Température des plaques d’aluminium lors du SFM

Température des plaques d’aluminium lors du SFM

L’ingénierie telle qu’on la connaît aujourd’hui est très différente de celle des siècles précédents. En effet, ce domaine scientifique a connu un très grand essor durant l’ère industrielle du XIXe siècle et les deux guerres mondiales du XXe siècle. Grâce à la banalisation de son utilisation et à ses grandes évolutions, le matériel informatique permet maintenant de réaliser la simulation de plusieurs phénomènes physiques qui auraient été difficiles à étudier quelques années auparavant. De plus, de nouveaux matériaux sont apparus : polymères, céramiques, métaux ferreux ou alliages à base d’aluminium. En 2003, on comptait des milliers d’alliages répertoriés dont 400 alliages corroyés et 200 alliages de fonderie pour l’aluminium seulement [1]. À cet égard, les méthodes d’assemblage ont évoluées rapidement notamment dans le domaine du soudage qui évolue sans cesse depuis 70 ans. À la fin du XIX siècle, très peu de méthodes de soudage étaient utilisées alors qu’aujourd’hui, on en compte des dizaines. Des techniques de soudage plus spécifiques sont apparues comme par exemple le brasage à la lampe à souder, le soudage à l’arc électrique avec électrode, le soudage au plasma, le soudage au laser et plusieurs autres [2]. La plupart de ces techniques ont également été robotisées par les grandes industries et les chercheurs continuent activement de développer de nouveaux procédés visant à se rapprocher le plus possible des propriétés mécaniques de base des matériaux à souder.

Un des procédés de soudage les plus récents est le soudage par friction malaxage (SFM) communément appelé par son nom anglais « Friction Stir Welding (FSW) ». Cette technique de soudage à froid inventée accidentellement a été brevetée par « The Welding Institude (TWI) » en 1991. Ce procédé intéresse particulièrement les utilisateurs d’alliages d’aluminium car il permet de souder des alliages à haute résistance jusque là difficilement utilisables en raison de leur soudabilité difficile avec des techniques conventionnelles. Le succès de ce procédé est basé sur le principe que le soudage se fait à froid dans le sens où le matériau n’atteint pas le point de fusion. La microstructure se retrouve moins affectée par le procédé de soudage ce qui ce répercute par des propriétés mécaniques s’approchant du matériau de base. Cela est aussi un net avantage pour le soudage des alliages renforcés de particules céramiques, comme l’alliage AI-B4C utilisé pour la réalisation de blindage ou de réservoir de déchets nucléaires. Le procédé de soudage par friction malaxage est aussi utilisé dans les domaines de l’automobile, ferroviaire, maritime, aéronautique et trouve de plus en plus sa place dans plusieurs autres domaines.

Principe du SFM

Le principe du procédé de SFM est assez simple. Un outil cylindrique doté d’un épaulement et d’une tige centrale est pressé contre le matériau à souder et la tige plonge dans des plaques jusqu’à ce que l’épaulement soit en contact avec la surface des celles ci, tel que présenté aux figures 1 et 2. La tige qui pénètre le matériau est généralement filetée et a une longueur similaire à l’épaisseur des plaques à souder pour bien « mélanger » ou « déformer » la matière sur toute l’épaisseur. Lors du soudage, la friction entre répaulement de l’outil en rotation et les plaques génère de la chaleur ce qui augmente la température du métal. De ce fait, le métal devient naturellement plus apte à être déformé. La tige centrale taraudée crée un vortex alors que répaulement crée un écoulement circulaire et contient le matériau sous l’outil, ce qui permet de le déformer plastiquement à haute température. Les déformations produites et les températures atteintes reforment localement la microstructure des matériaux assemblés en une seule matrice. Une soudure est donc réalisée lors du passage de l’outil.

Problématique

Dans une soudure, la zone la moins dure et la moins résistante à la traction monotone est souvent la zone affectée thermiquement (ZAT) définie comme la zone où la microstructure est transformée par une élévation de température pouvant provoquer une augmentation de la taille des grains, une altération de l’état de précipitation ou un survieillissement ce qui influence les propriétés mécaniques des soudures. Les différentes techniques de soudage tentent le plus possible d’atténuer l’effet de cette zone afin que le matériau conserve ses propriétés de base.

Cependant, l’optimisation des paramètres de soudage passe par la compréhension des mécanismes physiques impliqués dans le procédé qui dépendent principalement de l’outil et des paramètres de soudage. Quoiqu’il existe plusieurs publications sur ce sujet, aucune d’entre elles ne définit clairement les profils de température, d’écoulement, de contrainte, de déformation et de « malaxage » requis pour obtenir une soudure adéquate ou de qualité supérieure. Plusieurs modèles mathématiques ont été proposés pour étudier les mécanismes physiques du soudage. Cependant, la plupart de ces modèles ne peuvent pas prendre en compte les contraintes thermiques et mécaniques des instants précédents. L’une des difficultés principales dans l’étude des mécanismes physiques et de la modélisation mathématique réside dans le fait que les propriétés des matériaux évoluent pendant le soudage et que la connaissance des lois de comportement dans ces conditions est limitée. De plus, les grandes déformations produites lors du soudage nous limitent dans le choix des méthodes de résolution numérique pouvant être utilisées.

