Introduction
Le soudage par friction a été développé par Thomas Wayne à l’institut de soudure britannique (The Welding Institute, TWI). Se n’est pas un vieux procédé car Thomas Wayne a déposé un brevet en 1991. Qu’est-ce que le soudage par friction (FSW) ? FSW qui veut dire Friction Stir Welding est aussi appelé « le soudage de proche en proche » ou même « le soudage par malaxage« . C’est une forme de brasage et de mélange local de matériaux tendres des pièces à assembler.
Le principe du soudage par friction (FSW)
Le principe est relativement simple ! Par la rotation d’un outil équipé d’un pion et d’un épaulement en plus d’une rotation et d’une force appliqué sur cet outil. Nous allons créer un échauffement produit par le frottement de l’outil sur la matière et une déformation plastiques intenses aux matériaux de base afin de provoquer un ramollissement de la matière.
Les phases de soudage
1er phase
L’outil est mise en rotation dessus des pièces a souder.
2 eme phase
Toujours en rotation, une force « F » est appliqué pour que le pion pénètre dans la matière, ce qui génère de la chaleur créant un ramollissement de la pièce à souder.
3 eme phase
La force continue a être appliqué permettant à l’épaulement de rentrer en contact avec la pièce.
4 eme phase
L’avancement de l’outil permet de souder les 2 matériaux ensemble.
Les paramètres de soudage sont :
- La vitesse de rotation de l’outil (tr/min)
- la vitesse d’avance de l’outil (mm/min)
- La force appliqué sur l’outil durant le soudage (kN) ou la position de l ’outil (mm)
- La forme et la matière de l’outil
- l’angle d’inclinaison de l’outil
- L’asservissement de la machine (contrôle en position ou en effort)
- Le bridage de pièces a souder
L’outil de soudage FSW
Les 3 différentes technologies d’outil
L’outil traditionnel
C’est la technologie la plus courante qui permet de souder sur 1 face
- 1 pion
- 1 épaulement
- 1 axe d’outil
L’outil à pion rétractable
Le pion rétractable permet de ne pas avoir de trou en sortie, de souder des assemblage avec des épaisseurs variables sur 1 face
- 1 pion
- 1 épaulement
- 2 axes d’outil
L’outil a 2 épaulements
Cet outil permet de supprimer le risque de manque de liaison en racine. Il permet de se passer d’une enclume, de limiter les efforts et de souder sur les 2 faces en même temps.
- 1 pion
- 2 épaulements
- 2 axes d’outil
Le rôle de l’épaulement de l’outil est de :
- Concentrer la matière autour du pion
- Contribuer à l’échauffement et au malaxage de la matière
- Forger la matière grâce à l’application de la force
Le contacte de l’épaulement ce fait au niveau de la surface des pièces à assembler
Le rôle du pion de l’outil est de :
- Malaxer la matière de base
- Permettre la déformation plastique par la rotation et par l’avance de l’outil
- pousser la matière
Le contacte du pion se fait au niveau de l’interface afin de pénètre la matière. Le pion peut être rétractable pour que le troue puisse se fermer à la fin de la soudure
La formation d’une soudure
L’enclume permet une pénétration totale de la soudure
L’aspect d’une soudure « Friction Stir Weldin »
Aluminium de la série 6082-T6 épaisseur 12 mm avec une Vitesse d’avance de Soudage (Vs) = 400 mm/min)
Macrographie d’une soudure
- MB : le métal de base
- ZAT : la zone affectée thermiquement
- ZATM : La zone affectée thermo-mécaniquement
- Le noyau : c’est la déformations et l’impact thermique élevés qui permet de créer une recristallisation dynamique
Les matériaux qui peuvent être soudé par le FSW sont :
- L’aluminium et toutes les nuances d’aluminium.
- Le cuivre et alliages
- La magnésium et alliage
- Le fer (et les aciers),
- Les aciers inoxydables
- Le titane et alliages
- Les polymères
Possibilité d’assemblage hétérogènes :
- Différents alliages d’aluminium
- Aluminium / acier
- Etc….
L’aluminium est le matériau le plus soudé industriellement par FSW
Les différents problèmes rencontré lors du soudage FSW sont :
- Perte locale de l’écrouissage.
- Problèmes liés à la fissuration à chaud de solidification ou de liquation (les alliages trempants sont les plus concernée)
- Formation de porosités liée à la présence d’hydrogène, ce qui demande de bien supprimer l’alumine (Al2O3) avant soudage
Le bridage des pièces a souder
Le bridage des éléments à souder est vraiment très important car il ne doit pas permettre de laisser de l’espace entre les 2 faces à souder.
Les différentes machines
Portique de soudage
C’est une machine hydraulique qui permet de travailler sur 5 axes avec les 3 technologies d’outils
Robot de soudage
Le robot KUKA avec tête de soudage Cytec. Il permet de travailler sur 3 axes, sur des formes très complexes avec un outil traditionnel sur des épaisseurs < 8 mm
Les domaines d’application
Dans le spatial
En effet, c’est en 1999 que les premières soudures longitudinales en FSW ont été réalisées sur les réservoirs à oxygène liquide, sur des fusées Boeing Delta II et Delta IV.
Dans l’automobile
Robotisé dans l’automobile, le FSW par point, par transparence, permet de limiter l’énergie apportée et toutes les déformations que pourrait générer un autre procédé de soudage.
- Il a permis de souder par point les portes arrière de la MAZDA MX 5
- Ford utilise le FSW pour le soudage des divers éléments de suspension, des capots, des portes.
Les avantage dans l’automobile
- Permet de souder sur de multiples matériaux
- De souder par point
- Permets de remplacer le rivetage et le clinchage tout en offrant de meilleur caractéristique mécanique.
Dans le ferroviaire
Le FSW permet de souder de longues profilés extrudé en aluminium sur toute la longueur d’une ram. Ce procédé permet d’améliorer la tenus au choc de la ram.
Le FSW a notamment été utilisé par les grands fabricants comme : Alstom, SAPS, Hitachi. Les toits des rames du tramway de Munich ont été soudé par transparence par ce même procédé.
Dans l’aéronautique
Les panneaux raidisseur en aluminium série 2000 du jets privé de 6 places « l’Eclipse 500 » construit en 2006 ont été soudé par transparence grâce au procédé FSW et certifié en 2006. Ce qui a permis de supprimer 7200 rivets soit 60% des rivets.
