Comparaison entre le soudage FSW et le soudage Bout a Bout pour

Comparaison entre le soudage FSW et le soudage
Bout a Bout pour le polyéthylène à haute densité
(PEHD)
Kaid Mustapha
Zemri Mokhtar
Univ Djilali Liabes
Laboratoire de Matériaux et Systèmes Réactifs (LMSR)
Sidi Bel Abbes algerie
[email protected]
Univ Djilali Liabes
Laboratoire de Matériaux et Systèmes Réactifs (LMSR)
Sidi Bel Abbes algerie
[email protected]
L'objectif de cette étude est la maîtrise de la technique du
Soudage par Friction Malaxage (Friction Stir Welding - FSW) et
l’optimisation des paramètres sur un polyéthylène à haute densité
(PEHD). Ce procédé d'assemblage est basé sur le phénomène de
malaxage provoqué par le passage de l'outil (pion), élément
essentiel de cette technique. L’étude consistera à : 1. Réaliser des
soudures par le procédé FSW. 2. Étudier le comportement
mécanique à la rupture des joints soudés. Afin de maîtriser et
optimiser le procédé en maitrisant la vitesse de rotation, l’avance
et la plongée de l'outil.3. Réaliser des soudages bout à bout et
faire une comparaison entre les deux soudages
Mots clées—comparaison;soudage;fsw; bout a bout;pehd
Introduction
(Heading 1)
Le soudage Bout a Bout est une méthode du soudage des
polyéthylènes PE 100 et FSW est une soudage qui se produit
au-dessous de la température de solidus des métaux. Ce
procédé permet l’assemblage des matériaux difficilement
soudables par les procédés de soudage traditionnels. Les
cordons de soudure obtenus par FSW sont généralement de
haute qualité métallurgique et quasiment sans défauts tels que
les porosités ou les criques de refroidissement. Dans ce
procédé le métal d’apport n’est pas nécessaire. L’opération de
soudage est assurée par le malaxage de la matière des pièces à
souder avec un outil. Ce procédé est très fiable pour le travail
automatique, donc peu couteux une fois intégré dans une
chaine de fabrication pour des géométries simples. Depuis sa
découverte, plusieurs travaux de recherche ont été mènes afin
de décrire les interactions entre les paramètres du procédé et
les propriétés mécaniques et microstructurales du cordon
FSW. Ces travaux ont permis d’acquérir une connaissance
capitale en FSW et de qualifier le cordon FSW.
Dans cette étude nous étudions l’optimisation des paramètres
de soudage du polyéthylène PE100.afin
de faire une
comparaison avec le soudage Bout à Bout.
I. LE PROCÉDÉ DE SOUDAGE BOUT À BOUT
1) Description générale
Le soudage bout à bout est une technique
d’assemblage des thermoplastiques par la fusion des
extrémités de deux éléments tubulaires au moyen d’une
plaque chauffante, appelée miroir. Ce procédé consiste à
faire fondre la matière au niveau de la surface à souder,
figure 1, à mettre en contact les parties fondues pour assurer
le mélange intime et à laisser refroidir l’assemblage ainsi
constitué. À l’état fondu, les chaînes de polyéthylène des
deux tubes mis en contact s’interpénètrent et en se
solidifiant, se figent dans cet état, procurant ainsi à la
soudure une certaine solidité.
Les soudures sont caractérisées par l’apparition d’un
bourrelet, ou cordon de soudure, au niveau du plan de soudage
qui résulte de l’éjection latérale de la matière fondue formée à
l’extrémité des tubes, figure 2. Sa forme est utilisée
généralement pour donner une première indication visuelle de
la qualité de la soudure.
Figure 1 .Chauffage des tubes lors du soudage bout à bout
A. Principe de soudage par friction malaxage ou friction stir
welding (FSW)
Le principe de ce procédé est de réaliser une soudure de
proche en proche en malaxant localement la matière des
deux pièces à assembler. La liaison métallurgique est
obtenue à chaud, mais en dessous de la température de
fusion des matériaux. Comme la plupart de ces procédés
(soudage par friction, soudage par explosion...), le FSW a
deux avantages essentiels :

Figure 2. Schéma de la formation du bourrelet au contact du
miroir chauffant
2) Les étapes principales du soudage bout à bout
Le soudage bout à bout peut être divisé en quatre phases
distinctes, figure 3, bien représentées sur un diagramme temps
– pression – température, figure II.29, qui se retrouvent dans la
plupart des études du procédé [1] [2].
Il ne génère pas de soufflure ni de fissure à chaud,
 Il permet de réaliser des soudures hétérogènes.
