Brevet FR2911293A1 — publié le 20080718

La présente invention concerne l'addition de poudre ou feuillard en vue de l'amélioration de la compacité des joints réalisés en soudage par friction/malaxage de l'aluminium et de ses alliages. Le procédé de soudage avec malaxage par friction (i.e. friction-malaxage) ou Friction Stir Welding (FSW) est un procédé bien connu dans l'industrie. A ce titre, on peut citer notamment les documents US-A- 6,716,538, US-A-6,440,515, US-A-7,036,707, US-A-6,913,186, US-A-5460317 et EP-A-615480 qui en parlent. Le procédé de soudage FSW consiste schématiquement à appliquer une friction entre deux bords à assembler via des mouvements cycliques en rotation d'un outil rotatif autour d'un axe de rotation et à déplacer ledit outil rotatif le long d'une ligne de soudage entre les deux bords devant être soudés. En soudage de type FSW de l'aluminium et des alliages d'aluminium, il existe un problème bien connu, à savoir celui de l'apparition dans les joints ainsi soudés d'un film formé d'oxydes et/ou d'hydroxydes d'aluminium d'environ 1 à 5 m d'épaisseur qui chemine en zigzag dans toute l'épaisseur du joint et peut également se retrouver sur toute la longueur de l'assemblage soudé. 2 0 Ce type de défaut est couramment appelé en anglais Root flaw, Kissing Bond ou encore Joint Line Remanent film Son profil et son étendue sont directement liés aux paramètres principaux du procédé mais aussi à l'état de surface et à la propreté des pièces à assembler. Ce film a un effet direct négatif sur les performances mécaniques en statique, à 2 5 savoir une diminution d'environ 10% pour ce qui est de la charge de rupture et d'environ 20% de l'allongement, mais également sur le comportement en fatigue, soit une diminution de l'ordre de 20 à 30% sur les alliages de la série 2000 type 2024 et 2014. De par son épaisseur, sa compacité et son orientation, ce type de défaut est par 3 0 ailleurs très difficile à détecter dans l'épaisseur et en surface par les méthodes de contrôles non destructifs conventionnelles (radiographie ou ultrasons dans l'épaisseur du matériau et ressuage en surface) et requiert la mise en oeuvre respectivement d'une méthode ultrasonique spécifique Ultrasonic Phased-Array Technic et Eddy Current Array Technic . Ces méthodes ne permettent cependant pas d'éliminer les défauts correspondants. Jusqu'ici plusieurs solutions d'élimination de ce type de défaut ont été proposées, à savoir : - agir sur la préparation des assemblages, en termes de contrôle de la géométrie et de l'état de surface du plan de joint correspondant, par exemple en ayant une 10 rugosité Ra de 10 m à 3 m, - optimisation des paramètres principaux du procédé, notamment de la vitesse de rotation de la broche (t/mn), de la vitesse d'avance de l'outil (cm/mn), de la forme de l'outil et de la pénétration dans le matériau de la partie terminale active de l'outil ou tête de malaxage couramment appelée pin , de l'angle entre la broche 15 et les pièces à assembler... Toutefois, malgré ces précautions qui dépassent déjà le cadre des recommandations industrielles, le défaut subsiste, en particulier sur les faces endroit et envers des assemblages, ce qui représente encore le 1/3 de l'épaisseur à souder. Un but de l'invention est dès lors d'améliorer le procédé de soudage par 2 0 friction-malaxage (FSW) de l'aluminium et de ses alliages de manière à minimiser, voire éliminer quasi totalement, la formation du film d'oxydes et/ou d'hydroxydes d'aluminium dans l'épaisseur soudée. La solution de l'invention est un procédé de soudage par friction-malaxage (FSW) de deux bords l'un avec l'autre d'au moins une pièce en aluminium ou en un 2 5 alliage d'aluminium, dans lequel on opère une friction entre les deux bords à assembler via des mouvements en rotation d'un outil rotatif autour d'un axe de rotation et on déplace progressivement ledit outil rotatif le long d'une ligne de soudage formée entre les deux bords devant être soudés, caractérisé en ce qu'on incorpore au niveau des deux bords à souder l'un avec l'autre, au moins un matériau 3 0 apte à réagir, à une température comprise entre 200 C et 500 , avec les oxydes ou hydroxydes se formant durant le soudage par friction/malaxage en formant des composés finement dispersés dans la zone malaxée. