Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Ce mémoire s’inscrit dans le cadre du développement d’une méthode innovante d’assemblage de profilés à angle droit en alliage d’aluminium par soudage par friction malaxage (SFM). Le SFM est un procédé de soudage à l’état solide basé sur l’action combinée de la chaleur générée par friction et du malaxage mécanique induit par un outil rotatif non consommable. Ce procédé présente de nombreux avantages par rapport aux procédés conventionnels de soudage par fusion, notamment une réduction des défauts métallurgiques (porosité, fissuration), une zone affectée thermiquement (ZAT) réduite, ainsi qu’une amélioration des propriétés mécaniques dans la zone soudée.

Cependant, malgré les nombreuses études sur les configurations d’assemblage classiques (bout à bout ou en recouvrement), les données disponibles sur l’application du SFM à des géométries en angle droit restent très limitées. Cette lacune freine le transfert industriel du procédé vers des structures complexes, pourtant fréquentes dans plusieurs secteurs industriels.

L’objectif principal de ce travail est d’adapter au procédé SFM une configuration d’assemblage complexe : le joint à angle droit entre deux profilés extrudés. Cette géométrie introduit plusieurs contraintes spécifiques, notamment la difficulté d’accès pour l’outil de soudage, des problèmes de contrôle du flux de matière dans la zone d’intersection, ainsi que des risques accrus de défauts internes tels que les vides ou les tunnels. Afin de répondre à ces défis, une méthodologie expérimentale rigoureuse a été mise en place, comprenant les étapes suivantes : conception d’un outillage de maintien adapté à l’assemblage en T, développement d’un outil de soudage spécifique (géométrie du pion, forme de l’épaulement), et réalisation d’essais de laboratoire sur des profilés en alliage d’aluminium 6061-T6.

La caractérisation des joints soudés a été effectuée par des observations macro- et micrographiques, des essais de dureté Vickers et des essais mécaniques de traction et de flexion. Une attention particulière a été portée à l’analyse de la zone de malaxage (nugget), de la ZAT. Les résultats ont montré qu’il est possible d’obtenir des assemblages mécaniquement performants et exempts de défauts majeurs, sous réserve d’un ajustement précis des paramètres de soudage (vitesse de rotation, vitesse d’avance, angle d’inclinaison de l’outil, profondeur de plongée) et d’une conception adéquate de l’outil et du bridage.

Ce travail contribue à l’élargissement du champ d’application du SFM aux assemblages tridimensionnels complexes et ouvre la voie à des solutions de fabrication avancées pour des structures légères et rigides.

This master thesis focuses on the development of new methods for I section aluminum members connection using Friction Stir Welding (FSW). FSW is a solid-state welding process based on the combined effect of frictional heat and mechanical stirring generated by a non-consumable rotating tool. Compared to conventional fusion welding techniques, FSW offers numerous advantages, including a significant reduction in metallurgical defects (such as porosity and cracking), a narrower heat-affected zone (HAZ), and improved mechanical properties within the weld region.

However, despite extensive research on standard assemblies (such as butt or lap joints), the available data on the application of FSW to right-angle assemblies remains very limited. This knowledge gap hinders the industrial deployment of FSW for complex structural geometries, which are common in various engineering sectors.

The main objective of this work is to adapt the FSW process to a complex assembly configuration: the right-angle connection between two extruded aluminum members. This geometry introduces several challenges, including restricted tool access, difficulties in controlling material flow within the intersection area, and an increased risk of internal defects such as voids or tunnel formations. To address these challenges, a rigorous experimental methodology was implemented, consisting of the design of a dedicated clamping system for T-joint assemblies, the development of a specialized welding tool (optimized pin and shoulder geometry), and a series of parametric tests on 6061-T6 aluminum profiles.

The welded joints were characterized through macro- and micrographic observations, Vickers hardness measurements, as well as tensile and bending tests. Special attention was given to the analysis of the stir zone (nugget) and the HAZ. The results demonstrated the possibility of producing mechanically sound and defect-free joints, provided that precise control is maintained over key welding parameters (rotational speed, traverse speed, tool tilt angle, and plunge depth) and that the tool and fixturing system are properly designed.

This work contributes to expanding the applicability of FSW to complex three-dimensional assemblies and paves the way for advanced manufacturing solutions in the design of lightweight and rigid structural components.