Objectifs du projet

L’objectif principal du projet est de mieux comprendre le comportement des matériaux et des mécanismes physiques lors du soudage par friction malaxage en utilisant la méthode numérique « Smoothed Particle Hydrodynamics » (SPH). Puisqu’il s’agit d’une méthode sans maillage qui utilise des particules et qui peut conserver l’historique de celles-ci, c’est une méthode efficace pour traiter les cas avec de grandes déformations; il est possible de suivre l’évolution des propriétés du matériau en fonction de la température et des contraintes auxquelles il a été soumis.

Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire d’élaborer l’interface numérique servant à la résolution par la méthode SPH et d’analyser son efficacité pour un tel procédé. Le présent projet de maîtrise consiste donc à étudier la faisabilité de cette méthode et, si possible, à créer un modèle de base pouvant être amélioré pour les projets futurs.

Parallèlement à l’élaboration du modèle SPH, des essais expérimentaux sont requis afin de comparer et de valider les données numériques obtenues à l’aide des simulations du modèle en question. Une meilleure compréhension des mécanismes physiques permettra ensuite d’améliorer les paramètres de soudage qui offriront des soudures de qualité en fonction des cinq paramètres suivants :
> vitesses de soudage (rotation et avance);
> épaisseur des plaques soudées;
> matériau des plaques soudées;
> géométrie de l’outil;
> configuration de soudage (bout à bout ou par recouvrement).

À cet égard, un banc d’essai doit être développé et instrumenté. La mise en place de ce banc d’essai comprenant le choix des équipements de mesure, des appareils d’acquisition et de transmission de données sont des sous-objectifs à atteindre. Sans ces dispositifs, il est impossible de réaliser le projet dans sa totalité et d’ouvrir la porte à de futurs projets sur le soudage par friction malaxage.

REVUE BIBLIOGRAPHIQUE

Pour étudier les mécanismes physiques présents lors du soudage par friction malaxage, il requiert de bien les identifier et de les comprendre. Il est aussi important de bien appréhender l’effet des paramètres de soudage pouvant être contrôlés par les utilisateurs. Pour y arriver, une revue de littérature a été réalisée à partir des nombreuses publications divulguées au cours des deux dernières décennies concernant les modélisations numériques et les essais expérimentaux en rapport avec le SFM.

La première partie du chapitre vise donc à mettre en avant plan les paramètres de soudage tels que les outils, les équipements et les multiples autres variables contrôlables par l’utilisateur lors du SFM. Par la suite, les effets de ces paramètres sur le mécanisme d’écoulement du matériau, la distribution de la température et la microstructure des soudures sont décrits à partir des conclusions tirées par les chercheurs dans ce domaine.  IL s’agit d’ailleurs de la deuxième portion de ce chapitre.

La troisième section est, quant à elle, consacrée à l’étude des nombreux modèles mathématiques servant à représenter le plus fidèlement possible le comportement des matériaux soumis à de hautes températures et à de grandes déformations. Ainsi, des modèles de comportement viscoplastiques et élasto-plastiques, des modèles de génération de chaleur, des modèles de viscosité et des modèles empiriques de friction en lien avec les phénomènes observés durant le SFM font parties intégrantes de cette section afin de déterminer les avantages et inconvénients de chacun.

Finalement, le chapitre 1 est complété par une revue littéraire des méthodes le plus couramment employées pour modéliser numériquement le soudage par friction malaxage que ce soit selon des méthodes avec ou sans maillage. La méthode « Smoothed Particle Hydrodynamics » y est spécialement présentée afin d’introduire le prochain chapitre.

Paramètres du soudage par friction malaxage

Le procédé de soudage par friction malaxage est très différent des procédés de soudage conventionnels étant donné qu’aucun métal d’apport et qu’aucune source de chaleur  externe ne sont utilisés. Il nécessite toutefois des équipements plus imposants que le soudage à l’arc ou au plasma et autant de précision au niveau du contrôle de ses paramètres. En effet, ceux-ci varient selon l’épaisseur, le type de matériau et le type de soudure à réaliser. Les quatre principaux paramètres de soudage sont :
> la géométrie de l’outil;
> la vitesse de rotation de l’outil;
> la vitesse d’avance de l’outil
> la position de l’outil.

Évidemment, ces paramètres varient selon plusieurs facteurs. Il est donc nécessaire de bien comprendre leurs effets pour obtenir une soudure de qualité.