Pour réaliser une opération de soudage par frictionmalaxage, les pièces à assembler sont mises en position sans
jeu, généralement sur une enclume, et bridées afin d’éviter
tout mouvement relatif de celles-ci au cours du soudage. Pour
illustrer l’opération de FSW, prenons la configuration la plus
simple à savoir le soudage bout à bout de deux tôles
Figure 3 . Les étapes du soudage bout à bout
Figure 5. Soudage rectiligne de deux plaques
B.
Les étapes du procédé FSW
Le procédé de soudage par friction malaxage décomposé en 4
étapes :
B.1. Pénétration de l’outil
L’outil composé d’un pion de géométrie plus ou moins
complexe et d’un épaulement de diamètre de 2 à 2.5 fois
supérieur au pion est mis en rotation rapide (entre 100 et
plusieurs milliers de tr/min). Sous un effort défini, le pion
entre en contact avec la surface des tôles à assembler [3].
B.2. Soudage
Figure 4 . Diagramme temps – pression – température
3. LE SOUDAGE PAR FRICTION MALAXAGE OU FRICTION
STIR WELDING (FSW)
Après préchauffage, l’outil en rotation se déplace le long du
joint à une vitesse définie (jusqu’à 2 m/min). Par un
mécanisme combiné d’extrusion par le pion et de forgeage
par l’épaulement, le cordon est réalisé de proche en proche.
Une nouvelle structure métallurgique commune aux deux
matériaux est formée grâce à des phénomènes de
restauration-recristallisation.
B.3. Rétraction de l’outil
Lorsque la longueur soudée est réalisée, l’outil en rotation est
retiré de la matière. Suivant la technologie de soudage utilisé,
il reste en fin de soudage une empreinte laissée par le pion.
D.1.OUTIL DE SOUDAGE FSW
Les soudures ont été réalisées à l’aide de deux outils de malaxage
en acier XC 65, figure 8. Un outil est composé d’un pion cylindrique
et d’un épaulement concave et l’autre d’un pion et d’un épaulement
plat.
Figure 6 Les étapes du procédé FSW
C. Étude préliminaire de la cinématique de l’opération de
soudage FSW
Les machines de FSW que ce soit les robots ou les portiques
permettent la programmation de ces deux paramètres.
Dans cette partie, on décrit la cinématique du procédé dans
toutes les phases de soudage. La figure suivante est une
schématisation simplifiée de la chronologie de ces vitesses au
cours du soudage
Figure 8. Les outils de soudage FSW
D.2. CHOIX DES PARAMÈTRES DE SOUDAGE
Les principaux paramètres de conduite de la phase de soudage
sont :
*La vitesse d’avance de l’outil (Va)
*L’effort axial Fz appliqué sur l’outil suivant son axe de
rotation, afin de compenser la pression formée dans la zone de
soudure
*La fréquence de rotation N
*L’angle d’inclinaison de l’outil i.
Ces paramètres sont à régler selon le matériau, l’épaisseur
soudée et la géométrie de l’outil. L’ensemble conditionne
l’apport d’énergie, le flux de matière, la formation du cordon,
les propriétés mécaniques de l’assemblage et les efforts
générés [4]. Le choix de ces paramètres est donc primordial
[5]. [6].
Fréquence de
Vitesse d’avance
rotation N
Va (mm/min)
1
(tr/min)
710
50
2
710
63
Épaulement
3
1000
80
plat
4
1400
40
5
1400
80
1400
80
2000
100
710
50
1000
50
710
63
Outil
Cas
Figure 7. Représentation de la cinématique de l'outil FSW
D. ÉTUDE EXPÉRIMENTALE
Le présent travail est composé de deux parties :
Une première partie qu’est la préparation donc l’usinage des
plaques et leur soudure par le procédé de Friction Malaxage.
Ces deux opérations ont étés réalisées sur une fraiseuse
conventionnelle et de faire un soudage bout à bout avec un
banc de soudage pour un tube en PEHD
Une deuxième partie c’est l’usinage des éprouvettes de
traction à partir des plaques soudées par FSW et du tube
soudées bout à bout, les essais réalisés avec une machine de
traction spécialisée pour notre matériau.
Épaulement
concave
1
2
3
4
5
’
’
’
’
’
Inclinaison i°
Tableau.1. Les paramètres de soudage choisi
1°
D.3. LE SOUDAGE BOUT À BOUT
Paramètres de soudure pour tube PE100 Ø500mm épaisseur
45.5 mm PN16
SDR11, suivant la norme DVS 2207.
Température miroir
210°C
Pression de déplacement mesurée (Pt)
20 bars
Pression bourrelet/soudure (P1 et P4)
68.9 bars
Pression totale phases 1 et 4 (P1 + Pt) et (P4 + Pt) 88.9 bars
Figure 9. Soudure du tube PE100 Ø500mm
D.4. GÉOMÉTRIE ET PRÉPARATION DES
ÉPROUVETTES
Les essais de traction ont été réalisées sur des éprouvettes
plates du type II d’épaisseur B = 6 mm et de longueur L = 115
mm, représentées sur la figure III.6. Les dimensions et la
forme sont en accord avec la norme EN ISO 6259 [7].
