Soudage par friction-malaxage de joints hétérogènes en alliages d'aluminium 2014 et 6061

(eng) Friction stir welding was invented and patented in 1991 by Wayne Thomas, at The Welding Institute. Its aim is to overcome most of the shortcomings linked to the fusion welding processes, especially with regard to the assembly of materials know to be hardly weldable, such as some aluminum alloys. Friction stir welding is now increasingly used in various industrial fields, particularly in the aviation industry. However, the process is still young, and therefore poorly known and understood, especially in what concerns dissimilar welding. This lack of knowledge of the process and its industrial interest are as many incentives for research. This thesis aims to provide a comprehensive study of the friction stir dissimilar welding of 2014 and 6061 aluminum alloys. The material flow, the mechanical power introduced and the temperatures reached in the weld during welding are first discussed. It is shown that the material flow, and therefore the shape of the welded zone are influenced by both the welding parameters and the difference between both welded alloys’ mechanical strength at high temperature. This difference also has an influence on the mechanical power introduced and the temperatures reached in the weld during welding: an alloy whose mechanical resistance at high temperature is lower requires a lower torque to be welded, which in turn induces a lower maximum temperature. The maximum temperature reached in the weld during welding has, in turn, a large influence on the welds hardness profile. A reduced power and lower temperatures induce narrower softened zone and, in some cases, a higher measured minimum hardness. The alloys’ hardness comes from the shape, size and number of the precipitates contained in the alloy, which in turn depend on the thermal history of the alloy. Therefore, the evolution of the hardening precipitation of the 6061 alloy, which forms the weak zone of the dissimilar welds, has been modeled for the 6061-6061 similar welds and the 6061 side of the dissimilar welds. It is related to the measured hardness profiles using a hardening model, which allows the prediction of the influence of temperatures reached during welding, and thus the welding parameters on the evolution of the welds precipitates and hardness. Last, the width of the softened zone and the minimum measured hardness have an influence on the welds’ tensile strength: globally, the welds whose minimum hardness is the highest, or whose softened zone is the narrowest are more resistant and less ductile. Tensile tests also revealed three kinds of defects that are caused, directly or indirectly, by the difference between both welded alloys’ mechanical strength at high temperature. These defects are described and discussed. It is also shown that they may in some cases be reduced.

(fre) Le soudage par friction-malaxage a été inventé et breveté en 1991 par Wayne Thomas, au Welding institute (TWI). Il a eu, dès le départ, pour objectif de pallier la plupart des défauts inhérents aux procédés de soudage par fusion, principalement en ce qui concerne l'assemblage de matériaux réputés difficilement soudables, comme certains alliages d'aluminium. Le soudage par friction-malaxage est aujourd'hui de plus en plus utilisé dans divers domaines industriels, et notamment dans l'industrie aéronautique. Cependant, le procédé est encore jeune, et dès lors mal connu, en particulier en ce qui concerne le soudage hétérogène. Cette méconnaissance du procédé et l'intérêt industriel qu'il suscite sont autant d'incitants à la recherche dans le domaine. Cette thèse a pour objectif d'apporter une étude complète du soudage hétérogène par friction-malaxage des alliages d'aluminium 2014 et 6061. Le flux de matière, les puissances introduites et les températures atteintes dans le joint en cours de soudage sont d'abord abordées. Il sera montré que le flux de matière, et donc l'aspect de la zone soudée, sont influencés à la fois par les paramètres de soudage et par la différence de résistance mécanique à haute température des alliages soudés. Cette différence de résistance à haute température a également une influence sur les puissances introduites et les températures atteintes dans le joint en cours de soudage: un alliage dont la résistance est plus faible requiert un couple plus faible pour être soudé, ce qui induit une température maximale plus basse. La température maximale atteinte dans le joint en cours de soudage a, à son tour, une large influence sur le profil de dureté des joints. Une puissance réduite et des températures plus basses induisent des zones affaiblies plus étroites et, dans certains cas, une dureté minimale moins basse. La dureté des alliages trouve en effet son origine dans la forme, la taille et le nombre des précipités qu'ils contiennent, eux-mêmes fonction de l'histoire thermique de l'alliage. C'est pourquoi l'évolution de la précipitation durcissante de l'alliage 6061, qui forme la zone faible des joints hétérogènes, a été modélisée pour les joints homogènes 6061-6061 et le côté de l'alliage 6061 des joints hétérogènes. Elle est reliée aux profils de dureté mesurés grâce à un modèle de durcissement structural, qui permet la prédiction de l'influence des températures atteintes, et donc des paramètres de soudage, sur l'évolution de la précipitation et sur la dureté dans les joints. Enfin, la largeur de la zone adoucie et la dureté minimale mesurée dans le joint ont une influence sur la résistance en traction des joints: de manière générale, les joints dont la dureté minimale est plus élevée, ou dont la zone adoucie est plus étroite sont plus résistants et moins ductiles en traction. Les essais de traction ont également mis à jour trois types de défauts qui trouvent leur origine, directement ou indirectement, dans les différences de propriétés à chaud des deux alliages de base. Ces défauts seront décrits et étudiés. Il sera également montré que ces défauts peuvent, dans certains cas, être résorbés.