Soutenance mémoire
Principe du soudage par friction-malaxage
Le soudage par friction-malaxage (Friction Stir Welding FSW en anglais) est un procédé de soudage à l’état solide qui consiste à assembler deux pièces en les amenant dans un état pâteux grâce à un outil en rotation (Mishra and Ma 2005). Cet outil comportant un épaulement et une tige coaxiale appelée « pion », d’une longueur à peine inférieure à l’épaisseur de la plaque, tourne à vitesse constante sur la ligne de contact entre deux plaques, en butée ou qui se chevauchent, ce qui provoque un « ramollissement » du matériau (Threadgill et al. 2009). Le côté de la soudure de l’outil rotatif qui se déplace dans la même direction que la direction de déplacement, est communément appelé « Advancing Side AS » qu’on peut traduire en français par « côté avançant » de la soudure. L’autre côté, où la rotation de l’outil opposée à la direction de déplacement, est connu comme « Retreating Side RS » ou « côté reculant » de la soudure (Threadgill et al. 2009). La Figure 1.1 montre le schéma de principe du soudage par friction-malaxage.
La chaleur de friction est générée, d’abord, par le frottement entre le pion, qui plonge en premier dans la matière, et la pièce à souder puis par le frottement entre l’épaulement et la pièce à souder qui rajoute de la chaleur (Mahoney et al. 1998). La chaleur de friction provoque une zone ramollie du matériau autour de l’outil sans atteindre la température de fusion (Mahoney et al. 1998). Le soudage par friction peut être apparenté à un processus d’extrusion contraint sous l’action de l’outil (Mishra and Ma 2005; Kim et al. 2006). Si les paramètres de soudage sont bien choisis, la matière ramollie ne flue pas car elle est limitée par l’épaulement de l’outil (Threadgill et al. 2009). Le matériau extrudé est déposé pour former un joint en phase solide derrière l’outil. Le processus est par définition asymétrique, comme la plupart de la matière déformée est extrudée jusqu’au côté reculant de l’outil (Threadgill et al. 2009). Il génère des déformations importantes à de hautes vitesses, qui sont toutes deux sensiblement plus élevées que constaté dans d’autres processus de travail des métaux à l’état solide (extrusion, laminage, forgeage, etc.) (Threadgill et al. 2009).
Avantages du soudage par friction malaxage
Le soudage par friction malaxage est un procédé intéressant pour l’industrie. Maîtriser les paramètres de ce procédé, offrira plusieurs avantages à l’industrie du transport, à savoir l’allègement de la structure ainsi que d’excellentes propriétés mécaniques. C’est une excellente alternative pour les matériaux difficilement soudables, notamment les séries 2000 et 7000 des alliages d’aluminium. Le processus de soudage est à l’état solide ce qui permet d’éviter les problèmes de soudage conventionnel avec fusion, comme les porosités et les fissures en plus d’économiser l’énergie de chauffage. Il ne nécessite pas de matière d’apport ce qui constitue une économie sur les consommables mais aussi cela réduit le poids de la pièce donc constitue une économie sur l’énergie de transport. La soudure obtenue présentent de bonnes propriétés métallurgiques avec une microstructure fine et, si les paramètres du procédé sont bien choisis, on ne trouve pas de porosités, ce qui améliore les propriétés mécaniques. On obtient des soudures avec un bel aspect de surface sans matière qui déborde, ce qui épargne le traitement de surface. De plus c’est un procédé « propre » car il n’y a pas d’émission de gaz nocif, génère peu de déchets, et ne nécessite pas de solvants pour le dégraissage (Vilaça, Vidal, and Gandra 2012).9
Paramètres du soudage par friction-malaxage Plusieurs paramètres influencent le mouvement de la matière et les caractéristiques microstructurales et mécaniques de la soudure. Les paramètres les plus déterminants sont les vitesses de rotation et d’avance de l’outil de soudage. Mais aussi l’outil lui même, sa géométrie, le matériau dont il est conçu et sa dureté. On note également d’autres paramètres comme la force appliqué sur l’outil, l’angle d’inclinaison de l’outil ou encore la profondeur de plonge de l’outil dans le matériau à souder.
