Etude du soudage laser YB : YAG de l'alliage d'aluminium AA6061-T4 : Microstructures, propriétés mécaniques et comportement en corrosion des assemblages

Study of Yb : YAG laser welding of AA6061-T4 aluminum alloy : microstructures, mechanical properties and corrosion behavior of assemblies

• Auteur / Autrice : Ameth Faye
• Direction : Joël Alexis, Yannick Balcaen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des matériaux
• Date : Soutenance le 27/11/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Jury : Président / Présidente : Joël Douin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joël Alexis, Yannick Balcaen, Joël Douin, Alain Hazotte, Angéline Poulon, Éric Lacoste, Jean-Charles Dupin, Loïc Lacroix
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alain Hazotte, Angéline Poulon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aluminium de construction

Constructions -- Équipement mécanique

Thèses et écrits académiques

Microstructure (physique)

Mots clés libres

Alliage d’aluminium

Domaine de soudabilité

Soudage laser Yb : YAG

Microstructure

Propriétés mécaniques

Corrosion

Couplages galvaniques

AFM/KFM

Aluminum alloy

Weldability domain

Yb: YAG laser

- Microstructure

Mechanical properties

Corrosion

Galvanic coupling

AFM/KFM

Résumé

L’allégement des structures aéronautiques ainsi que la nécessité de nouvelles fonctionnalités passent par deux verrous technologiques que sont le développement de nouveaux matériaux de structure mais aussi le développement de solutions innovantes d’assemblage, alternatives au mécano-rivetage des structures en alliages aluminium. Le soudage laser est une solution prometteuse. Les difficultés liées à l’application du soudage aux alliages légers justifient les innovations récentes dans la conception de laser pour la recherche d’un meilleur rendement et d’une bonne qualité des soudures exemptes de défauts tels que la porosité, la fissuration à chaud, la perte d’éléments chimiques par vaporisation etc. Ce travail de thèse a porté sur l’assemblage par soudage laser Yb : YAG de tôles minces de l’alliage d’aluminium AA6061-T4. Une première partie de cette étude a permis de déterminer le domaine de soudabilité de la tôle 6061 d’épaisseur 1 mm soudé par laser Yb : YAG. Il s’agit d’un soudage autogène sans métal d’apport en configuration bout à bout. Les échantillons sont soudés à l’aide de deux configurations de fibre ayant chacune une plage de diamètre focal définie. L’influence de la configuration de la fibre et des principaux paramètres de soudage sur les caractéristiques géométriques des cordons et l’ampleur des défauts de soudures ont été étudiés. La métallurgie et les propriétés mécaniques des soudures optimisées ont été caractérisées à différentes échelles. Cette étude a été réalisée dans les différentes zones de la soudure. Les résultats sont par la suite interprétés en fonction des paramètres énergétiques du procédé. L’étude du comportement en corrosion de quatre soudures, choisies parmi le domaine de soudabilité a montré l’absence de couplages galvaniques macroscopiques entre les zones de l’assemblage. Il a aussi été démontré, pour la première fois sur ce système, l’existence, à l’état brut de soudage, d’une « zone sensibilisée », caractérisée par une forme de corrosion intergranulaire. De plus, un post-traitement thermique T6 semble avoir une forte influence sur le comportement du système en faisant disparaître la localisation de la précédente « zone sensibilisée ». La technique AFM/KFM s’est avérée tout à fait adaptée et innovante pour étudier les potentiels de surface locaux et ainsi caractériser les mécanismes de corrosion à l’échelle sub-micrométrique.

Weight savings in aeronautical structures and need for new functionalities are going through two technological obstacles: development of new structural materials but also development of innovative assembly solutions, offering alternatives to the mechanical bolting and riveting of aluminum alloy structures. Laser welding is a promising solution. The difficulties encountered in light alloys welding process justify the recent innovations in laser design aiming better performance and good quality welds. Appearance of defects such as porosities, hot cracking, loss of alloying elements by vaporization etc. in welded assemblies is one of the major issues with this process. So, a number of serious critical aspects need to be considered. Further research is therefore needed to improve construction in aluminum alloys. This thesis focused on the Yb: YAG laser welding of AA6061-T4 aluminum alloy thin sheets. The first part of this study allowed the determination of the weldability range of the 1 mm thick alloy AA6061-T4 butt welded by laser beam Yb: YAG, without filler metal. The samples are welded using two fiber configurations. The influence of the fiber configuration and of the main welding parameters on the bead’s geometric characteristics and the magnitude of weld defects was studied. Metallurgy and mechanical properties of optimized welds have been characterized at different scales. This study was carried out within the different areas of the weld. The results are then interpreted according to energetic parameters of the process. The corrosion behaviour study of four welds, chosen from the weldability range, showed the absence of macroscopic galvanic couplings between the different zones of the welds. It was also demonstrated, for the first time on this system, the existence, in the as-welded state, of a ''sensitized zone”, characterized by a form of intergranular corrosion. Moreover, a T6 thermal post-treatment seems to have a strong influence on the system behaviour by removing the localization of the previous “sensitized zone”. The AFM / KFM technique has proven to be a cutting-edge technique for studying local surface potentials and thus characterizing the corrosion mechanisms at the sub-micrometric scale.