Formability and Microstructure of Dissimilar Aluminium Tailor-Welded Blanks (TWBs) Joined using Friction Stir and Gas Tungsten Arc Welding
Cette étude démontre que le soudage par friction malaxage (FSW) produit des tôles à épaisseur variable d'aluminium de nature différente présentant une formabilité nettement supérieure et une zone de formage sûre plus étendue par rapport au soudage à l'arc avec électrode de tungstène (GTAW), comme en témoignent les essais de Nakazima montrant des joints FSW avec une capacité de déplacement environ 152 % plus élevée.
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Dans le monde de la fabrication moderne, la volonté de construire des véhicules et des aéronefs plus légers et plus efficaces a poussé les ingénieurs à repenser la façon dont les pièces métalliques sont fabriquées. Au lieu d'emboutir une seule feuille d'aluminium pour lui donner une forme complexe, les concepteurs découpent souvent différentes feuilles à partir de différents alliages d'aluminium et les soudent ensemble avant de les mettre en forme. Cette approche, connue sous le nom de tôle soudée sur mesure (tailor-welded blank), permet par exemple à une portière de voiture d'être robuste là où elle doit l'être et légère là où elle ne l'est pas. Cependant, le processus d'assemblage de ces métaux différents crée un point faible. Lorsque la pièce finale est étirée ou pliée pour prendre sa forme définitive, la soudure se fissure ou se déchire souvent avant que le reste du métal ne cède. Pour éviter cela, les fabricants s'appuient sur une carte appelée diagramme de limite de formage, qui agit comme un tableau de sécurité indiquant exactement jusqu'à quel point une pièce de métal spécifique peut s'étirer dans différentes directions avant de rompre. Le défi a toujours été de trouver un moyen de souder ces feuilles de métaux différents ensemble sans ruiner leur capacité à s'étirer.
Des chercheurs de l'Université de technologie d'Arak ont entrepris de résoudre ce problème en comparant deux manières très différentes d'assembler des feuilles d'aluminium. Ils ont pris trois types courants d'alliages d'aluminium — AA1200, AA3105 et AA5052 — chacun d'une épaisseur de deux millimètres, et ont créé des paires de feuilles de natures différentes. Ils ont assemblé ces paires en utilisant deux méthodes distinctes. La première était le soudage à l'arc Tungsten (GTAW), une technique traditionnelle où un arc électrique fait fondre le métal pour le fusionner, un peu comme un fer à souder mais beaucoup plus chaud. La seconde était le soudage par friction malaxage (Friction Stir Welding), un processus à l'état solide où un outil rotatif appuie sur le métal et tourne rapidement, générant de la chaleur par friction jusqu'à ce que le matériau devienne mou et plastique, permettant à l'outil de mélanger les deux feuilles sans jamais les faire fondre. L'équipe a ensuite soumis ces feuilles soudées à un test rigoureux où un poinçon arrondi poussait contre elles jusqu'à ce qu'elles s'étirent et finissent par rompre, cartographiant précisément jusqu'où elles pouvaient aller avant de céder.
Les résultats ont révélé un avantage clair et significatif pour la méthode basée sur la friction. Lorsque les chercheurs ont tracé la performance des feuilles soudées sur leurs cartes de sécurité, les joints créés par le processus de friction malaxage présentaient systématiquement une zone de sécurité beaucoup plus grande que ceux réalisés par le soudage à l'arc traditionnel. En termes pratiques, cela signifie que les feuilles soudées par friction pouvaient être étirées beaucoup plus loin dans toutes les directions sans se déchirer. Une combinaison spécifique d'alliages d'aluminium assemblés par friction malaxage a démontré une capacité à s'étirer plus de deux fois plus loin que son homologue assemblé par soudage à l'arc avant de rompre. Alors que les feuilles soudées traditionnelles se fissuraient souvent directement au niveau de la soudure où les deux métaux se rencontraient, les feuilles soudées par friction malaxage tenaient si bien que la rupture se produisait généralement dans le métal de base plus faible à proximité, laissant la soudure elle-même intacte.
Cette différence de performance provient de ce qui se passe à l'intérieur du métal au niveau microscopique. Lorsque le soudage à l'arc traditionnel fait fondre l'aluminium, le métal liquide refroidit et se solidifie en une structure grossière et irrégulière, sujette à des défauts tels que de minuscules trous et fissures. Ces imperfections agissent comme des points de départ pour les déchirures lorsque le métal est étiré. En revanche, le processus de friction malaxage ne fait jamais fondre le matériau. Au lieu de cela, la chaleur et la pression intenses provoquent un réarrangement des grains de métal pour les rendre beaucoup plus fins et uniformes. Cette structure raffinée répartit les contraintes de manière homogène sur le joint, retardant le moment où une fissure peut apparaître. Les chercheurs ont constaté que les joints par friction malaxage supportaient non seulement plus de déformation, mais couvraient également une gamme plus large de directions d'étirement, permettant ainsi de former des formes plus complexes sans défaillance.
L'étude a conclu que pour fabriquer des pièces en aluminium de composition différente, légères et devant être façonnées après avoir été assemblées, la méthode de friction malaxage est le choix supérieur. Elle préserve la capacité naturelle du métal à s'étirer, tandis que la méthode traditionnelle de fusion tend à affaiblir cette capacité. En évitant le cycle de fusion et de solidification, le processus de friction malaxage crée une liaison qui est non seulement forte, mais aussi assez flexible pour résister aux exigences de la fabrication moderne. Cette découverte suggère que les industries cherchant à construire des structures plus légères peuvent compter sur cette technique à l'état solide pour produire des composants de haute qualité et formables qui seraient autrement trop risqués à fabriquer avec les anciennes technologies de soudage.
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