Bulletin technique - Institut Maupertuis

BULLETIN TECHNIQUE N°46
Le soudage Friction Stir
Welding sur Machine-Outil à
Commande Numérique
avril 2016
Contexte
Le soudage FSW, qui peut se
traduire par « friction-malaxage
»
est
une
technologie
prometteuse pour l'assemblage
de
pièces
d'aluminium
puisqu'elle permet de souder
des alliages d'aluminium à
haute résistance, sans passer
par la fusion. Certains alliages
étaient
jusqu'à
présent
difficilement soudables par les
procédés
traditionnels.
Ce
procédé est également utilisé et
très apprécié pour l’assemblage
du magnésium, du cuivre et de
matériaux dissimilaires.
L’ENS Rennes et l'institut
Maupertuis ont prototypé une
tête qui se monte sur une
machine-outil à commande
numérique (MOCN) permettant
de réaliser sur ce type
d’équipement de l’assemblage
par FSW. Ainsi, une entreprise
ou un laboratoire possédant
une MOCN peut réaliser des
assemblages en FSW tout en
limitant
le
coût
d’investissement. De plus, il est
possible d’usiner, d’assembler
plusieurs pièces en FSW puis
de réaliser une finition par
usinage
sur
une
même
machine. Cette technologie est
particulièrement
intéressante
pour les PMEs dont les séries
de pièces sont petites. Elle est
complémentaire aux machines
de FSW existantes de type
portique ou robot qui sont plutôt
réservées à une production de
masse.
Sommaire
Contexte
1
Principe du FSW
1
FSW sur MOCN
2
Domaines d’application du
FSW sur MOCN
4
Principe du FSW
Développé et breveté par le
TWI en 1991, le principe
consiste à chauffer le métal de
base par friction grâce un pion
fixé sur une embase qui tourne
dans le plan de joint des pièces
à assembler (Figure 1). Une
couche de métal sous forme
plastique et pâteuse est formée
sous l’embase et autour du
pion.
Cette
montée
en
température associée à une
avance automatisée (vitesse
d’avance : de 0,1 à 1m/min)
forme un joint de soudure. Ce
procédé
qui
réalise
l’assemblage
à
une
température inférieure à la
température de fusion du métal,
état thixotropique, déforme
moins que les procédés par
fusion.
De
plus,
les
caractéristiques
mécaniques
des matériaux soudés restent
proches des valeurs initiales
des matériaux de base.
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Fig 1 : le FSW consiste à réaliser
une liaison métallique à l’état
semi - solide en faisant
intervenir un outil rotatif.
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LE SOUDAGE FRICTION STIR WELDING SUR MOCN
Les pièces à souder sont fixées
sur une table support assurant
ainsi la contre réaction. Les
outils sont traditionnellement
animés par des structures à
portiques multiaxes à moteur
hydrauliques.
Des
développements récents ont
conduit à assurer la mise en
œuvre du FSW sur bras robot
industriel comme à l’Institut
Maupertuis (figure 2).
• Qualité d’aspect esthétique
sur la face opposée à la friction,
• Etanchéité de l’assemblage
(supprime les joints, rivets,
visseries, encollages, remplace
le sertissage),
• Coût : peu de consommables
(1 outil = 1500m de soudure),
pas de matériau d’apport, pas
de préparation de surface, pas
de gaz (pas d’investissement
réseau de gaz).
Atouts du FSW :
• Procédé propre : pas
d’utilisation de gaz, pas de
dégagement ni de fumée, ni de
poussière, ni de rayonnement,
• Permet l’assemblage de
matériaux
difficilement
soudables (Al 2000, 6000,
7000) sans créer ni de
fissuration ni de porosité,
• Caractéristiques mécaniques
d'assemblage supérieures au
soudage traditionnel,
• Faible déformation thermique
des pièces soudées,
• Différents types de joints :
bout à bout, joint en T, joint à
recouvrement, en angle, par
point,
Limitations du FSW :
• Application
limitée
aux
matériaux à bas point de fusion
(aluminium,
magnésium,
cuivre). Néanmoins, des études
sont en cours pour l’étendre
aux aciers et superalliages,
• Les pièces doivent être
solidement fixées durant le
soudage,
• Nécessité d’un support envers
pour supporter la force de
soudage verticale,
• Bonne préparation des bords
des joints bout-à-bout en raison
de l’absence de matériau
d’apport. Ce défaut n'existe pas
en configuration de soudage
par transparence.
