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

Résumé

Le soudage par friction malaxage avec outil à double-épaulement (BT-FSW) est une variante du procédé de soudage par friction malaxage conventionnel (FSW) avec une géométrie d’outil particulière comprenant un épaulement supplémentaire prenant appui sur la surface inférieure des pièces à assembler, permettant un apport de chaleur supplémentaire et une pénétration complète du pion. Cependant, le procédé implique de nombreux paramètres conduisant à des propriétés mécaniques et métallurgiques hétérogènes dans la zone de soudure, rendant l’optimisation de cette dernière difficile.

L’objectif est de développer un modèle numérique basé sur les phénomènes physiques et mécaniques pour optimiser les paramètres de soudage en fonction de la résistance souhaitée de la soudure et promouvoir le BT-FSW comme un procédé de soudage prometteur. Pour l’atteindre, des essais ont été réalisés sur des plaques d'aluminium 6061-T6 avec différents outils et paramètres de soudage notamment les vitesses de rotation et d'avance, et les échantillons de soudure ont été analysés pour étudier les phénomènes physiques et mécaniques se déroulant dans le matériau au cours du procédé et l’impact de ces paramètres. L’étude porte sur la microstructure hétérogène des échantillons de soudure, notamment la morphologie et la taille des grains, les dislocations et les précipitations dans les différentes zones de soudure, caractérisées par microscopie optique, microscopie électronique à transmission (MET), diffraction d’électrons rétrodiffusés (EBSD) ou encore par analyse enthalpique différentielle (DSC). Elle est également concentrée sur les propriétés mécaniques par mesures de microdureté et essais de traction avec corrélation d’image.

Les résultats montrent que les paramètres de soudage influencent la microstructure et les zones de soudure, et par conséquent les propriétés mécaniques. À partir des différentes caractérisations réalisées, la corrélation entre les paramètres de soudage, la microstructure et les propriétés mécaniques des soudures a été étudiée dans le but d’établir un modèle prédictif des propriétés et caractéristiques de ces dernières. Une modélisation par la méthode des éléments finis (MEF) du procédé par BT-FSW a été développée de manière à simuler les distributions de contraintes et de températures dans le matériau. Puis des simulations mathématiques du durcissement structural par les différents facteurs de durcissement compris dans la microstructure ont été réalisées et les résultats comparés avec les expériences pour les valider. Des essais de traction des soudures ont également été simulés numériquement. Cependant, toutes les simulations réalisées n’ont pas été mises en corrélation pour établir un modèle simulant l’entièreté du procédé et les propriétés des soudures en fonction des paramètres de soudage de manière à déterminer les paramètres adéquats pour optimiser la soudure.

Bobbin-tool friction stir welding (BT-FSW) is a variant process of conventional Friction Stir Welding (FSW) with a particular configuration composed of an additional lower shoulder taking support on lower surface of welded pieces, enabling additional heat input and complete penetration of pin. However, this process involves numerous parameters leading to heterogeneous mechanical and metallurgical properties of the welded zone, making the optimization difficult.

The objective is to develop a numerical model based on physical and mechanical phenomenon to optimize welding parameters as a function of desired resistance of welded area and to promote BT-FSW as a promising welding process. To achieve this goal, BT-FSW tests have been realized on aluminum 6061-T6 plates with different tools and welding parameters, especially rotation and advance speeds. Then welded samples have been analyzed to study physical and mechanical phenomenon occurring in material during process and impacts of parameters. The study has been concentrated on heterogeneous microstructure of welded samples, particularly on morphology and size of grains, on dislocations and on precipitation states in different zones of welded area, characterized by optical microscopy and macroscopy, transmission electron microscopy (TEM), electron backscattered diffraction (EBSD) and differential scanning calorimetry (DSC). It is also focused on mechanical properties by microhardness measurements and tensile tests with digital image correlation (DIC).

Results show that welding parameters influence microstructure and zones of welded area, and therefore mechanical properties. From different characterizations, correlation between parameters, the microstructure and mechanical properties has been studied to develop a predictive model of properties and characteristics of the welded zone. A modelling by finite elements method (FEM) of BT-FSW process has been developed to simulate strains and temperatures distributions in material. Then mathematical simulations of structural hardening by different strengthening factors of the microstructure have been realized and calculated values have been compared with experimental results to be validated. Tensile tests of welds have been simulated too. However, all numerical simulations have not been correlated to establish a model simulating the whole process and welds properties as function of welding parameters to determine appropriate parameters to optimize welded area.