Le soudage par friction-malaxage de matériaux dissimilaires

Une soudure effectuée avec le procédé de soudage par friction-malaxage est générée par un outil et contrôlée par des paramètres opératoires. Dans le but de prédire la durée de vie d’un outil pour une application donnée, il est primordial de connaître les éléments influençant cette dernière. Trois éléments distincts doivent être étudiés ainsi que leurs interactions les uns sur les autres. L’outil de soudage, les matériaux d’assemblage ainsi que les paramètres opératoires sont ces trois éléments. Ils seront traités individuellement dans les paragraphes qui vont suivre puis leur influence mutuelle sera discutée.

L’outil de soudage

Une soudure par friction-malaxage nécessite un outil de soudage. Actionné par la machine, cet outil subit l’ensemble des charges associées à ce type de procédé : haute température, haute pression, contraintes élevées en torsion, en compression et en flexion. Considérant ces charges, l’outil de soudage doit être résistant et rentable pour qu’une telle application soit considérée. Plusieurs facteurs influencent la conception d’un outil de soudage. Le premier facteur est les matériaux d’assemblage. Celui-ci détermine principalement le matériau dans lequel l’outil sera conçu. L’avancée des nouveaux matériaux plus résistants aide le domaine en offrant un vaste choix de matériau d’outil pouvant servir à la fabrication de l’outil de soudage. Pour le soudage de l’aluminium par friction-malaxage, l’acier outil H13 est souvent employé. Cette nuance d’acier a de bonnes propriétés mécaniques tout en étant abordable et est relativement facile à usiner afin de créer des motifs améliorant la qualité des soudures. Toutefois, un matériau ayant une résistance mécanique s’approchant de celle des matériaux d’assemblage réduit considérablement la durée de vie des outils. Les alliages d’aluminium ayant des particules de renfort notamment réduisent la longévité des outils utilisés pour souder ces matériaux [4]. La sélection du matériau d’outil doit considérer plusieurs éléments comme l’affinité avec les matériaux d’assemblage et les vitesses de rotation et d’avance admissibles et donc les forces possibles en jeux. Les matériaux à haut point de fusion comme les nuances d’acier ou les alliages de titane nécessitent donc un matériau d’outil beaucoup plus résistant que l’acier outil (acier H13) conventionnel. Le développement de différentes céramiques techniques pouvant supporter les importantes contraintes retrouvées dans le soudage par friction-malaxage de ces matériaux d’assemblage a démocratisé l’utilisation de cette méthode d’assemblage pour la jonction de ces matériaux. De nos jours, l’utilisation d’outil à base de tungstène (W), de carbure de tungstène (WC) ou de nitrure de bore cubique polycristallin (PCBN) est fréquente et est même un standard dans l’industrie.

Le deuxième facteur est la géométrie du joint qui gouverne les dimensions des différentes parties de l’outil. Dans le cadre de ce travail de maîtrise, uniquement des soudures en recouvrement ont été utilisées. Ce type de joints consiste en l’empilement des tôles à assembler où l’épaisseur des tôles et la profondeur de pénétration nécessaire à une jonction déterminent la longueur du pion.

La géométrie de l’outil dépend de l’utilisation qui en est faite . Les détails de la géométrie de l’outil influencent grandement le mouvement du matériel dans la soudure [5]. Des rainures sur l’épaulement et sur les flancs du pion peuvent notamment être utilisées pour améliorer le fini de surface et la contention du matériel sous l’épaulement. Des filets orientés inversement à la direction de rotation de l’outil sur le pion peuvent également être utilisés afin d’accentuer le malaxage du matériel du bas vers le haut.

L’assemblage dissimilaire 

Considérer les matériaux d’assemblage est important dans le processus de cette recherche puisqu’ils influencent le comportement à l’usure de l’outil , mais la portée de cette recherche étudie l’assemblage de l’aluminium à l’acier.

Le domaine industriel du transport de surface utilise beaucoup l’assemblage en recouvrement puisqu’elle est plus permissive aux irrégularités dimensionnelles des tôles à assembler et aux imprécisions du positionnement du robot qui effectue la soudure. La disposition des matériaux d’assemblage détermine la position de l’usure sur l’outil. Un choix logique de conception d’une géométrie de joint est de positionner le matériau ayant le moins d’impact sur l’outil sur le dessus de l’assemblage et le matériau ayant le plus d’impact sous l’assemblage. Dans le contexte de notre étude, l’assemblage a une configuration tel que l’aluminium est au-dessus de l’acier. Les matériaux ayant un point de fusion élevé ont généralement des propriétés mécaniques plus élevées que les matériaux ayant un point de fusion plus bas comme l’aluminium .

Les matériaux d’assemblage

Les matériaux d’assemblage sont très importants à considérer pour comprendre leur comportement dans le processus du soudage par friction-malaxage. En effet, chaque matériau a ses particularités par sa composition chimique et ses propriétés mécaniques et thermiques. L’aluminium fait partie des assemblages analysés, mais l’étude de l’usure se concentre principalement à l’extrémité de l’outil où l’aluminium n’a pas ou très peu d’influence sur les mécanismes d’usure en jeu et c’est pourquoi les alliages d’aluminium ne seront pas considérés dans cette partie du mémoire.

Les nuances d’acier utilisées dans cette étude seront détaillées à la méthodologie . Trois types de nuances d’acier sont abordés, l’acier à basse teneur en carbone, l’acier inoxydable et un acier à double phase. Les différentes nuances d’acier sont composées de phases qui sont de la ferrite, de la perlite, de l’austénite et de la martensite. D’autres types de phases existent dans le vaste monde des aciers, mais mon analyse va se restreindre à ces 4 types de phases. Les nuances d’acier mentionnées précédemment sont toutes composées de ces types de phases . Ces types de phases ont un arrangement atomique spécifique qui donne certaines propriétés aux aciers. La cinétique de formation de la microstructure est contrôlée par la teneur en carbone et le cycle thermique. Dépendant de la composition chimique et de la méthode de production des aciers, certaines phases apparaissent et procurent les avantages associés retrouvés dans ces aciers. Le procédé de soudage par friction-malaxage engendre deux effets qui affectent les aciers, l’effet de la déformation et l’effet de la chaleur. Ces effets sont utilisés dans la méthode de fabrication des nuances d’acier ce qui implique que ces nuances se retrouvent en présence des mêmes éléments qui ont été utilisés pour leur formation, il est évident que la déformation et la chaleur provoquées par le SFM influencent leurs propriétés mécaniques.

De plus, certains aciers sont, comme l’aluminium, susceptibles à l’augmentation de la température au-delà d’un certain point. L’effet du durcissement de l’acier et de l’augmentation de la température a probablement une influence sur la durée de vie de l’outil œuvrant dans les conditions de notre étude.