RECHERCHE

FRICTION STIR WELDING

La technique friction stir welding(FSW) a été découverte au débutdes années 90 et brevetée parThe Welding Institute (Grande-Bretagne).Dans ce procédé, un outil enrotation constitué d’une pointe àprofil spécial et d’un épaulementest appuyé sur le matériau (voiraussi figure 5), jusqu’à ce quel'épaulement atteigne la surfacede celui-ci. Par friction, le matériau estéchauffé jusqu’à des températuresoù il arrive à un état "pâteux".

Quand l’outil est déplacé versl’avant, le matériau est poussé del’avant vers l’arrière de la pointe;de cette manière, l’assemblageest réalisé à l’état solide (voir figure 1). C'est pour ces raisonsque les alliages d’aluminium sontégalement soudables, alors qu’ilsne le sont pas avec les procédésTIG ou MIG, comme les alliagessensibles à la fissuration à chaud(alliages Alcu ou Al ZnMgCu) oudes pièces de fonte à hautepression.

AvantagesLes principaux avantages de ce

procédé appliqué aux alliagesd’aluminium sont: • pas de fissures à chaud ou de

porosités,• pas de gaz de protection ou

de métal d’apport,• préparation des joints limitée

(dégraissage uniquement),• faible adoucissement ou

déformation,• complètement automatique -

qualité constante de la soudure,• productivité élevée,• grande plage d’épaisseur à

souder en une seule passe (1,2mm à 75mm),

• surface de soudure plane sans

surépaisseur.En Belgique, tant CEWAC (Liège)que l’UCL-PRM (Louvain-La-Neuve)disposent des appareillages etlicences nécessaires pourappliquer ce procédé desoudage dans un but derecherche (voir figure 2).Actuellement, Sapa RC Profiles àGhlin, près de Mons, est la seulesociété en Belgique qui appliquele friction stir welding enproduction.Au niveau international, le frictionstir welding est surtout appliquédans l’industrie aéronautique etspatiale, le transport et

PROJET TAP2 "CASSTIR":COLLABORATION ENTRE IBS, UCL-PRM,

CEWAC ET UGENTLe projet CASSTIR (Assemblage innovant de structuresexigeantes en aluminium par le procédé de soudagepar friction malaxage) a démarré fin 2006. Cetterecherche voit la collaboration de l’IBS, CEWAC, lesuniversités de Louvain-la-Neuve et de Gent et estréalisée pour le compte de la Politique scientifiquefédérale dans le cadre du “Programme de promotiondu transfert de connaissances dans des domainesstratégiques importants”. On trouvera ci-après unedescription du procédé friction stir welding et desobjectifs du projet, ainsi qu’un aperçu des principalesréalisations dans le cadre de ce projet durant lapremière année.

Par ir. Wim Van Haver, IWE, Centre de recherche de l'IBS(Traduction: M.C. Ritzen, IBS)

FRICTION STIR WELDING D'ALUMINIUM

Figure 1: Schéma du procédé friction stir welding (source: ISO/DIS 25239-1)

Figure 2.1: Machine FSW à l'UCL Figure 2.2: Une des deux machines FSW disponibles au CEWAC

RECHERCHE

l’automobile, et la constructionnavale. En général, ces secteursapprécient particulièrement lacombinaison de productivité et dequalité de la soudure, la faibledéformation et le maintien de larésistance dans la zone soudée.

PROJET CASSTIRCe projet de recherche financépar la Politique scientifiquefédérale, a été proposé dans lecadre du TAP2 et été approuvécomme projet “cleantechnologies” pour la période dedécembre 2006 à décembre2009. Il faut noter qu’en plus desavantages technologiques duFriction stir welding repris ci-avant, la technique se positionnetrès bien dans le domaine de lasécurité et de l’environnement.

Comparaison avec le procédéclassiqueQuand on compare cettetechnique avec un procédéclassique pour l’aluminium (MIGou TIG), on constate:• pas de fumées, d’ozone ou de

projections,• pas de rayonnement UV ou de

grands champsélectromagnétiques,

• pas de risque d’électrocution,• moins de déchets,• pas de gaz de protection,• faible consommation en

énergie (99% en moins parrapport au soudage parrésistance selon Mazda),

• possibilité d’avoir uneconstruction plus légère enoptimalisant le matériau(soudage d’alliages nonsoudables par fusion!) et pertemoindre en résistance.

