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

Résumé

Aluminum alloys find widespread application and serve as substitutes for steel components due to their high strength-to-weight ratio and corrosion resistance. With the increasing use of aluminum alloys across various industries, the joining of different parts to create high-strength assemblies and structures emerges as a critical concern in industrial applications such as automotive, aircraft, and shipbuilding. Aluminum components, often necessitating joining, are typically fused together using various techniques such as gas metal arc welding (GMAW) and tungsten inert gas (TIG). Fusion welding of heat-treatable aluminum-based alloys, particularly those in the 6xxx series, presents several challenges, including compromised strength in the fusion zone (FZ), susceptibility to welding-induced cracking, reduced mechanical strength in the heat-affected zone (HAZ), and increased porosity in the weld metal. These challenges are intertwined with factors such as the chemistry of the filler metal, susceptibility to cracking, and the parameters of the welding process. In the first part, an investigation was conducted into the performance and mechanical strength of joints achieved through the utilization of recently developed Al-Si-Mg filler metals. These fillers were characterized by varying Mg contents ranging from 0.6 to 1.4 wt.%, and the welding process involved a 2 mm thick AA6061 base metal (BM). The results revealed that the newly developed filler metals have excellent weldability similar to that of the ER4043. The Mg content in the FZs of the new fillers was found to be higher than that of the reference filler. The as welded joints were fractured in the softest zone of the HAZ showing the same strength but lower than that of the BM. The post-weld heat treatment (PWHT) removed the HAZ and recovered its strength. Furthermore, the PWHT leads to the formation of coherent β"-MgSi precipitates which brought the strength of the heat-treated joints to the level of the BM with 100% welding efficiency. Furthermore, the FZs of the newly developed fillers were stronger than the BM and the FZ of the reference filler, ER4043, thus indicating their significant potential for welding high strength aluminum structures. In the second part, two novel fillers were designed and prepared by increasing the Mg content in 4xxx filler metals, and the effects of Mg on the mechanical and fatigue properties were studied under as welded and PWHT conditions. AA6061-T6 sheets were used as the BM and welded by GMAW. The welding defects were analyzed using X-ray radiography and optical microscopy, and the precipitates in the FZs were studied using transmission electron microscopy (TEM). The mechanical properties were evaluated using the microhardness, tensile, and fatigue tests. Compared to the reference ER4043 filler, the fillers with increased Mg content produced weld joints with higher microhardness and tensile strength. Joints made with fillers with high Mg contents (0.6–1.4 wt.%) displayed higher fatigue strengths and longer fatigue lives than joints made with the reference filler in both the as-welded and PWHT states. Of the joints studied, joints with the 1.4 wt.% Mg filler exhibited the highest fatigue strength and best fatigue life. The improved mechanical strength and fatigue properties of the aluminum joints were attributed to the enhanced solid-solution strengthening by solute Mg in the as-welded condition and the increased precipitation strengthening by β" precipitates in the PWHT condition. In the third part, the study investigated the effects of newly developed Al-Si-Mg filler metals with varying Mg (0.6–1.4 wt.%) and Mn (0.25–0.5 wt.%) contents on microstructure evolution and mechanical performance of high-strength AA6011-T6 plates using gas metal arc welding. Two commercial fillers, ER4043 and ER4943, were used as references for comparison. The results revealed that increasing the Mg and Mn contents in the novel fillers resulted in sufficiently high alloying elements in the FZ, leading to higher microhardness. Under as-welded conditions, the weakest region of the joint was the HAZ. The joint strength was almost independent of the filler type and was controlled by the HAZ strength. The higher Mg contents in the novel fillers promoted the precipitation of a large volume fraction of fine β"-MgSi in the FZ during PWHT, resulting in superior strength and higher welding efficiency relative to the reference fillers. The optimal Mg content of the novel fillers was 0.6 wt.%. Increasing the Mn content of the filler metal had an insignificant effect. The FMg0.6 filler with 0.6% Mg achieved the best combination of strength and elongation, as well as the highest welding efficiency after PWHT, among all fillers studied. However, the newly developed fillers adversely affected the impact toughness of the joints. In the fourth part, the welding performance of ER4043, ER5356 and newly developed FMg0.6 filler wires on the GMAW of AA6011-T6 plates was systematically investigated. The microstructure, mechanical, fatigue and corrosion properties of AA6011 weldments using three filler wires were analyzed and compared. The results revealed that the ER4043 and FMg0.6 joints exhibited smaller grain sizes in the FZ compared to ER5356 joint. PWHT resulted in the formation of β-Al2Mg3 at the grain boundaries of ER5356 joint, while spheroidization of eutectic Si and partial fragmentation of Fe-rich intermetallics occurred in ER4043 and FMg0.6 joints. The as-welded ER5356 and FMg0.6 joints displayed higher hardness and tensile strength compared to ER4043 joint, and their fractures occurred in the softest heat affected zone, while the ER4043 joint was fractured in the FZ. Among all the joints, the FMg0.6 joint demonstrated the highest strength and superior fatigue strength in both as welded and PWHT conditions. The ER5356 joint exhibited the highest weight loss in the as-welded state and suffered the highest corrosion rate in the PWHT condition due to the precipitation of β-Al2Mg3. Due to high volume fraction of primary Mg2Si in the as-welded FMg0.6 joint, it had a higher the corrosion rate compared to ER4043 joint. The PWHT improved corrosion resistance of FMg0.6 joint. The FMg0.6 filler shows promise for welding high-strength aluminum alloys, attributed to its high welding efficiency and superior fatigue properties, alongside acceptable corrosion resistance.