Fig 2 : Equipements typiques
pour mettre en œuvre le FSW :
machine dédiée de type portique
ou robot industriel
FSW sur MOCN
Le FSW offre de nombreux
avantages par rapport aux
technologies
d’assemblage
traditionnelles par fusion : TIG,
MIG,
laser.
Malgré
le
développement depuis dix ans
de
solutions
robotisées
réduisant le coût d’acquisition
d’une station de FSW, le coût
d’investissement reste un frein
au déploiement du FSW,
surtout dans les PME. Depuis
deux ans, l’ENS Rennes et
l’Institut Maupertuis ont allié
leurs
compétences
pour
adapter le soudage par frictionmalaxage à une machine outils
à commande numérique. Ainsi,
ils ont conçu une tête de
soudage pouvant être fixée sur
une fraiseuse (Figure 3). Ceci
facilite la pratique du soudage
par friction-malaxage par les
PME. La tête est en effet
beaucoup moins chère qu’une
machine fabriquée sur mesure
ou même qu’un robot standard.
De plus, la plupart des
entreprises en sont déjà
équipées.
pièce, elle peut être soudée et
usinée
sur
le
même
équipement.
Ce
système
convient aux pièces de petites
dimensions, ne dépassant pas
6 mètres, et pour des
épaisseurs
de
soudure
relativement fines (inférieures
à 12 mm), mais il est suffisant
pour
de
nombreuses
applications au sein des PME.
La technique peut également
permettre un gain de temps :
au lieu de devoir déplacer la
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LE SOUDAGE FRICTION STIR WELDING SUR MOCN
Fig 3 : Tête de FSW adaptée sur un machine-outil à commande numérique MOCN.
La tête intègre toutes les
fonctions nécessaires à la
réalisation de soudures FSW
de qualité tout en protégeant la
MOCN des contraintes du
procédé. Ces fonctions sont
les suivantes :
• Contrôle de force selon l’axe
vertical. Ce contrôle est réalisé
directement dans la tête afin
de ne pas modifier la
commande de la MOCN,
• Refroidissement de la tête qui
permet de maintenir l’outil à
une température tolérable,
mais aussi de protéger la
broche
d’usinage
d’une
montée
en
température
inhabituelle, un suivi de la
température est intégré,
• Protection de la broche
d’usinage contre les forces
importantes et les vibrations du
procédé FSW,
en Z de l’outil de +/- 50 µm afin
d’éviter
des
bavures
excessives (enfoncement trop
profond) ou un mauvais
malaxage
(porosités
par
manque de compacité). Sur
tous
les
équipements
industriels de FSW (machine
dédiée, robot ou MOCN), cette
précision est assurée par le
contrôle en force permettant de
souder malgré l’imprécision
des dimensions des pièces
(par
exemple
:
extrusion/laminage 0,1 mm,
moulage
0,5
mm)
ou
l’imprécision
du
positionnement des pièces
(placement dans l’outillage 0,5
mm, déformation thermique
durant le soudage 0,5 - 1 mm).
l’outil rentre dans la matière et
provoque
des
bavures
excessives
(flash).
Outre
l’aspect esthétique, un tel
défaut réduit les propriétés
mécaniques
par
amincissement des pièces
soudées.
Nous pouvons voir sur la figure
4 l’intérêt du contrôle de force :
les soudures sont réalisées sur
Le contrôle de force est une pièce simulant un défaut
l’élément clé du procédé FSW. de 1 mm par usinage d’une
En effet, la pénétration de pente :
l’outil dans la pièce doit être
constante afin de garantir la • Lors d’une soudure sans
qualité de la soudure : le FSW contrôle de force et avec un
nécessite un positionnement dénivelé positif (figure 4.1),
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LE SOUDAGE FRICTION STIR WELDING SUR MOCN
• Lors d’une soudure sans
contrôle de force et avec un
dénivelé négatif (figure 4.2),
l’embase de l’outil ne frotte
plus sur la pièce réduisant
l’effet de chauffage par friction
et entraînant des porosités
dans la soudure par manque
de compacité. Ce type de
défaut est appelé « wormhole
» dans la littérature car les
porosités sont généralement
continues le long de la
soudure.
• Lors d’une soudure avec
contrôle de force (figure 4.3),
l’outil suit le profil de la pièce et
la soudure est exempt de
défaut.
