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Étude numérique et expériementale du soudage par friction malaxage

Thibeault Frédéric. (2012). Étude numérique et expériementale du soudage par friction malaxage. Mémoire de maîtrise, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Le soudage par friction malaxage (SFM) est une technique de soudure brevetée au début des années 90 qui consiste à souder plusieurs pièces en utilisant un outil cylindrique mis en rotation. Celui-ci pénètre dans les plaques à souder et se déplace le long d'une ligne de soudure tout en gardant le matériau à une température inférieure à son point de fusion. Les avantages de cette approche sont nombreux par rapport à la soudure conventionnelle à l'arc. En effet, puisque la chaleur requise est moindre lors du SFM, les problèmes liés à la fusion du matériau ne se produisent plus, il y a moins de distorsion des matériaux et la microstructure demeure plus uniforme que celles des procédés conventionnels. De plus, la zone affectée thermiquement qui est souvent le maillon faible d'un joint de soudure est beaucoup plus petite ce qui en résulte en des propriétés mécaniques s'approchant de celles du matériau de base. Cette technique gagne donc à être connue, expérimentée et développée surtout pour les alliages d'aluminium reconnus pour être difficilement soudables. Elle est notamment implantée dans divers domaines favorisant l'utilisation de l'aluminium tels que l'aviation, l'automobile, la navigation, le nucléaire et bien d'autres en raison de la meilleure résistance mécanique et de la plus longue durée de vie en fatigue des joints de soudure.

Au cours des dix dernières années, divers modèles mathématiques ont été développés pour clarifier l'effet des paramètres de soudage. Cependant, beaucoup d'hypothèses doivent être posées et réduisent la complexité des représentations numériques au profit de la précision des résultats. Le principal problème vient du fait que les logiciels et les méthodes numériques employées ont de la difficulté à bien mailler les conditions limites et les conditions initiales notamment en raison des grandes déformations dans le matériau lors du procédé. Toutefois, une technique sans maillage bien maitrisée par le centre de recherche Commonwealth Scientific and Resarch Organization (CSIRO) pourrait parvenir à contourner ces problèmes. Il s'agit de la méthode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) où les coordonnées s'adaptent au domaine à chaque itération permettant ainsi d'obtenir l'historique complet de chaque particule en plus de tenir compte de l'emplacement de celles-ci, des contraintes thermiques et des contraintes mécaniques des instants précédents. C'est ainsi dans l'optique d'explorer cette méthode sans maillage que le présent projet est né pour modéliser et comprendre les mécanismes physiques du SFM.

En parallèle au développement du modèle numérique SPH, un banc d'essai spécialement instrumenté a été mis en place pour récolter des données sur le soudage par friction malaxage. De nombreuses plaques d'aluminium 6061-T6 ont été soudées bout à bout selon divers paramètres. Des soudures asymétriques (soudage de deux alliages d'aluminium de composition chimique différente) ont aussi été réalisées afin d'étudier le mécanisme de malaxage pendant le procédé. Des analyses métallographiques et des essais de traction ont finalement permis de caractériser ces mécanismes. Les essais ont ensuite été comparés aux résultats du modèle numérique lorsque c'était possible.

Au niveau thermique, les résultats sont principalement associés à la distribution de la température dans les plaques soudées. Ce mécanisme est majoritairement influencé par les vitesses de soudage et a un effet direct sur l'écoulement du matériau au pourtour de l'outil. Des températures élevées favorisent le malaxage des matériaux soudés et éliminent généralement les fissures pouvant y survenir. Les essais en traction sur les échantillons soudées ont ensuite permis de faire le lien entre la distribution thermique et la résistance à la rupture. Il a été conclu que les soudures offrant une résistance à la traction supérieure, réalisées avec les outils disponibles, étaient celles où les vitesses d'avance et de rotation sont très élevées mais pour un faible rapport (vitesse de rotation / vitesse d'avance) ce qui favorisent le meilleur équilibre entre l'apport de chaleur et le mélange de la matière.

Quant au mécanisme de malaxage, les résultats ont démontrés que l'épaisseur du matériau (donc de la tige), les vitesses et la géométrie des outils ont une influence sur la microstructure. D'ailleurs, selon les essais réalisés à partir de deux outils de géométrie identique mais de longueur de tige différente, le rapport de la longueur de la tige sur le diamètre de l'épaulement peut avoir un effet significatif sur l'écoulement du matériau. D'autre part, les metallographies réalisées ont permis d'observer la différence dans la déformation du matériau entre le côté avançant et le côté reculant des soudures. Ces études ont aussi montré que la matière est transportée de l'avant vers l'arrière de l'outil. Elles démontrent également que le déplacement vertical de la matière est minime malgré la présence de filets sur l'outil.

Le modèle numérique a fourni des résultats prometteurs concernant la partie thermique du procédé. Malgré quelques écarts avec les mesures en laboratoire, les distributions de la température déterminées numériquement correspondent aux essais expérimentaux. Les travaux futurs consisteront cependant à élaborer de nouvelles lois de friction et de génération de chaleur afin d'éliminer les coefficients empiriques arbitraires. Concernant la partie écoulement du matériau, le modèle a offert peu de résultats concluants à ce sujet. Des problèmes avec certaines lois de comportement utilisées persistent toujours ce qui empêche de réaliser des simulations complètes en un temps raisonnable. Néanmoins, l'utilisation de la méthode SPH permet des avancées très intéressantes puisqu'il serait possible, avec cette méthode, de tenir compte de certains effets métallurgiques dans le matériau dont même les plus récents modèles ne tiennent toujours pas compte.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Mémoire de maîtrise)
Date:2012
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Maîtrise en ingénierie
Nombre de pages:217
ISBN:9781412318716
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):St-Georges, Lyne
Kiss, Laszlo
Mots-clés:Soudage par friction--Modèles mathématiques--Expériences, Friction welding--Mathematical models--Experiments, MALAXAGE
Déposé le:22 août 2013 14:54
Dernière modification:22 août 2013 18:54
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