Post-weld heat treatment of AA7075 friction stir welded joints manufactured under various tool rotation speeds and cooling conditions

Imaginez que vous essayiez de coller deux pièces de métal ensemble, mais au lieu d'utiliser de la colle, vous utilisez un outil rotatif qui les frotte jusqu'à ce qu'elles deviennent assez chaudes et molles pour fusionner. C'est ce qu'on appelle le soudage par friction malaxage (FSW), et c'est une technique favorite pour assembler l'aluminium, le métal léger utilisé dans les avions et les canettes de soda. Le problème est que ce processus chauffe tellement le métal qu'il dérègle les minuscules cristaux invisibles à l'intérieur de l'aluminium qui le rendent solide. C'est comme prendre une étagère parfaitement organisée et la secouer jusqu'à ce que tous les livres finissent en un tas désordonné. Pour corriger cela, les scientifiques donnent souvent au métal un « bain » de chaleur appelé traitement thermique post-soudage (PWHT). Voyez cela comme un bouton de réinitialisation qui tente de réorganiser les cristaux et de restaurer la force du métal. Cependant, il y a un pière : parfois, quand on appuie sur le bouton de réinitialisation, les cristaux ne se contentent pas de se ranger ; ils grandissent en cristaux géants qui peuvent en fait rendre le métal plus faible ou plus fragile. Ce document explore un alliage d'aluminium spécifique (AA7075) pour voir si nous pouvons contrôler ces cristaux géants en changeant la vitesse de rotation de l'outil et en trempant le métal chaud dans différents liquides comme de l'eau ou de l'huile pour le refroidir plus rapidement.

Les chercheurs de l'Université militaire de technologie en Pologne ont décidé de jouer au jeu du « et si » avec cet aluminium. Ils ont pris des feuilles d'AA7075 et les ont soudées ensemble à l'aide d'un outil rotatif à différentes vitesses, allant d'une rotation lente de 600 tours par minute (tr/min) jusqu'à une vitesse rapide de 1400 tr/min. Pour voir si la vitesse de refroidissement importait, ils n'ont pas seulement laissé le métal reposer à l'air libre ; ils ont tenté de souder le métal alors qu'il était immergé dans de l'eau, dans de l'huile de trempe ou dans un fluide de refroidissement spécial. Une fois le soudage terminé, ils ont soumis chaque joint à un traitement thermique spécifique : un étuvage à 470 °C pendant deux heures, puis un vieillissement à 120 °C pendant 24 heures. C'était le moment du « bouton de réinitialisation ».

Les résultats étaient un mélange de bonnes nouvelles et d'une surprise tenace. Premièrement, le traitement thermique a fait des merveilles pour durcir et renforcer le métal. Pour les joints qui n'avaient pas de trous ou de fissures au départ, le traitement thermique a augmenté la capacité du métal à résister à la flexion (limite d'élasticité) de plus de 70 % et sa capacité à se rompre avant de casser (résistance à la traction) d'environ 35 %. En fait, les joints réparés les plus solides étaient même plus résistants que la feuille d'aluminium originale non soudée. Le métal qui avait été soudé à l'air puis traité thermiquement a été la star ; il est non seulement devenu plus fort, mais il est aussi devenu presque deux fois plus extensible, se cassant à l'extérieur de la zone de soudure plutôt que de se briser en plein milieu.

Cependant, les chercheurs ont découvert que leurs meilleurs plans pour arrêter les « monstres aux cristaux géants » (un phénomène appelé croissance anormale des grains, ou AGG) n'avaient pas vraiment fonctionné. Peu importe la vitesse à laquelle ils faisaient tourner l'outil ou s'ils utilisaient de l'eau, de l'huile ou de l'air pour refroidir le métal, les cristaux géants apparaissaient toujours dans la partie supérieure de la soudure (la zone pilotée par l'épaulement). Dans de nombreux cas, ils ont également envahi la partie inférieure de la soudure (la zone pilotée par la broche). Il s'avère que le simple fait de refroidir le métal plus rapidement ou de faire tourner l'outil plus vite ne suffisait pas à empêcher ces cristaux de croître de manière sauvage pendant le traitement thermique.

Il y avait aussi un côté sombre à l'expérience. Lorsque les chercheurs ont utilisé de l'huile de trempe, l'huile s'est retrouvée piégée à l'intérieur des couches de métal. Lorsque l'étuvage du métal a eu lieu plus tard, l'huile piégée a tenté de s'échapper, créant des bulles et des fissures qui ont ruiné le joint. Ces joints défectueux étaient faibles et fragiles, peu importe la force que le traitement thermique tentait d'apporter. De même, lorsque les chercheurs faisaient tourner l'outil trop vite (1200 ou 1400 tr/min), le métal développait des trous et des vides, ce qui rendait à nouveau le produit final faible.

Lorsqu'ils ont observé comment le métal se brisait, ils ont vu une histoire chaotique. Le métal ne se contentait pas de se casser proprement ; il montrait un mélange de rupture le long des joints de grains (fissuration intergranulaire) et de déchirure à travers les cristaux eux-mêmes (fracture ductile). Parfois, de minuscules particules à l'intérieur du métal agissaient comme de petites ancres qui favorisaient la formation de trous, menant à une rupture. L'étude suggère que bien que le traitement thermique rende le métal plus fort, il ne règle pas le problème sous-jacent de la croissance de ces cristaux géants, et il ne guérit pas magiquement les trous ou les fissures créés pendant le processus de soudage. Le fond de l'histoire est que, bien que nous puissions rendre l'aluminium très solide à nouveau, nous n'avons toujours pas trouvé de moyen simple pour empêcher les cristaux géants de prendre le dessus sur le haut de la soudure, et nous ne pouvons certainement pas utiliser d'huile pour refroidir le métal si nous voulons un joint parfait.