1
2
3
Fig 4 : Démonstration du contrôle de force sur une pièce simulant un défaut de 1 mm
Domaines d’application du FSW sur MOCN
D’une façon générale, le FSW
s’utilise essentiellement sur les
alliages d’aluminium, l’acier
utilisé pour réaliser les outils
ne résistant pas sur les
matériaux plus durs. Les
résultats ont montré sur les
alliages
d’aluminium
une
fiabilité de la tenue mécanique
en statique et en dynamique
bien souvent supérieure à celle
obtenue sur des assemblages
soudés par des procédés de
fusion classiques. D’autres
études
concernent
l’assemblage hétérogène d’un
alliage d’aluminium avec du
cuivre.
Ces
applications
répondent à un réel besoin de
l’industrie
automobile,
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aéronautique,
navale
et
ferroviaire confrontée à des
contraintes d’allégement. Dans
cette optique, l’aluminium et
ses alliages présentent de
nombreux avantages : un gain
de masse permettant une
réduction des émissions de
CO2 et une possibilité illimitée
de recyclage après usage.
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LE SOUDAGE FRICTION STIR WELDING SUR MOCN
D’autres secteurs utilisent ce
procédé pour réaliser par
exemple
des
connections
électriques,
des
bottiers
électroniques, une fonction
d’encapsulation, des sousensembles
étanches,
des
éléments de décoration ou des
réservoirs, des plaques froides.
Pour
ces
assemblages,
plusieurs
configurations
peuvent être mises en œuvre :
soudage par point, soudage
linéaire
par
transparence,
soudage linéaire bout à bout.
de 6061-T6 12 mm (figure 5) :
raboutage de pièces pour
réduire le coût de matière
première
et
le
temps
d’usinage. L’usinage post FSW
est réalisé directement dans
Voici sept applications de FSW l’outillage de soudage sans
réalisés sur MOCN :
démontage de la pièce.
Cadre
en
aluminium,
soudage FSW double passe
Fig 5 : Cadre en aluminium, soudage FSW double passe de 6061-T6 12 mm
• Remplacement du rivetage
pour
l’équipement
cabine
d’avions (figure 6.1) : soudage
par points FSW 7075-T6 sur
2024-T3. Le FSW permet de
souder
des
alliages
d’aluminium de type 2000,
7000, non soudables avec des
procédés conventionnels.
• Soudage de pièces de
fonderie en aluminium (figure
6.2)
:
soudage
par
transparence 6061-T6 sur Al-Si
moulé. Le soudage FSW à
l’état solide permet d’éviter les
défauts de type porosités
observées avec des procédés
conventionnels de soudage
(dégazage
de
l’aluminium
moulé).
Fig 6 : 1) remplacement du rivetage pour l’équipement cabine d’avions, 2) FSW ailettes de refroidissement sur boitier
électronique
• Profilé d’aluminium, soudage
bout
à
bout
et
par
transparence 6061-T6 (figure
7.1) : le FSW permet de
fabriquer des pièces dont les
dimensions ne sont pas
réalisables en une seule
extrusion.
• Soudage de matériaux
dissimilaires (Al / Fe) pour
application
en
tôlerie
industrielle,
soudage
par
transparence 5754-H11 (2 mm)
sur S235 (1 mm) (figure 7.2).
Le soudage FSW à l’état solide
permet d’assembler facilement
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des matériaux dissimilaires
tout en évitant la précipitation
de phases intermétalliques
fragiles qui limitent ce type
d’assemblage
avec
des
procédés conventionnels.
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LE SOUDAGE FRICTION STIR WELDING SUR MOCN
Fig 7 : 1) Profilé d’aluminium, 2) plaque froide
• Soudage par point FSW de
connecteurs en cuivre :
remplacement du brasage pour
réduire
les
défauts
de
fabrication. Le FSW remplace
le brasage tout en améliorant
la qualité de la jonction et en
réduisant le coût de fabrication.
De plus, le FSW permet le
remplacement du cuivre par
l’aluminium en assurant une
jonction métallurgique entre le
cuivre et l’aluminium limitant la
résistivité électrique.
Pour en savoir plus, contactez : Laurent DUBOURG, Chargé d’affaires Pôle Assemblage
Tel: 02.99.57.15.74 [email protected]
BULLETIN TECHNIQUE N°46
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