Outils de soudage

L’outil de soudage est sans doute l’élément le plus déterminant du procédé de soudage par friction malaxage. Il influence directement le malaxage et les déformations produites dans le matériau pendant le procédé. Au moment de son invention, l’outil consistait à un épaulement superposant une tige cylindrique lisse. Ainsi, comme il s’agit d’une géométrie simple et facile à représenter dans un modèle numérique, la plupart des simulations réalisées utilisent ce type d’outil.

Cependant, plusieurs utilisateurs ont inventé et breveté des outils avec des géométnes différentes afin d’améliorer la résistance de la soudure, de souder différents matériaux, des composantes de différentes épaisseurs ou dans différentes configurations géométriques. Ainsi sont apparues les tiges avec nervures hélicoïdales, des geometries de sections variables, des épaulements nervures et concaves, sans oublier les profils à deux et même trois gorges .

Évidemment, la géométrie et le matériau de l’outil utilisé pour le soudage dépendent du type de la soudure à exécuter. La tige pénétrante doit avoir une longueur similaire à l’épaisseur de la pièce à souder. Elle doit être ni trop courte ni excéder l’épaisseur de la pièce. De plus, le sens des filets, lorsqu’ils sont présents, doit permettre un écoulement du matériau vers le bas afin d’éviter l’apparition d’un vide sous la tige (« worm hole »). Quant à Pépaulement, il doit entrer en contact avec la surface de la pièce afin de provoquer un frottement suffisant pour entrainer le matériau (malaxage), d’assurer la bonne pénétration de la tige et de bloquer les reflux du matériau soudé vers le haut. L’épaulement est souvent de forme concave pour éviter les débordements de matériau de part et d’autre de l’outil.

De plus, en raison du frottement provoqué par cet épaulement, le matériau de l’outil doit être plus résistant à haute température que le matériau soudé. Par exemple, pour souder de F aluminium, les outils sont généralement fabriqués en acier dur comme le 4340.

Pour étudier l’effet de la géométrie des outils, Padmanaban et Balasubramanian [7] ont soudé un alliage de magnésium (AZ31B) à l’aide de cinq profils de tige, trois profils d’épaulement ainsi que cinq matériaux différents (acier doux, acier inoxydable, acier de blindage, acier à haute teneur en carbone et acier rapide). La vitesse de rotation, la vitesse d’avance et la force axiale sont demeurées les mêmes pour chaque essai réalisé.

Les auteurs conclurent que la tige taraudée cylindrique est la plus efficace. Les soudures n’avaient aucun défaut et l’apparition de grains plus fins dans la zone dynamiquement recristallisée s’est répercuté par l’amélioration de la dureté et des propriétés en traction. En ce qui concerne Pépaulement, celui offrant un rapport de diamètre de trois (diamètre épaulement / diamètre de la tige) s’est avéré le meilleur choix puisque la chaleur générée était ni trop grande ni trop faible. Les grains obtenus dans la zone soudée étaient donc plus fins et les propriétés de traction tout comme la dureté des soudures étaient supérieures. Finalement, l’outil fabriqué à partir d’acier à haute teneur en carbone a offert les meilleurs résultats. Toutefois, toutes ces conclusions découlent des soudures réalisées avec l’alliage de magnésium. Les résultats pourraient être très différents pour l’aluminium A16061-T6 qui est plus dur.

Équipements

Tous les appareils dotés d’un mandrin rotatif pourraient servir à faire du soudage par friction malaxage. Il requiert toutefois que celui-ci puisse fournir une force axiale assez importante pour réussir les soudures. Même si ce paramètre est rarement contrôlé, l’appareil doit être en mesure d’insérer l’outil dans le métal et de maintenir sa position. Ainsi, les machines d’usinage à commande numérique et les robots industriels sont aussi efficaces que les véritables machines conçues strictement pour ce procédé tel que le « ESAB SuperStir machine » utilisé par « The Welding Institute » .

Autres paramètres

La vitesse de rotation, la vitesse d’avance, l’angle d’inclinaison entre l’épaulement et la surface du matériau (entre 0° et 3°) et la pression axiale sont les autres paramètres de soudage qui peuvent être contrôlés pendant le procédé. La génération de chaleur, les déformations plastiques, le taux de déformation et le niveau de malaxage du matériau sont tous influencés par ces paramètres. Par exemple, en augmentant la vitesse de rotation et en gardant tous les autres éléments constants, la chaleur générée sera plus élevée en raison du frottement plus intense entre l’outil et les plaques. De surcroit, les températures atteintes seront plus élevées. Le même effet est obtenu si la pression axiale est accentuée ou si la vitesse d’avance diminue. En effet, pour le premier cas, l’augmentation de la pression cause une friction plus importante et par conséquent, plus de chaleur alors que pour le deuxième cas, la source de chaleur demeure plus longtemps au même endroit.

