Optimisation du procédé FSSW (Friction Stir Spot Welding) pour des assemblages homogènes A1/A1 et hétérogènes A1/Acier

Optimization of the FSSW process (Friction Stir Spot Welding) for the A1/A1 homogeneous joining and A1/Steel heterogeneous joining

• Auteur / Autrice : Sandrine Bozzi
• Direction : Thierry Baudin, Anne-Laure Helbert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées. Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recristallisation (métallurgie)

Frottement

Soudage

Résumé

Le Friction Stir Spot Welding (FSSW) est un procédé de soudage thermomécanique : un outil constitué d’un épaulement et d’un pion est mis en rotation rapide et pénètre dans les deux tôles superposées à assembler. La chaleur produite par le frottement de l’outil sur les tôles provoque un ramollissement de la matière. La rotation du pion permet alors de malaxer la matière des deux tôles. L’outil se retire ensuite en laissant une empreinte. Le FSSW permet ainsi le soudage de l’aluminium grâce à un malaxage entre les deux tôles. L’écoulement de la matière dans la zone de malaxage a pu être identifié. Il existe précisément deux flux distincts : des remontées externes de la matière et un malaxage interne le long de la paroi du pion. Il en résulte alors l’apparition de stries dans la zone de malaxage, qui correspondent à des films de matière fondue provenant du dessous du pion. D’un point de vue microstructurale, le mécanisme de recristallisation dynamique continue a été identifié, si bien que la zone de malaxage correspond à une zone de petits grains recristallisés d’environ 5µm de diamètre, entrecoupés de stries de grains plus fins d’environ 1µm, et de composition chimique différente. Quant aux propriétés mécaniques, elles sont fortement liées à l’écoulement de matière et à la microstructure qui en résulte, comme le montre notamment les mécanismes de rupture. La rupture à lieu par la propagation de la fissure située à l’extrémité de l’interface entre les deux tôles. Cette fissure se propage généralement en contournant la zone de malaxage qui présente une forte dureté due à l’affinement des grains, en empruntant le chemin marqué par le resserrement des stries. Ainsi, un moyen évident de retarder la rupture est donc d’obtenir une zone de malaxage la plus large possible. Mais il ne s’agit pas du seul facteur pour optimiser la tenue mécanique des points de soudure. L’inclinaison de la fissure à l’extrémité de l’interface est une autre donnée très influente. L’assemblage entre l’aluminium et l’acier, quant à lui, est rendu possible grâce à une accroche, c’est-à-dire à une remontée d’acier dans la tôle d’aluminium. Il y a alors formation de composés intermétalliques à l’interface entre l’accroche d’acier et l’aluminium grâce à un effet thermomécanique. Les précipités intermétalliques qui en résultent au niveau des accroches présentent une taille d’environ 250 nm et une dureté qui diffère fortement selon leur nature, allant jusqu’à 1100 HV. Ces zones intermétalliques deviennent alors des zones très fragiles qui peuvent détériorer le comportement mécanique des soudures. Lorsque ces précipités sont trop nombreux, et que leur microdureté est élevée, la rupture des points de soudure provient de nombreuses fissures qui apparaissent au niveau des zones intermétalliques. Mais ils restent nécessaires, car s’ils sont quasi inexistants, la tenue mécanique est très faible, la rupture ayant lieu par une rapide décohésion entre l’accroche d’acier et l’aluminium. Ainsi, pour une tenue mécanique optimale, une certaine quantité d’intermétalliques est nécessaire, ce qui correspond également à une surface d’accroche plus importante. Dans ce cas, l’accroche étant plus robuste, la rupture a lieu par déchirure de la tôle d’aluminium. L’ensemble des résultats a permis de montrer le fort potentiel du FSSW pour des applications homogènes de l’aluminium ainsi que pour des applications hétérogènes entre l’aluminium et l’acier.

Friction Stir Spot Welding (FSSW) is a thermomechanical joining process : a tool constituted by a retaining wall and by a pawn is put in fast rotation and penetrates into both sheet stacked to assembly. The heat produced by the friction of the tool on sheets provokes a softening of the material. The rotation of the pawn allows then to mix the material of both sheets. The tool withdraws then by leaving an imprit. Therefore the FSSW allows the joining of aluminium alloys thanks to a mixing between both sheets. The flow of the material in the stir zone was able to be indentified. There are exactly two different streams : external rises of material and an internal mix along the wall f the pawn. It results the appearance of streaks in the stir zone, which correspond to films of melted material resulting from the bottom of the pawn. From a microstructural point of view, the mechanism of dynamic continous recrystallisation was identified, so that the stir zone corresponds to a zone of small recristallized grains about 5 µm of diameter, interrupted of streak with finer grains about 1 µm, and of different chemical composition. As for the mechanical properties, they are strongly bound to the flow of material and to the microstructure which results from it, as shows it in particular the mechanism of break. The break take place by the distribution of the crack situated at the end of the interface between both sheets. This crack propagates generally by contourning the stir zone, which presents a strong hardness due to the refinement of grains, by taking the way marked by the contraction of sreak. S, an evident means to delay the break is to obtain the widest possible stir zone. But it is not about the only factor to optimize the mechanical strength. The slope of the crack a the end of the interface is another very influential datum. The assembly between aluminium and steel, as for its, is possible thanks to a hhok, that is to say an ascent of steel into the aluminium sheet. There is then formation of intermetallic compounds in the interface between the steel hook and the aluminium, thanks to a thermochemical effect. The intermetallic precipitates present a size about 250 nm, and a hardness which differs strongly according to their nature, until 1100 to HV. These intermetallic areas become the very fragile zones which can damage the welds mechanical behaviour. When these precipitates are on a too important quantity, and when their microhardness is raised, the hook rupture results from numerous cracks. But those intermetallic compounds remain necessary, because if they are almost non-existent, the mechanical strength is very weak : the fracture taking place by a fast separation between steel and aluminium. So, for an optimal mechanical strength, a certain quantity of intermetallic compounds is necessary, what also corresponds to a surface of sticks more important. In that case, hooks being more strong, the fracture takes place by a tear of the aluminium sheet. All the results allowed to show the strong potential of the FSSW for homogeneous applications of aluminium as well as for heterogeneous applications between aluminium and steel.