Géométrie de l’outil L’outil assure deux fonctions principales. Tout d’abord, il produit un frottement contre la pièce provoquant ainsi une concentration de la chaleur qui va ramollir le matériau, et il permet le mouvement de la matière du côté avançant de la soudure vers le côté reculant (Mishra and Ma 2005).
La zone affectée thermo-mécaniquement La zone affectée thermo-mécaniquement (ZATM), représentée entre les deux lignes rouges dans la Figure 1.7, se situe directement près du noyau de la soudure et avant le matériau de base. Cette zone est caractéristique du soudage par friction-malaxage (Mahoney et al. 1998). Comme son nom l’indique, elle subit des transformations thermiques et des déformations mécaniques des déformations plastiques, en l’occurrence. Cependant, les déformations plastiques ne sont pas assez importantes pour permettre la recristallisation des grains qui sont allongés mais gardent leur grande taille (Mahoney et al. 1998; Ma, Mishra, and Mahoney 2002). Dans cette zone, on parle plutôt de la restauration des grains qui contiennent un taux élevé de sous-grains avec des joints à faible angle de désorientation (Sato et al. 1999).
La zone affectée thermiquement
La zone affectée thermiquement (ZAT) se situe entre la zone affectée thermo-mécaniquement et le matériau de base. Elle subit un cycle thermique mais pas de déformations mécaniques. Selon certains chercheurs, les grains gardent le même aspect que ceux du matériau d’origine et on les distingue généralement par la valeur de leur dureté (Mishra and Ma 2005; Lee, Yeon, and Jung 2003; Threadgill et al. 2009). Alors que d’autres, comme Sharma et al. ont stipulé que la taille des grains augmente par effet de la température par rapport au matériau de base (Sharma, Dwivedi, and Kumar 2012). Dépendamment des paramètres de soudage, la température atteinte dans cette zone va dissoudre les précipités fins au dépends des plus gros. Durant le refroidissement, les précipités grossissent traduisant ainsi un sur-vieillissement (Mahoney et al. 1998). Il a été démontré, par plusieurs chercheurs, que la fracture sous tension d’un joint soudé par friction-malaxage se produit généralement dans cette zone (Mahoney et al. 1998). Taille des grains dans le noyau de la soudure FSW Les paramètres de soudage influencent la taille des grains recristallisés dans le joint. La taille peut varier de quelques microns mais peut également dans certaines conditions ne pas dépasser 1 µm (Mishra and Ma 2005). Le Tableau 1.1 réalisé par Mishra et al. résume les données de plusieurs recherches dans la littérature et montre la taille de grains obtenue dans le noyau de soudure de plusieurs alliages d’aluminium en citant les paramètres de soudage (les vitesses de rotation et d’avance et l’outil utilisé) (Mishra and Ma 2005). Pendant le soudage, une vitesse élevée de rotation de l’outil ou un taux élevé du rapport vitesse de rotation/vitesse d’avance, conduit à un degré élevé de déformation et une augmentation de la température. Ce taux élevé de déformation mène à la diminution de la taille des grains, alors que la haute température provoque la germination et la croissance des grains. Ainsi, la taille des grains augmente si on augmente la vitesse de rotation de la tige ou si le rapport vitesse de rotation/vitesse d’avance augmente, comme le montre la Figure 1.8 (Ma, Mishra, and Mahoney 2002).
