Soudures par friction malaxage dissimilaire Al6061/Al7075 : procédé, propriétés statiques et en fatigue

Dissimilar Al6061 to Al7075 friction stir welds : processing, static and fatigue properties

• Auteur / Autrice : Nicolas Dimov
• Direction : Éric Charkaluk, Aude Simar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 20/12/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris en cotutelle avec Université catholique de Louvain (1970-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique des Solides (Palaiseau ; 1961-....)
• Jury : Président / Présidente : Hervé Jeanmart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Charkaluk, Aude Simar, Marie-Noëlle Avettand-Fenoël, Jean-Yves Buffière, Habibou Maitournam, Florent Hannard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Noëlle Avettand-Fenoël, Jean-Yves Buffière

Mots clés

Mots clés libres

Aluminium

Friction Malaxage

Traction

Fatigue

Soudage

Titane

Aluminium

Friction Stir

Tensile

Fatigue

Welding

Titanium

Résumé

Le soudage par friction-malaxage, appelé aussi Friction Stir Welding (FSW), est une technique de soudage sans fusion ni ajout de matière. Breveté pour la première fois en 1991 par le Welding Institute (Cambridge, Royaume-Uni), il consiste à mélanger le matériau des deux pièces à assembler par déformation plastique. Le soudage par frictionmalaxage permet des connexions homogènes ou bi-matériaux avec une légère diminution des caractéristiques mécaniques du joint (par rapport aux assemblages conventionnels) ainsi qu’une excellente répétabilité. Cette technologie présente l’avantage de ne pas utiliser de consommable et d’être adaptable à une machine-outil conventionnelle, par exemple un centre d’usinage. Des nombreux exemples d’applications industrielles impliquant l’utilisation de ces matériaux avec le FSW existent. Néanmoins, de nombreuses questions restent en suspens quand à certaines propriétés mécaniques des assemblages d’aluminium, particulièrement dans le domaine de la fatigue, et plus particulièrement lorsque des assemblages dit << dissimilaires >> (contenant plusieurs alliages d’aluminiums) sont concernés. Après une introduction sur le procédé en lui même, ainsi que la présentation d’un panel d’applications, les principaux résultats de la littérature concernant les propriétés mécaniques et microstructurales de joints d’aluminium réalisés par FSW sont présentés. Un attention particulière est portée sur l’impact des paramètres procédés sur les différentes propriétés précédentes. Un chapitre détaille alors la mise au point de paramètres procédés dans le cadre du soudage bout à bout d’AA6061 et AA7075 : méthodologie, contrôle des joints et aspects thermiques. S’en suit alors la caractérisation des joints obtenus (dissimilaires et similaires) par divers moyens : microscopie optique, filiation de dureté Vickers et essais de traction avec l’utilisation de corrélation d’image (DIC). Des liens sont alors établis entre les différentes observations et les paramètres utilisés lors de la fabrication des joints. Un essai de traction sous microscopie électronique est alors présenté pour étudié en détail la déformation plastique au sein de la zone de soudage. Enfin, des essais de fatigue sont réalisés pour caractériser plusieurs joints et un lien est établi entre la température lors du soudage et la morphologie de la zone soudée et la vie en fatigue. Des essais exploratoires de soudures aluminium titane sont également présentés et caractérisés en annexe.

Friction Stir Welding (FSW) is a solid state (without fusion) welding technique involving no filler material. Patented for the first time in 1991 by The Welding Institute (Cambridge, UK), it consists in the mixing of the material of two parts to be assembled by plastic deformation. Friction StirWelding allows homogeneous or bi-material joints with a small decrease in the mechanical properties (compared to conventional assembly processes) as well as an excellent repeatability. This technology does not use consumables and is adaptable to conventional CNC machines. Numerous industrial examples using FSW on these alloys exist. Nevertheless, questions still remain regarding some mechanical properties of aluminium assemblies, particularly in the case of fatigue of so called dissimilar joints (welds containing multiple aluminium alloys). After a brief introduction on the process in and of itself and a wide range of industrial applications, majors results from the literature regarding mechanical and microstructural properties of aluminium FSW joints are presented. A particular attention is devoted to the impact of process parameters on previously described properties. A chapter first describes the methodology used to establish a process window for AA6061/AA7075: welds quality control and thermal aspects are described as well. It is then followed by the characterization of said joints (similar and dissimilar) by various means: optical microscopy, Vicker hardness measurements and tensile testing using Digital Image Correlation (DIC). Links between these properties and process parameters used in the manufacturing of the joints are established. A tensile test carried out inside a scanning electron microscope is presented in order to analyze local plastic deformation distribution inside the stir zone of a dissimilar joint. Finally, fatigue testing is carried out on some samples and relationships are established between thermal input during welding as well as stir zone morphology and fatigue life properties. Exploratory aluminium and titanium friction stir welds are presented and characterized in the appendix.