ObjectifL’objectif de CASSTIR estd’améliorer les connaissances surle friction stir welding enBelgique, à la suite de projets derecherche collective telqu’ALUWELD (IWT 30909).Les partenaires de recherche vontétudier les possibilités et les limitesdu friction stir welding,appliqué sur troisalliages d’aluminiumdifférents(correspondant à troisapplicationsdifférentes). Dans cecadre, on va examinerd’une façon détailléeles propriétés dessoudures au niveau dela métallographie, despropriétés mécaniques,des tensionsrésiduelles, de lafatigue et de lacorrosion. La possibilité d’utiliser destechniques non destructives vaêtre examinée et on va vérifierdans quelle mesure desparamètres de soudage optimauxpeuvent être transférés à d’autresmachines FSW. L’attention seportera également sur lamodélisation numérique duprocédé FSW.

Dans une dernière phase, lessoudures friction stir serontcomparées, quant aux propriétésde la soudure, la productivité etla non-pollution, avec un procédéde production alternatif classique(p.ex. soudage MIG).CASSTIR portera également sonattention sur des aspects pluslarges tels que les efforts que lanormalisation du procédé FSWau sein de l’ISO et CEN.

Répartition des tâchesDans le cadre de ce projet, l’IBSassure la coordination ainsi que

la métallographie etles essais mécaniques.Les soudures friction stirsont réalisées parl’UCL et CEWAC.L’UCL s’occupe de ladétermination destensions résiduelles etCEWAC de l’examennon destructif dessoudures. UGents’occupe de lacaractérisation dessoudures du point devue résistance à lacorrosion.

Enfin, CENAERO agit en tant quesous-traitant de l’UCL et CEWACdans le domaine de lamodélisation numérique. Le projetest géré par un Comité de suivi,composé de l’administrateur deprogramme de la Politiquescientifique fédérale et lesentreprises et organismes derecherche intéressés. Ce Comitéde suivi en principe deux fois par

an pour discuter des résultats derecherche obtenus.

CHOIX DES APPLICATIONS ETETUDE BIBLIOGRAPHIQUEDans une première phase duprojet, en concertation avec leComité de suivi, les applicationset les alliages d’aluminium étudiésdans le projet CASSTIR ont étéchoisis:• Soudures bout à bout frictionstir de profils extrudés creux6082-T6 pour le transport et laconstruction navale (voir figure 3), comme alternative auxsoudures MIG ou laser hybride• Soudures à recouvrementfriction stir de tôles 2124-T3/T851 de 15mm d’épaisseurpour l’aviation (voir figure 4),comme alternative pluséconomique pour des piècesfortement usinées• Soudures bout à bout frictionstir de tôles minces (0,8mm) 5754-H111 pour l’aviation etl’automobile (voir figure 5),comme alternative pour des tubesextrudés et tirés ou des tôlesminces soudées au laser.Ces applications ont toutes encommun qu’il existe uneamélioration potentielle enmatière d’environnement et decoût par rapport aux techniquesactuellement utilisées, qu’elles sontimportantes pour au moins uneentreprise belge et que l’UCLet/ou CEWAC disposent desmoyens pour réaliser, selon lesdésirs, des soudures friction stir.

Figure 3.: Détail des angles de deux profils extrudés, joints par FSW

Figure 4: Schéma du soudage par recouvrement friction stir de l’alliage 2124. 1) unepremière tôle 2124 de 15mm est soudée par recouvrement avec le FSW à la tôle debase 2124; 2) au-dessus de la première, on soude par friction stir la deuxième tôle2124 de 15mm d’épaisseur; 3) après soudage, le matériau excédentaire est fraisé defaçon à obtenir la pièce désirée (4)

Figure 5: Montage expérimental pour FSW du matériau 5754-H111 de 0,8mm à l'UCL-PRM

Figure 3.2: Conception du profil extrudé 6082-T6 étudié dans CASSTIR

L’OBJECTIF DECASSTIR EST

D’AMELIORER LESCONNAISSANCES SUR

LE FRICTION STIRWELDING EN

BELGIQUE, A LASUITE DE PROJETS DE

RECHERCHECOLLECTIVE TEL

QU’ALUWELD(IWT 30909)

RECHERCHEDe plus, chaque application estun défi technique/intellectuel ensoi. Le travail expérimental peutcontribuer d’une façonsignificative à la poursuite dudéveloppement de la techniquedu friction stir welding.

