Conception en fatigue de joints soudés par friction malaxage dans les tabliers de pont en aluminium

Généralités 

Il existe plusieurs méthodes de soudage qui sont catégorisées selon la distribution de la matière soudée et selon le type d’énergie employée. La catégorie la plus répandue est sans doute le soudage à l’arc, où les pièces se fusionnent entre elles à l’aide d’un métal d’apport. Pour répondre à d’autres besoins, la catégorie de soudage à l’état solide existe, ce qui permet d’éviter au matériau d’entrer à l’état de fusion et d’éviter l’utilisation d’un métal d’apport. Par exemple, le soudage par friction, où une pièce en rotation entre en contact avec une autre pièce stationnaire créant une friction entre deux pièces et un écoulement plastique de la matière entre eux, a été inventé en Russie dans les années 1950.

Au début des années 1990, le soudage par friction malaxage (SFM), autre moyen de soudage à l’état solide, a été inventé au Royaume-Uni par The Welding Institute. Plus de 3000 demandes de brevets ont dès lors été déposées par différents auteurs [1] et la recherche sur ce procédé d’assemblage est encore très active à ce jour. Cette technologie est utilisée dans de multiples industries, comme l’automobile, l’aviation et plus récemment en construction civile. Ce procédé permet l’assemblage de métaux en demeurant à l’état solide et est très bien adapté aux alliages d’aluminium. Cette singularité lui permet aussi d’atteindre une température maximale moins élevée que les procédés conventionnels par fusion, ce qui permet d’éviter les problèmes de fusion locale ou de distorsion des pièces. La taille de la zone affectée thermiquement (ZAT), zone la plus affaiblie d’un joint soudé, est aussi réduite et l’impact négatif obtenu via d’autres problèmes, notamment de porosités, est diminué.

En comparant ce procédé à différentes méthodes de soudages par fusion, le SFM apporte plusieurs atouts bénéfiques aux assemblages :
• excellentes propriétés mécaniques ;
• très faibles distorsions et très faible retrait de soudage ;
• soudure uniforme et continue ;
• possibilité de souder une large variété de métaux (acier, alliages d’aluminium, cuivre, titane…) ;
• possibilité de souder des matériaux dissimilaires ;
• utilisation d’outils réutilisables et durables ;
• aucune émission de fumée nocive ni rayon ultraviolet ;
• productivité simplifiée et accrue ;
• taille de la zone affectée thermiquement réduite.

Cela n’empêche pas que diverses industries œuvrant dans différents domaines ont vite su reconnaître le potentiel de ce procédé. Nommons entre autres les industries aéronautique et automobile. Par exemple, le SFM a permis de remplacer le rivetage du fuselage de l’avion Eclipse 500. Le châssis avant de la voiture Honda Accord 2013 est composé d’une pièce d’aluminium et d’une pièce d’acier assemblées par SFM [1]. Ce procédé est également utilisé dans l’assemblage côte à côte de profilés d’aluminium extrudés. Ceci permet de réduire les coûts de fabrication. D’ailleurs, il est possible de fabriquer des plateformes de grande taille qui sont utilisées dans des applications ferroviaires (panneaux de plancher ou d’enveloppe de train) et en structure fixe de génie civil (tablier de pont).

Aluminium 

Historique et production

L’aluminium, ayant un immense volume de production et une multitude d’applications aujourd’hui, était considéré comme un métal précieux à l’époque de sa découverte. Ceci est étonnant, puisque l’aluminium recouvre un douzième de la croûte terrestre. Il n’existe pas à l’état libre, tel est le défi. Par sa difficulté de séparer l’élément de l’oxygène dans le composé d’alumine (Al2O3), les premières tentatives d’extraction du métal entre 1800 et 1850 n’ont donné que de petites quantités d’aluminium impur. À partir de 1854, l’année de fabrication du premier bloc du métal par le français Henri Sainte-Claire Deville, seulement quelques kilos d’aluminium existaient. C’est en 1886 que le français Paul Toussaint Héroult et l’américain Charles Martin Hall, de façon simultanée et indépendante, obtiennent de l’aluminium par le procédé d’électrolyse, communément nommé procédé Hall-Héroult.

En 1888, l’Autrichien Karl Josef Bayer développe un procédé d’extraction de l’alumine à partir du minerai de bauxite par dissolution dans de l’hydroxyde de sodium. La poudre d’oxyde d’aluminium ainsi recueillie alimente les unités d’électrolyse, de sorte à réduire l’alumine en aluminium primaire. La période industrielle de production économique d’aluminium débute dès lors.