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le matériau est mis entre les deux bords à souder, avant le début du soudage par friction/malaxage. - le matériau est sous forme pulvérulente, de préférence il est réparti par gravité entre les deux bords ou projeté au préalable par projection à froid sur l'un ou les bords et/ou faces à assembler. - le matériau est sous forme de ruban interposé entre les deux bords à souder, de préférence avec un jeu le plus réduit possible. - le matériau est incorporé sur les surfaces supérieure et/ou inférieure d'une ou de chaque pièce à la souder au voisinage immédiat des bords à souder. - le matériau d'apport est formé d'une poudre obtenue par mécano-synthèse contenant de l'aluminium et du nickel (Al-Ni) et/ou de l'aluminium et du silicium (Al-Si). - on soude ensemble deux pièces de composition ou nuance métallurgique différentes. - le matériau d'apport est apte à réagir à une température comprise entre 300 2 0 C et 500 . le matériau d'apport est apte à réagir à une température comprise entre 350 et 450 C. - l'on soude ensemble deux pièces, notamment planes ou tubulaires, mises bout à bout jointives, à clin ou en angle, de préférence bout à bout. 2 5 En outre, l'invention permet également de résoudre, au moins partiellement, des problèmes de : - compatibilité métallurgique lorsque deux matériaux différents doivent être assemblés l'un à l'autre. -compacité du joint dû à l'état de santé métallurgique des matériaux à 3 0 assembler, à savoir moulés et extrudés. - propriétés mécaniques de l'assemblage, principalement dans la zone malaxée. - amélioration significative des performances du procédé, en particulier en termes de vitesse d'avance et de flexibilité. En d'autres termes, la présente invention propose donc d'interagir directement à des températures entre 200 et 500 C, typiquement proches de 400 C à 450 C, avec les oxydes et hydroxydes localisés en surface et dans le plan de joint, pour former des composés finement dispersés dans la zone malaxée et ce, sans incidence néfaste ou avec une incidence faible sur les propriétés mécaniques des assemblages ainsi obtenus. Pour cela, on opère donc par apport externe d'un matériau apte à réagir à une température comprise entre 200 et 500 , avec les oxydes ou hydroxydes d'aluminium en formant des composés finement dispersés dans la zone malaxée. Cet apport externe peut se faire : - soit à l'aide d'une poudre à caractère fortement exothermique de type Al-Ni et/ou Al-Si pour l'aluminium et ses alliages ayant une composition chimique et une granulométrie adaptées pour pouvoir être interposée d'une manière régulière dans le plan de joint, - soit pour des raisons pratiques de mise en oeuvre, sous forme de feuillard ou ruban réalisé à partir du ou des constituants précédents ou de la poudre 2 0 précédemment définie. Le choix du type de poudre le plus adapté dépendant de la composition chimique , de la nuance ou de la santé métallurgique du matériau à souder et se fait donc au cas par cas. Un tel choix est à la portée d'un homme du métier et peut se faire de manière empirique sur des échantillons métalliques avec différentes 2 5 compositions chimiques de poudre jusqu'à trouver celle qui est la plus adaptée à la composition métallurgique des matériaux à souder. Les avantages de la solution de l'invention sont notamment : - elle est aisée à mettre en oeuvre car ne nécessite pas une préparation particulière autre que celle réalisable avec des moyens industriels conventionnels, -elle peut également augmenter les performances en termes de vitesse d'avance si l'apport de chaleur est significatif sans atteindre la température de fusion de l'aluminium, - elle autorise un positionnement du produit sur seulement l'une des faces de l'assemblage à souder. Afin de vérifier l'efficacité du procédé de l'invention sur le soudage par friction-malaxage de l'aluminium, on a testé différents types de poudre dans les conditions données ci-après. Les pièces à souder sont en aluminium de type 3003, 5000 ou 6000. Les formulations ont été faites sur la base Ni-Al et Al-Si, avec des taux de dilution variables et on a testé ces alliages pour les essais de soudage type FSW. En particulier, a été étudiée l'incidence d'un effet thermomécanique représentatif de celui produit dans la zone malaxée de l'assemblage en FSW sur le comportement de la poudre dispersée soit dans le plan de joint, soit sur l'une ou les 2 faces de l'assemblage et la quantité minimale nécessaire pour obtenir une liaison métallurgique saine exempte de défauts. Des compositions type des poudres Al-Ni testées sont données en Tableau 1 : Tableau 1 Al Ni T ( C) du ter pic T ( C) du 2e pic T ( C) du 3e pic (% en