Etude bibliographiqueTous les partenaires se sontensuite consacrés à une étudebibliographique spécifiquementdirigée vers les applications etmatériaux choisis. Cette étudebibliographique qui s’est terminéedébut 2008, avait pour objectifde fournir une base auxpartenaires pour mener larecherche expérimentale etégalement d’informersérieusement le Comité de suivisur les aspects spécifiquesintervenant dans CASSTIR tels queles mesures de tensionsrésiduelles, les propriétés à lacorrosion, ...

RECHERCHE EXPERIMENTALE En 2007, de bons résultats ontdéjà été obtenus, avec unequantité relativement faible dematériaux par l’UCL et CEWACsur les profilés plats 6082-T6 de 4mm d’épaisseur, en préparationau soudage des profilés creux.Ceci est apparent sur le tableau,qui fait une comparaison de larésistance et la productivité dessoudures d’essai sur 6082-T6 de4mm au sein de CASSTIR avecles résultats obtenus sur 6082-T6de 4mm dans le cadre d’autresprojets IBS.Les montages nécessaires ontensuite été réalisés pour lesoudage des profilés creux 6082-T6 et l’optimalisation dufriction stir welding sur ces profilésont été entrepris tant par l’UCLque CEWAC.De plus, l’UCL a entreprisl’optimalisation pour le friction stirwelding des tôles minces 5754-H111 de 0,8mm. On aconstaté qu’il est nécessaire

d’avoir une vitesse élevée derotation de l’outil afin d’avoir unassemblage de bonne qualité etune productivité considérable; unexemple d’un tel assemblage estmontré à la figure 6. Lesmicrostructures du métal de baseet de la soudure sont données àla figure 7.

PLANNING POUR 2008En 2008, la rechercheexpérimentale va de toute façonse poursuivre.On va continuer à optimaliser lesparamètres de soudage pour lestrois applications différentes. Ceci

sera suivi de l’examen nondestructif et de la caractérisationau moyen de la métallographie,des mesures de dureté, despropriétés mécaniques, destensions résiduelles, de larésistance à la corrosion et de lafatigue. On examinera égalementl’influence des traitementsthermiques après soudage. Dansla deuxième moitié de 2008, ondémarrera la partie modélisationde CASSTIR.

PARTICIPATIONLes entreprises et instituts de

recherche peuvent encoreparticiper au projet CASSTIR.Comme le projet est subsidié à100% par la Politique scientifiquefédérale, aucun apport financiern’est demandé. Il est cependant demandé auxentreprises intéressées de prendrel’engagement de participer auxréunions de suivi du projet etd’orienter le projet de cettemanière. En contrepartie, les résultats de larecherche obtenus seront mis àdisposition et ceci donneral’occasion d’avoir un meilleuraperçu sur les possibilités offertespar le friction stir welding.

Figure 6: Coupe métallographique d’une soudure friction stir en 0,8mm 5754-H111, soudé à 0,5 m/min

RESISTANCE ET PRODUCTIVITE DES SOUDURES D'ESSAIPROJET PROCEDE DE SOUDAGE VITESSE DE SOUDAGE

[mm/min]FACTEUR DESOUDAGE [%]

ALU 2000 MIG, 5183 Ø 1,2mm, 70Ar30He 882 0,71

MIG, 5183 Ø 1,2mm, Ar15HeN2 888 0,45

TIG AC, 5183 Ø 1,6mm, 70Ar30He 130 0,70

TIG AC, 5183 Ø 1,6mm, 70Ar30He 140 0,72

FSW (par ESAB) 500 0,81

Laser, 100He ? 0,74

Laser-MIG, 5183, Ar ? 0,58

ALUWELD Laser-MIG, 4043 Ø 1,2mm, Ar 2.000 0,78

CASSTIR FSW (par UCL) 2.000 0,81

FSW (par CEWAC) 800 0,81

Tableau: Comparaison de la résistance et de la productivité des soudures d’essai sur 6082-T6 de 4mm au sein de CASSTIR avecles résultats obtenus sur 6082-T6 de 4mm dans le cadre d’autres projets IBS

Figure 7.1: Micrographie du métal de base 5754-H111 Figure 7.2: Micrographie du centre de la soudure. Il y a un affinement remarquablede la microstructure