Après avoir recueilli l’alumine à partir de la bauxite, l’aluminium est décomposé par le procédé Hall-Héroult. Dans une cuve d’électrolyte composé de cryolithe, de fluorure d’aluminium et d’alumine, un courant continu, circulant de l’anode (+) à la cathode (-) en passant par l’électrolyte, permet de décomposer l’alumine en aluminium et en oxygène. L’aluminium en fusion se dépose sur la cathode au fond de la cuve et l’oxygène brûle l’anode pour créer du dioxyde de carbone. L’aluminium est par la suite siphonné de la cuve et est soit coulé immédiatement en lingot d’aluminium pur ou soit préparé en alliage [9, 10].

De nos jours, l’aluminium est le métal non ferreux le plus utilisé, en raison notamment de ses nombreux avantages :
• faible densité pour une haute résistance ;
• couche d’oxyde en surface qui protège contre la corrosion ;
• facilité de fabrication par extrusion, laminage, moulage ou par forgeage ;
• facilité de recyclage ;
• bonne conductivité électrique et conductibilité thermique .

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Table des matières

RÉSUMÉ
ABSTRACT
REMERCIEMENTS
PUBLICATIONS
TABLE DES MATIÈRES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES SYMBOLES ET ABRÉVIATIONS
Chapitre 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE
1.1. Généralités
1.2. Problématique
1.3. Objectifs de l’étude
1.4. Organisation du mémoire
Chapitre 2 REVUE DE LA LITTÉRATURE
2.1. Généralités
2.2. Aluminium
2.2.1. Historique et production
2.2.2. Classification et propriétés des alliages
2.3. Soudage par friction malaxage
2.3.1. Description du procédé
2.3.2. Avantages et inconvénients
2.3.3. Paramètres de soudage
2.3.4. Mécanismes physiques
2.3.5. Caractérisation métallurgique
2.3.6. Défauts de fabrication
2.4. Caractérisation du fini de surface
2.5. Équipement de soudage
2.6. Fatigue des structures et des joints SFM
2.6.1. Fracture des matériaux
2.6.2. Phénomène de fatigue
2.6.3. Phases de la vie en fatigue
2.6.4. Caractérisation en fatigue
2.6.5. Nature statistique de la fatigue
2.6.6. Paramètres influençant la vie en fatigue
2.6.7. Fatigue des soudures par friction malaxage
2.7. Code et normes
2.7.1. Tolérances des défauts
2.7.2. Normes de conception en fatigue
Chapitre 3 MÉTHODOLOGIE
3.1. Matériel et détails des soudures
3.2. Équipements et bancs d’essai
3.2.1. Portique spécialisé SFM
3.2.2. Fraiseuse universelle adaptée
3.2.3. Robot industriel polyarticulé
3.2.4. Outils
3.3. Paramètres de soudage
3.3.1. Comparaison des équipements
3.3.2. Étude de la fatigue
3.4. Préparation des échantillons de caractérisation
3.4.1. Comparaison des équipements
3.4.2. Étude de la fatigue
3.5. Caractérisation mécanique
3.5.1. Essais de traction
3.5.2. Essais de fatigue
3.6. Caractérisations physiques
3.6.1. Étude métallurgique
3.6.2. Fini de surface
3.6.3. Fractographie
3.7. Évaluation des équipements
3.8. Contrôle qualité
3.8.1. Inspection visuelle
3.8.2. Analyse des forces de soudage
3.8.3. Analyse métallographique
3.8.4. Inspection non destructive par ultrasons
Chapitre 4 RÉSULTATS ET DISCUSSION
4.1. Généralités
4.2. Essais de traction
4.2.1. Soudures fabriquées par la fraiseuse
4.2.2. Soudures fabriquées par le portique
4.2.3. Soudures fabriquées par le robot
4.3. Essais de fatigue
4.3.1. Soudures de bonne qualité (PW)
4.3.2. Soudures des pièces décalées du côté avançant (MAS)
4.3.3. Soudures des pièces décalées du côté reculant (MRS)
4.3.4. Comparaison des soudures MAS et MRS
4.3.5. Soudures avec trou de ver (WH)
4.4. Mesures des déformations
4.5. Analyse métallurgique
4.5.1. Macrostructure des pièces brutes
4.5.2. Microdureté
4.6. Analyses macrographiques
4.6.1. Manque de pénétration
4.6.2. Échantillons avec décalage axial
4.6.3. Échantillons avec trou de ver
4.7. Mécanique de rupture
4.7.1. Présentation du modèle
4.7.2. Paramètres de base
4.7.3. Soudures de bonne qualité (PW)
4.7.4. Soudures des pièces avec décalage axial
4.8. Fini de surface
4.8.1. Rugosité de surface
4.8.2. Géométrie
4.9. Comparaison des équipements
4.9.1. Étude qualitative
4.9.2. Étude quantitative
Chapitre 5 CONCLUSION
5.1. Conclusion
5.2. Recommandation
LISTE DES RÉFÉRENCES
Annexe A – Rapport d’inspection aux ultrasons
Annexe B – Résultats des essais de fatigue
Annexe C – Spécimens fracturés après essai de fatigue
Annexe D – Macrographies des soudures avec trou de ver (WH)

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