissant une couronne soudée autour de son empreinte (phase c).

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Figure 1 : Principe du soudage par point par friction malaxage [3]

2 Protocole expérimentale 2.1 Matériau utilisé

Il s'agit d'un alliage d’aluminium du type 6060-T5. La compostion chimique et les propriétés mécaniques sont données dans les tableaux 1 et 2.

Tableau 1 - Composition chimique (poids %) de l’alliage d’aluminium 6060-T5

Tableau 2 - Propriétés mécaniques et physiques de l’alliage d’aluminium 6060-T5

2.2 Outil de soudage

Les soudures ont été réalisées à l'aide d'un outil de malaxage, figure 2, en acier fortement allié du type X210Cr12. Sa géométrie est composée d’un pion cylindrique fileté, M5 et d’une longueur 3,95 mm avec un épaulement concave de diamètre 14 mm. Le tableau 3 donne la composition chimique du matériau.

% Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti

Min Max

0.03 0 60

0.10

0.30 0.10 0.10

0.35

0.60 0.05 0.15 0.10

E (MPa) Rp (MPa) Rm (MPa) A (%) 

69500 110 150 14 0.33

d (g/cm³) T° Fusion (°C)  (W/m°C) Cp (J/Kg°C) Dureté (HV)

2.70 605-665 200 945 90

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Les propriétés mécaniques sont : Rm = 870 MPa et la dureté = HB 30 - HRC 58-633

Figure 2 : Outil de soudage par point par friction malaxage

2.3 Paramètres de soudage

Les paramètres utilisés pour toutes les soudures du procédé FSSW sont regroupés dans le tableau 4. Nous avons fait varier la vitesse de pénétration de l’outil dans la matière à souder de 16 à 31.5 mm/mn et la vitesse de rotation de l’outil de 1000 à 2000 t/mn.

Tableau 4 - Paramètres de soudage du FSSW

C Si Mn P max. S max. Cr

1.90 à 2.20 0.10 à 0.60 0.20 à 0.60 0.030 0.030 11.00 à 13.00

N° Vitesse de soudage (mm/mn)

Vitesse de rotation de l’outil (tr/mn)

N° Vitesse de soudage (mm/mn)

Vitesse de rotation de l’outil

(tr/mn)

01 16 1000 07 25 1400

02 20 1000 08 31,5 1400

03 25 1000 09 16 2000

04 31,5 1000 10 20 2000

05 16 1400 11 25 2000

06 20 1400 12 31,5 2000

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La figure 3 illustre schématiquement le déroulement d’un cycle des temps de soudage FSSW. Pendant la totalité du cycle, la vitesse de rotation de l’outil reste constante, tandis que le temps varie en fonction de la vitesse de plongée choisie du pion. Le cycle des temps de soudage comprend : un temps de plongée qui est fonction de la vitesse de soudage choisie et de l’épaisseur des tôles à assembler, un temps de maintien afin de favoriser le malaxage de la matière et un temps de retrait à la fin de l’opération de soudage.

Figure3 : Description schématique d’un cycle des temps de soudage FSSW

Tp : temps de plongée de l'outil, Tm : temps de maintien "dwell time" et Tr : temps de retrait de l'outil.

3 Resultats et discussions 3.1 Profil de microdureté

La figure 4 montre l’évolution du profil de dureté pour les différentes vitesses v_p de plongée et de vitesses de rotation. On observe une diminution de la microdureté qui se produit au passage à la ZAT, puis il y a un phénomène de durcissement dans la ZATM et la ZM [4]. La chute de cette microdureté est due à une petite déformation à chaud pendant le soudage, ce qui augmente un peu la densité de dislocations.

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Figure 4 : Variation de la microdureté en fonction de la distance

3.2 Essais de traction-cisaillement

La figure 5 montre la géométrie de l’éprouvette utilisée pour l’essai de traction-cisaillement (assemblage avec un point).

Figure 5: Géométrie de l’éprouvette utilisée pour les essais de traction-cisaillement.

Pour analyser l’évolution de la tenue mécanique avec les paramètres de soudage, une moyenne sur plusieurs essais est calculée. La figure 6 présente les différents types d'assemblage utilisés.

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Figure 6: Différents types d'éprouvettes soudées par FSSW 3.3 Influence des paramètres de soudage

3.3.1 Evolution de la tenue mécanique en fonction de la vitesse de rotation et de plongée

La résistance mécanique des points soudés par le procédé FSSW est fonction des paramètres choisis, à savoir la vitesse de rotation et la vitesse de plongée. Pour l’ensemble des essais effectués et avec des plaques soudées avec différents paramètres (16mm/min/1000 tr/min ; 20mm/min/1400tr/min ; 25mm/min/2000tr/min). La figure 7 montre que la charge est maximale pour de faibles paramètres, (16/1000), elle commence à diminuer jusqu’à atteindre une valeur minimale aux paramètres (25/2000).