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INTRODUCTION
1CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Le soudage par friction-malaxage
1.1.1 Principe du soudage par friction-malaxage
1.1.2 Avantages du soudage par friction malaxage
1.2 Paramètres du soudage par friction-malaxage
1.2.1 Géométrie de l’outil
1.2.2 Les vitesses de rotation et d’avance
1.3 Caractéristiques de la microstructure
1.3.1 Les différentes zones d’une pièce soudée
1.3.1.1 Le noyau de la soudure
1.3.1.2 La zone affectée thermo-mécaniquement
1.3.1.3 La zone affectée thermiquement
1.3.2 Taille des grains dans le noyau de la soudure FSW
1.4 Influence des paramètres du soudage sur la distribution de la chaleur
1.5 Les propriétés mécaniques d’une soudure par friction-malaxage
1.5.1 La dureté
1.5.2 La résistance mécanique
1.6 Les bandes alternées dans la microstructure d’une soudure par friction-malaxage
1.6.1 Caractéristiques de la microstructure des bandes alternées
1.6.1.1 La taille des grains dans les bandes alternées
1.6.1.2 Les précipités dans les bandes alternées
1.6.1.3 Orientation des grains des bandes alternées
1.6.2 Origine des bandes alternées
1.6.3 Influence des paramètres de soudage sur les bandes alternées
1.7 Conclusion
2CHAPITRE 2 DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE
2.1 Soudage par friction-malaxage
2.1.1 Matériaux utilisés
2.1.2 La machine de soudage par friction malaxage
2.1.3 Les paramètres du soudage par friction-malaxage
2.1.3.1 Les outils
2.1.3.2 Les vitesses d’avance et de rotation
2.2 Inspection visuelle
2.3 Préparation des échantillons pour la métallographie
2.3.1 Microscopie optique
2.3.2 Microscopie électronique à balayage
2.4 Tests de dureté
2.4.1 Micro-dureté Vikers
2.4.2 Nano-indentation
2.5 Shear punch test
2.5.1 Le principe du shear punch test
2.5.2 Le dispositif expérimental
2.5.3 Préparation des échantillons pour le shear punch test
3CHAPITRE 3 RÉSULTATS ET DISCUSSION
3.1 Observations de la microstructure
3.1.1 Microscopie optique d’une soudure
3.1.2 Localisation des bandes alternées dans la microstructure
3.1.3 Taille des grains des bandes alternées
3.2 Influence des paramètres de soudage sur la dureté des bandes alternées
3.3 Test de nano-indentation
3.4 Orientation et désorientation des grains dans les soudures par friction-malaxage
3.4.1 Orientation des grains
3.4.1.1 Orientation des grains dans les bandes alternées
3.4.1.2 Orientation des grains dans le centre de la soudure
3.4.1.3 Orientation des grains dans le côté reculant
3.4.2 Désorientation des grains
3.4.2.1 Désorientation des grains dans le matériau de base
3.4.2.2 Désorientation des grains dans les bandes alternées
3.4.2.3 Désorientation des grains dans le centre de la soudure
3.4.2.4 Désorientation des grains dans le côté reculant
3.4.3 Discussion sur l’orientation et la désorientation des grains
3.5 Analyse de la distribution des précipités
3.5.1 Les précipités dans le matériau de base , le centre de la soudure et le côté reculant
3.5.1.1 Les précipités Mg-Si
3.5.1.2 Les précipités Mn-Si
3.5.2 Les précipités dans les bandes alternées
3.5.3 Discussion sur la précipitation
3.6 L’influence des paramètre du soudage par friction malaxage sur la résistance mécanique
3.6.1 Shear punch tests réalisés sur le matériau de base
3.6.2 Le résistance mécanique des différentes soudures
3.6.2.1 La résistance mécanique dans une même soudure
3.6.2.2 Influence des vitesses d’avance et de rotation sur la résistance mécanique
3.6.2.3 Effet de la géométrie de l’outil sur la résistance mécanique
3.7 Sommaire
CONCLUSION
ANNEXE I Microscopies avec la technologie d’imagerie Argus
ANNEXE II Courbes contrainte/déformation de l’alliage d’aluminium 6082-T6
ANNEXE III Courbes Contrainte de cisaillement/Déplacement normalisé contenant la ZAT
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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