Épro A
Et MPa σe Mpa σr Mpa Amax Arup
%
%
1168.6 28.16 16.71 13.94 503.62
Épro B
1203.2 25.54
16.85
12.46
588.2
Tableau.2. Propriétés mécaniques (Éprouvettes MB)
Figure 12. Courbe contrainte-déformation de toutes les éprouvettes
soudées par FSW
E.1.Commentaires :
La Figure 11. Représente Courbes contrainte-déformation
Éprouvettes MB on remarque que on a une l’imite élastique de
28 MPa avec un allongement jusqu’à 580% pour deux essaie
la Figure 12. Représente Courbe contrainte-déformation de
toutes les éprouvettes soudées par FSW en remarque que
toutes les éprouvettes coupées au niveau de la soudure après
élasticité directement on dit que le matériau devient fragile et
un allongement maximum de 6%.
Figure 10. Éprouvette plate du type II
E..RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
Figure 13. Courbe contrainte déformation (Éprouvettes B à B)
Et MPa
Figure 11. Courbes contrainte-déformation Éprouvettes MB
σe Mpa
σr Mpa
Amax % Arup %
Éprouvette A
261.31
17.55
13.1
388.1
388.1
Éprouvette B
440.17
18.55
1.2
533.2
461.2
Éprouvette C
920.14
19.92
20.15
727.36 730.02
Tableau.2. Propriétés mécaniques (Éprouvettes B à B)
La Figure 13. Représente Courbe contrainte déformation
(Éprouvettes soudées bout à bout) on remarque que on a une
limite élastique entre 17.55 et 19.92 MPa avec les zones
élastique et plastique et une allongement de 388 à 730%.
résistantes que le Matériau de Base et que toutes les ruptures
ont lieu au niveau du joint de soudure et pour l’allongement le
soudage Bout à Bout contient un bon joint de soudure et très
grande allongement jusqu'au 700% et les ruptures sont aeure
du joint de soudure
Alors on dit que que les soudage FSW ne pas fiable pour le
polytylens et la mieure méthode c’est le soudage Bout à Bout.
Bibliographie
Figure 14. Courbe contrainte-déformation de toutes les éprouvettes
soudées par FSW + éprouvettes soudées Bout à Bout + éprouvettes
en Métal de Base
F. CONCLUSION
Nos conclusions et donc notre optimisation ne se sont basées
que sur les essais de traction.
Les paramètres qui ont donnés de bonnes limites élastiques et
de bonnes résistantes sont le Cas3 et le Cas5 avec un outil plat
et le Cas3’ et le Cas5’ pour les soudages avec un outil à
épaulement concave.
Parmi tous les cas qui ont donnés des bons résultats c’est le
Cas3, à savoir une vitesse de rotation de 1000 tr/min et une
vitesse d’avance de 80 mm/min, qui est le plus intéressant.
Ce que nous avons remarqué aussi, c’est que c’est la qualité de
la soudure est bonne pour:
-Une grande vitesse de rotation et une grande vitesse d’avance
pour un outil à épaulement plat.
-Une faible vitesse de rotation et une faible vitesse d’avance
pour un outil à épaulement concave.
Nous avons fait une comparaison entre les soudures par FSW
et les soudures Bout à Bout et nous avons constaté que les
structures soudées par FSW sont plus résistantes que celles
faites par le procédé Bout à Bout mais un peu moins
[1] Stokes. VK, 1998. « Experiments on the hot-tool welding of three
dissimilar thermoplastics». Polymer 39 ,2469.
[2] Wolters M, Venema B. 1987. « Le soudage bout à bout de tubes
de Polyethylene ». Souder 4, 213.
[3] Mishran. R. A, 2007. Chapter 1 Introduction, Friction Stir Welding
and Processing, Edité par R.S. Mishra and M.W. Mahoney, ISBN-13
978-0-87170-840-3, ASM International.
[4] Nandan.R, Dedroy. T, Bhadeshia. H.K.D.H, 2008, Reecent
advances in Friction Stir Welding – Process, weldmet structure and
propertiers, Progress in Materials Science 53, 980-1023.
[5] Mishra.R.S, Ma. Z.Y, 2005. Friction stir welding and processing.
Materials Science and Engineering 50, 1-78.
[6] Balasubramanian. N, Gattu. B, Mishra. R. S, 2009, Process
forces during friction stir welding of aluminium alloys, Science and
Technology of Welding and Joining 14, 141 – 145.
[7] la norme EN ISO 6259