La vitesse de rotation demeure toujours le paramètre le plus influent sur la tenue mécanique. Les résultats montrent que pour les tôles soudées, en alliage d’aluminium 5052 de 1 mm d’épaisseur, la charge

Figure 7 : Effet de la vitesse de rotation sur la

tenue mécanique en traction-cisaillement Figure 8 : Évolution de la tenue mécanique en traction- cisaillement en

fonction de la vitesse de rotation (assemblage avec 1 point 6060- T5), AA

5052 [5]

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3.3.2 Mode de rupture

Les essais au cisaillement, ont montré que le soudage par friction malaxage FSW présentait deux modes de défaillance [6] et [7]. Le premier est la fracture interfaciale qui provient du point de transition et se propage vers le bord libre de l'orifice du pion de l’outil. Le seconde est la fracture en mode mixte, ou une fissure se développe entre le point de transition et le bord libre de l’épaulement et s'étend le long de sa circonférence extérieure pour ensuite créer la rupture. Ces conclusions se confirment grâce à des essais de traction-cisaillement réalisés sur plusieurs éprouvettes avec différentes vitesses de rotations et de plongées (voir figure 9).

(a) (b) (c) (d) (e) (f) Figure 9: Différents modes de rupture observés aux conditions de soudage par FSSW

La figure 9a montre que la déformation n'a pas eu lieu dans l'interface de soudure, le cisaillement total a commencé du coté de la zone de fusion dans la zone affectée thermiquement. Sur les figures 9b et 9c, la plaque supérieure est completement séparée de la plaque inférieure. On observe un déboutonnage du point de soudure, figures 9d et 9e. Donc il ya eu une déchirure de la tôle supérieur en périphérie de la zone soudée . La figure 9f montre la vue de dessous de la plaque inférieure où on observe clairement la zone de cisaillement.

3.3.3 Evolution de la contrainte de cisaillement

Les courbes des deux figures 10et 11 montrent l’influence de la vitesse de rotation, plus la vitesse est faible plus la contrainte de cisaillement est importante. Une chute importante de la contrainte est observée tout en augmentant la vitesse de rotation sauf pour le cas de l’assemblage avec 5 points avec le couple 2000 tr/min/25mm/min.

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Figure 10 : Effet de la vitesse de rotation sur la

contrainte de cisaillement

Figure 11 : Effet de la vitesse de rotation sur la contrainte de cisaillement en mode mixte

4 Conclusion

L’étude du procédé de soudage FSSW nous a permis de mettre en avant le fort potentiel pour la réalisation de soudures par point des tôles minces en alliage d’aluminium du type 6060-T5. Les objectifs principaux de cette étude étaient de comprendre les mécanismes qui interviennent durant le soudage et les relations qui existent entre la forme de la zone de malaxage et les propriétés mécaniques des soudures en vue d’une optimisation de leur performance. Dans ce but, l’étude paramétrique a montré que des facteurs principaux à savoir : vitesse de rotation, vitesse d’avance, temps de soudage, ont une influence sur le comportement mécanique des soudures. Les essais de traction ont permis d'établir que l'échantillon avec (1000 tr/min et 16mm/min) présente une bonne qualité de soudage et que la qualité du joint soudé est d'autant plus importante que la vitesse de rotation est diminuée et que celle de l'avance est augmentée.

Références

[1] James, M. James et M Mahoney. Proc. 1^st International on friction stir welding, Thousand Oaks, California, USA, June 1999

[2] Skrotzki, B. Skrotzki et J. Mucken. Proceedings from Materials Solutions Conference, Indianapolis, IN, ASM International, November 2001

[3] C. Herbelot, T. D. Hoang, A. Imad and N. Benseddiq. Damage mechanisms under tension shear loading in friction stir spot welding. Science and Technology of Welding and Joining 2010 VOL 15 NO 8 692 [4] D.A. Wang, S.C. lee, “Microstructures and failure mechanisms of Friction Stir Spot Welds of aluminium

6061-T6 sheets”, Journal of Materials Processing Technology, vol. 186, 2007

[5] R.S. Mishra, Z.Y. Ma, 2005. Friction stir welding and processing. Materials Science and Engineering, 50, 1-78.

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le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012, http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 147 [6] S. Lathabai, M.J. Painter, G.M.D. Cantin, V.K. Tyagi, “Friction spot joining of an extruded Al-Mg-Si

alloy”, Scripta Materialia, vol. 55, 2006, p. 899-902.

[7] Y. Tozaki, Y. Uematsu, K. Tokaji, “Effect of tool geometry on microstructure and static strength in friction stir spot welded aluminium alloys”, International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol.

47, 2007, p. 2230-2236.