CONCLUSION

Le procédé de soudage par friction malaxage s’avère bénéfique pour le soudage d’alliages d’aluminium et est exposé à un avenir très prometteur dans divers domaines d’application. Cependant, bien que cette technique existe depuis plus d’une vingtaine d’années, plusieurs phénomènes sont encore incompris et l’amélioration des outils de soudage ainsi que des paramètres d’utilisation est encore requise. D’ailleurs, la plupart des études visant à améliorer le procédé de soudage sont encore faites de façon expérimentale. C’est dans ce contexte que le développement d’un modèle numérique sans maillage couplant les phénomènes thermiques et mécaniques a été proposé. L’usage d’une telle modélisation a permis de comprendre, d’analyser et de déterminer l’effet des paramètres de soudage sur l’efficacité des soudures. Ce projet visait donc à débuter le développement d’un code numérique sans maillage pour le soudage par friction malaxage .

Table des matières

INTRODUCTION
Mise en contexte
Principe du SFM
Problématique
Objectifs du projet
1 CHAPITRE 1 REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 Paramètres du soudage par friction malaxage
1.1.1 Outils de soudage
1.1.2 Équipements
1.1.3 Autres paramètres
1.2 Mécanismes physiques du procédé et microstructure
1.2.1 Distribution et champs de température
1.2.2 Écoulement du matériau
1.2.3 Microstructure
1.3 Modélisation mathématique
1.3.1 Lois de comportement des matériaux
1.3.2 Modèles de génération de chaleur
1.3.3 Modèles empiriques des coefficients de glissement et de friction
1.4 Méthodes de résolution numérique
1.4.1 Méthode de modélisation avec maillage
1.4.2 Limitation de la MEF et des méthodes avec maillage
1.4.3 Méthode de modélisation sans maillage
1.5 Conclusion du chapitre 1
2 CHAPITRE 2 MODÈLE NUMÉRIQUE SPH
2.1 Idées de base de la méthode SPH
2.2 Fonction de kernel et « smoothing length »
2.3 Représentation par intégrale d’une fonction
2.4 Représentation par intégrale du gradient d’une fonction
2.5 Représentation par intégrale d’une dérivée première
2.5.1 Équation de continuité
2.5.2 Équation de la conservation de la quantité de mouvement
2.5.3 Équation de la conservation de l’énergie
2.5.4 Équation d’état
2.6 Discrétisation du temps
2.7 Traitement des conditions limites
2.7.1 Convection naturelle
2.7.2 Rayonnement thermique
2.8 Avantages et désavantages du SPH par rapport aux méthodes avec maillage
2.9 Développement du modèle numérique SPH pour le SFM
2.9.1 Matériaux, geometries et dimensions des outils
2.9.2 Paramètres du soudage
2.9.3 Lois de comportement employées
2.9.4 Évolution des propriétés des matériaux
2.9.5 Modèle de friction
2.9.6 Modèle de génération de chaleur
2.10 Hypothèses et conditions limites
2.10.1 Hypothèses de calcul
2.10.2 Conditions initiales et conditions limites
2.11 Conclusion du chapitre 2
3 CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE EXPÉRIMENTALE
3.1 Banc d’essai
3.1.1 Équipements connexes
3.1.2 Système de transmission des données
3.1.3 Système d’acquisition des données
3.1.4 Outils de soudage
3.2 Étude thermique
3.2.1 Température des plaques d’aluminium lors du SFM
3.3 Étude des déformations et « malaxage »
3.3.1 Méthode avec traceurs
3.3.2 Soudage asymétrique
3.4 Étude microstructurale
3.5 Caractérisation mécanique des soudures
3.6 Conclusion du chapitre 3
4 CHAPITRE 4 ANALYSES DES RÉSULTATS
4.1 Efforts exercés par l’outil
4.1.1 Force de compression
4.1.2 Couple
4.2 Historique et distribution des températures dans les plaques
4.2.1 Mesure directe par thermocouple
4.2.2 Mesure par caméra thermique
4.3 Essais mécaniques sur les soudures
4.4 Macro et microstructure des soudures
4.4.1 Effet des vitesses
4.4.2 Effet de l’épaisseur des plaques
4.5 Écoulement et « malaxage » du matériau
4.5.1 Traceurs
4.5.2 Soudage asymétrique
4.5.3 Effet des filets de la tige de l’outil sur l’écoulement du matériau
4.5.4 Conclusion à propos des soudures asymétriques
4.6 Résultats numériques
4.6.1 Distribution de température
4.6.2 Écoulement du matériau
4.7 Conclusion du chapitre 4
5 CHAPITRE 5 DISCUSSION DES RÉSULTATS
CONCLUSION 

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