Les alliages d’aluminium sont utilisés dans de nombreuses applications et comme remplacements des pièces en acier en raison de sa résistance élevée au rapport de poids et de la résistance à la corrosion. Avec l’implantation des alliages d’aluminium dans de nombreuses utilisations industrielles, l’assemblage des différentes pièces pour former l’ensemble de l’assemblage et de la structure à haute résistance sont l’un des problèmes les plus cruciaux dans les applications industrielles telles que les automobiles, les avions et la construction navale. Les composants en aluminium, nécessitant souvent un assemblage, sont généralement soudés par fusion à l’aide de diverses techniques telles que le soudage à l’arc au gaz métallique (GMAW) et le gaz inerte au tungstène (TIG). Le soudage par fusion d’alliages à base d’aluminium traitables à la chaleur, en particulier les alliages 6xxx, présente plusieurs défis, notamment une résistance réduite dans la zone de fusion (FZ), une fissuration induite par soudage, une résistance mécanique réduite dans la zone affectée par la chaleur (HAZ), et une porosité accrue dans le métal de soudure. Ces questions sont liées à la chimie du métal d’apport, à la sensibilité à la fissuration et aux paramètres du procédé de soudage. Dans la première partie, une étude a été menée sur la performance et la résistance mécanique des joints obtenus grâce à l’utilisation de métaux d’apport Al-Si-Mg récemment développés. Ces charges ont été caractérisées par des teneurs en Mg variant de 0,6 à 1,4 poids. %, et le processus de soudage impliquait un métal de base AA6061 (BM) de 2 mm d’épaisseur. Les résultats ont révélé que les métaux d’apport nouvellement développés ont une excellente soudabilité similaire à celle de l’ER4043. La teneur en Mg dans les ZE des nouvelles charges s’est avérée supérieure à celle de la charge de référence. Les joints soudés ont été fracturés à l’extérieur de la FZ, exactement dans la zone la plus molle de la ZAT montrant la même résistance mais inférieure à celle du BM. Le traitement thermique après soudage (PWHT) a enlevé la HAZ et a récupéré sa résistance. En outre, le PWHT conduit à la formation des précipités β"-MgSi cohérents qui ont porté la résistance des joints traités thermiquement au niveau du BM avec une efficacité de soudage de 100%. De plus, les zones de fusion étaient beaucoup plus fortes que le métal de base et la zone de fusion de la charge de référence en utilisant les nouvelles charges à forte teneur en Mg, indiquant ainsi leur potentiel significatif pour le soudage de structures en aluminium à haute résistance. Dans la deuxième partie, deux charges nouvelles ont été conçues et préparées en augmentant la teneur en Mg dans les métaux de charge 4xxx, et les effets du Mg sur les propriétés mécaniques et de fatigue ont été étudiés dans des conditions soudées et PWHT. Les feuilles AA6061-T6 ont été utilisées comme BM et soudées par GMAW. Les défauts de soudage ont été analysés à l’aide de la radiographie et de la microscopie optique, et les précipités dans les ZPs ont été étudiés à l’aide de la microscopie électronique à transmission (MET). Les propriétés mécaniques ont été évaluées à l’aide des essais de microdureté, de traction et de fatigue. Par rapport à la charge de référence ER4043, les charges avec une teneur accrue en Mg ont produit des joints de soudure avec une microdureté et une résistance à la traction plus élevées. Les joints fabriqués avec des charges ayant une teneur élevée en mg (0,6 à 1,4 % en poids) présentaient des résistances à la fatigue plus élevées et une durée de vie plus longue que les joints fabriqués avec la charge de référence dans les états tels que soudés et PWHT. Parmi les joints étudiés, les joints avec la charge de 1,4 % Mg en poids