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Qu’est-ce que le soudage par friction-malaxage de l’aluminium ?

Q – J’ai entendu parler d’un procédé de soudage appelé soudage par friction-malaxage. Apparemment, il est assez nouveau et c’est un procédé particulièrement bon pour le soudage de l’aluminium. Pouvez-vous me donner quelques informations sur ce procédé et les types d’applications pour lesquelles il est utilisé ?

A – Inventé en 1991, le procédé de soudage par friction-malaxage (FSW) a été développé et breveté par The Welding Institute (TWI) à Cambridge, au Royaume-Uni. Les premières machines de soudage par friction-malaxage construites spécialement et disponibles dans le commerce ont été produites par ESAB Welding and Cutting Products dans leur usine de fabrication d’équipements à Laxa, en Suède. Le développement de ce procédé a constitué un changement important par rapport aux procédés conventionnels de soudage par friction à mouvement rotatif et à mouvement alternatif linéaire. Il a apporté une grande flexibilité au sein du groupe de procédés de soudage par friction.

Le procédé conventionnel de soudage par friction à mouvement rotatif nécessite qu’au moins une des pièces à assembler soit mise en rotation et présente la limitation pratique d’assembler des composants de forme régulière, de préférence de section circulaire et limités dans leur longueur. Des tubes courts ou des barres rondes de même diamètre en sont un bon exemple.

Le procédé de va-et-vient linéaire nécessite également un mouvement des pièces à assembler. Ce procédé utilise un mouvement rectiligne de va-et-vient entre les deux pièces pour générer la friction. La régularité des pièces à assembler n’est pas aussi nécessaire avec ce procédé ; cependant, le mouvement de la pièce pendant le soudage est essentiel.

La limitation évidente de ces deux procédés est la conception du joint et la restriction de la géométrie des composants. Au moins une des pièces assemblées doit avoir un axe de symétrie et être capable d’être tournée ou déplacée autour de cet axe.

Le soudage par friction-malaxage (FSW) est capable de fabriquer des joints bout à bout ou à recouvrement, dans une large gamme d’épaisseurs et de longueurs de matériaux. Pendant le FSW, la chaleur est générée par le frottement d’un outil non consommable sur le substrat destiné à être assemblé et par la déformation produite par le passage d’un outil à travers le matériau à assembler. L’outil en rotation crée un chauffage volumétrique, de sorte qu’au fur et à mesure de la progression de l’outil, un joint continu est créé. La soudure par friction-malaxage, comme d’autres types de soudures par friction, est en grande partie à l’état solide par nature. Par conséquent, les soudures par friction-malaxage ne sont pas sujettes aux défauts liés à la solidification qui peuvent entraver d’autres procédés de soudage par fusion. Le procédé FSW est illustré à la figure 1. Les pièces à assembler sont généralement disposées en bout de ligne. L’outil rotatif est ensuite mis en contact avec les pièces à assembler. L’outil comporte deux éléments de base : la sonde, qui dépasse de la surface inférieure de l’outil, et l’épaulement, dont le diamètre est relativement important. La longueur de la sonde est généralement conçue pour correspondre étroitement à l’épaisseur des pièces à usiner. Le soudage est initié en plongeant d’abord la sonde rotative dans les pièces à usiner jusqu’à ce que l’épaulement soit en contact étroit avec la surface supérieure du composant. La chaleur de friction est générée lorsque l’épaulement rotatif frotte sur la surface supérieure sous l’effet d’une force appliquée. Une fois qu’une chaleur suffisante est générée et conduite dans la pièce, l’outil rotatif est propulsé vers l’avant. Le matériau est ramolli par l’action chauffante de l’épaulement, et transporté par la sonde à travers la ligne de liaison, facilitant le joint.

Une des limites du procédé FSW est la stabilité mécanique de l’outil à la température de fonctionnement. Pendant le FSW, l’outil est chargé non seulement de chauffer le matériau du substrat à des températures de forgeage, mais aussi de fournir l’action mécanique du forgeage. Par conséquent, le matériau de l’outil doit être capable de supporter des charges et des températures de forgeage élevées en contact avec le matériau du substrat en déformation sans usure ou déformation excessive. En conséquence, la plupart des applications FSW ont impliqué des matériaux à faible température de forgeage. Parmi ceux-ci, la classe de matériaux la plus importante a été l’aluminium. Une gamme de pratiquement toutes les classes d’alliages d’aluminium a été soudée avec succès par friction-malaxage. Il s’agit notamment des alliages 1xxx, 2xx, 3xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx et 7xxx, ainsi que des alliages Al-Li plus récents. Chaque système d’alliage est métallurgiquement distinct. En outre, les différents alliages d’une même classe peuvent avoir des caractéristiques de forgeage différentes. Par conséquent, le traitement de chaque alliage peut varier. Cependant, des joints de haute intégrité peuvent être obtenus dans toutes les classes.

Quelques applications:

En raison du potentiel d’avantages par rapport au soudage à l’arc dans certaines applications associées à ces procédés, le FSW a suscité l’intérêt de nombreux secteurs de l’industrie travaillant avec l’aluminium. Les avantages comprennent la capacité de produire de grandes longueurs de soudures en aluminium sans aucune fusion du matériau de base. Cela présente des avantages métallurgiques importants par rapport au soudage à l’arc classique. La fusion du matériau de base n’a pas lieu avec le FSW, ce qui élimine la possibilité de fissures de solidification qui sont souvent un problème lors du soudage à l’arc de certains alliages d’aluminium. D’autres avantages peuvent inclure : une faible distorsion associée à un chauffage plus faible pendant le processus de soudage ; l’élimination des problèmes de porosité qui sont difficiles lors du soudage à l’arc de l’aluminium ; une préparation minimale des bords, car les joints bout à bout sont généralement réalisés avec une préparation en bout carré ; et, l’absence de consommables de soudage tels que le gaz de protection ou le matériau d’apport.

Le procédé de soudage par friction-malaxage est utilisé et/ou évalué pour une utilisation au sein des industries de l’aérospatiale, des véhicules militaires, des avions, de l’automobile, de la construction navale, du matériel roulant ferroviaire et très probablement d’autres.

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