poids) (% en poids) exothermique exothermique exothermique 58 42 224 340 372 58 42 200 300 440 13 87 232 352 424 2 0 T est la température de réaction (en C) correspondant à chaque pic exothermique dont la réaction va se déclencher au passage de 1 `outil, lors de la progression de la zone malaxée, qui va entraîner une élévation progressive en température des particules de poudre correspondantes en passant successivement les différents pics identifiés. En atteignant ces pics, vont se déclencher des réactions fortement exothermiques qui vont permettre de réduire la couche ou les inclusions d'oxydes et d'hydroxyde d'alumine. Cette réduction va être totale ou partielle dans ce dernier cas les composés résultants vont être finement dispersés dans la matrice de la zone malaxée. La composition et la dilution des poudres peuvent être ajustées en fonction du matériau (ou des matériaux) à assembler et à sa propension à générer des oxydes et hydroxydes d'alumine pour l'aluminium et ses alliages. Les conditions de mise en oeuvre de la poudre sont les suivantes : - la poudre est dispersée soit dans le plan de joint soit sur l'une ou les 2 faces de l'assemblage et la quantité minimale nécessaire pour obtenir une liaison métallurgique saine exempte de défauts. - un feuillard ruban interposé dans le plan de joint section calculée en fonction de la dilution escomptée dans la zone malaxée. Un intérêt de l'invention repose sur la capacité à résoudre, par interposition entre les pièces à souder, de poudre ou de feuillard de composition chimique appropriée, des problèmes : - de compatibilité métallurgique de deux matériaux identiques ou différents à assembler, et 2 0 - de compacité du joint dû à l'état de santé métallurgique des matériaux à assembler ( moulés et extrudés). L'invention permet également une amélioration significative des performances du procédé, notamment en termes de vitesse d'avance et de flexibilité grâce à l'incorporation dans le plan de joint d'assemblage, de la poudre ou du feuillard apte à 2 5 réagir, à une température comprise entre 200 C et 500 , avec les oxydes ou hydroxydes se formant durant le soudage. 30 Revendications 1. Procédé de soudage par friction-malaxage (FSW) de deux bords l'un avec l'autre d'au moins une pièce en aluminium ou en un alliage d'aluminium, dans lequel on opère une friction entre les deux bords à assembler via des mouvements en rotation d'un outil rotatif autour d'un axe de rotation et on déplace progressivement ledit outil rotatif le long d'une ligne de soudage formée entre les deux bords devant être soudés, caractérisé en ce qu'on incorpore au niveau des deux bords à souder l'un avec l'autre, au moins un matériau apte à réagir, à une température comprise entre 200 C et 500 , avec les oxydes ou hydroxydes se formant durant le soudage par friction/malaxage en formant des composés finement dispersés dans la zone malaxée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau est mis entre les deux bords à souder, avant le début du soudage par friction/malaxage. 3. Procédé selon Vune des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau est sous forme pulvérulente, de préférence il est réparti par gravité entre les deux bords ou projeté au préalable par projection à froid sur l'un ou les bords et/ou faces à assembler. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou caractérisé en ce que le matériau est sous forme de ruban interposé entre les deux bords à souder, de préférence avec un jeu le plus réduit possible. 25 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau est incorporé sur les surfaces supérieure et/ou inférieure d'une ou de chaque pièce à souder au voisinage immédiat des bords à souder. 20 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau d'apport est formé d'une poudre obtenue par mécano-synthèse contenant de l'aluminium et du nickel (Al-Ni) et/ou de l'aluminium et du silicium (Al-Si). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on soude ensemble deux pièces de composition ou nuance métallurgique différentes. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le matériau d'apport est apte à réagir à une température comprise entre 300 C et 500 . 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le matériau d'apport est apte à réagir à une température comprise entre 350 et 450 C. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'on 15 soude ensemble deux pièces, notamment planes ou tubulaires, mises bout-à-bout jointives, à clin ou en angle.10