présentaient la résistance à la fatigue la plus élevée et la meilleure durée de vie à la fatigue. L’amélioration de la résistance mécanique et des propriétés de fatigue des joints en aluminium a été attribuée au renforcement amélioré de la solution solide par Mg soluté dans l’état tel que soudé et au renforcement accru des précipitations par des précipités β" dans l’état PWHT. Dans la troisième partie, l’étude a examiné les effets des métaux d’apport Al-Si-Mg nouvellement développés avec des teneurs variables en Mg (0,6 à 1,4 % en poids) et en Mn (0,25 à 0,5 % en poids) sur l’évolution de la microstructure et les performances mécaniques des plaques AA6011-T6 à haute résistance utilisant le soudage à l’arc au gaz. Deux remplisseurs commerciaux, ER4043 et ER4943, ont été utilisés comme références pour la comparaison. Les résultats ont révélé que l’augmentation des teneurs en Mg et en Mn dans les charges nouvelles entraînait des éléments d’alliage suffisamment élevés dans la FZ, entraînant une microdureté plus élevée. Dans des conditions de comme soudé, la région la plus faible du joint était la HAZ. La résistance du joint était presque indépendante du type de charge et était contrôlée par la résistance HAZ. Les teneurs plus élevées en Mg dans les charges nouvelles ont favorisé la précipitation d’une grande fraction volumique de β"-MgSi fin dans la FZ pendant le PWHT, ce qui a entraîné une résistance supérieure et une efficacité de soudage plus élevée par rapport aux charges de référence. La teneur optimale en Mg des charges nouvelles était de 0,6 % en poids. L’augmentation de la teneur en Mn du métal d’apport a eu un effet négligeable. La charge FMg0.6 avec 0,6% Mg a obtenu la meilleure combinaison de résistance et d’allongement, ainsi que l’efficacité de soudage la plus élevée après PWHT, parmi toutes les charges étudiées. Cependant, les charges nouvellement développées ont nui à la résistance aux chocs des joints. Dans la quatrième partie, les performances de soudage des fils de remplissage ER4043, ER5356 et FMg0.6 nouvellement développés sur le GMAW des plaques AA6011-T6 ont été systématiquement étudiées. Les propriétés de microstructure, mécaniques, de fatigue et de corrosion des soudures AA6011 utilisant trois fils de remplissage ont été analysées et comparées. Les résultats ont révélé que les joints ER4043 et FMg0.6 présentaient des granulométries plus petites dans la FZ par rapport au joint ER5356. PWHT a entraîné la formation de β-Al2Mg3 aux joints de grains du joint ER5356, tandis que la sphéroïdisation du Si eutectique et la fragmentation partielle des composés intermétalliques riches en Fe se sont produites dans les joints ER4043 et FMg0.6. Les joints ER5356 et FMg0.6 soudés présentaient une dureté et une résistance à la traction supérieures à celles du joint ER4043, et leurs fractures se sont produites dans la zone la plus molle affectée par la chaleur, tandis que le joint ER4043 a été fracturé dans la FZ. Parmi tous les joints, le joint FMg0.6 a démontré la résistance la plus élevée et la résistance à la fatigue supérieure dans les conditions soudées et PWHT. Le joint ER5356 présentait la perte de poids la plus élevée à l’état tel que soudé et présentait le taux de corrosion le plus élevé dans l’état PWHT en raison de la précipitation de β-Al2Mg3. En raison de la fraction volumique élevée de Mg2Si primaire dans le joint FMg0.6 soudé, il avait un taux de corrosion plus élevé par rapport au joint ER4043. Le PWHT a amélioré la résistance à la corrosion du joint FMg0.6. Avec son efficacité de soudage élevée, ses propriétés de fatigue supérieures et sa résistance à la corrosion acceptable, la charge FMg0.6 nouvellement développée est un métal d’apport prometteur pour le soudage d’alliages 6xxx à haute résistance.