Soudage par friction-malaxage: Un processus d'assemblage des métaux à l'état solide

 Cet article explique comment il fonctionne, pourquoi il est préférable au soudage par fusion, ses principaux domaines d'utilisation tels que l'automobile, l'aérospatiale, une brève mise à jour sur les développements modernes du soudage par friction et divers procédés dérivés tels que le soudage par points par friction-malaxage. Il vise à couvrir toutes les informations essentielles sur cet important procédé d'assemblage des métaux.

Soudage par friction-malaxage : Un procédé d'assemblage des métaux à l'état solide

Table des matières

Introduction

Principes du soudage par friction-malaxage

Avantages du soudage par friction-malaxage

Conception de l'outil et paramètres du processus

Applications du soudage par friction-malaxage

Défis de l'assemblage des métaux et dernières avancées

Dérivés innovants du soudage par friction-malaxage

Développements futurs dans le domaine du soudage par friction-malaxage

Conclusion

FAQ

Le soudage par friction-malaxage (FSW) est un nouveau procédé d'assemblage à l'état solide inventé en 1991 au Welding Institute, au Royaume-Uni. Depuis sa création, il a considérablement transformé un grand nombre de secteurs de l'industrie métallurgique qui utilisent des techniques d'assemblage des métaux autres que les procédés d'assemblage par fusion. Dans le procédé FSW, un outil rotatif non consommable est utilisé pour générer une chaleur de friction inférieure au point de fusion des matériaux à assembler. Les métaux sont ainsi chauffés et ramollis, ce qui permet de les forger ensemble et d'obtenir des assemblages de haute qualité et sans défaut.

En raison de l'absence de problèmes tels que la fissuration par solidification et la porosité, le FSW produit des soudures plus solides et plus cohérentes que les alternatives de fusion. Son utilisation ne se limite pas aux alliages d'aluminium de l'aérospatiale, mais elle est également utilisée dans l'automobile, la marine, les chemins de fer, etc. Cet article aborde les principes du soudage par friction-malaxage, ses avantages, ses applications et les nouveaux développements dans le domaine du soudage par friction-malaxage. Cet article couvre tous les aspects de cet important procédé d'assemblage des métaux.

Principe de fonctionnement

Le FSW est un nouveau procédé d'assemblage de matériaux avec un apport de chaleur moindre et sans faire fondre le matériau de base. Au cours de ce processus, une électrode non condusive chauffée électriquement, dotée d'une tige de forme cylindrique et d'un épaulement cylindrique, est placée sur deux surfaces adjacentes des éléments en butée et déplacée d'une extrémité à l'autre du joint de travail.

Générer de la chaleur par frottement

Lorsque la broche de l'outil FSW tourne et se déplace dans le matériau, une chaleur de friction est générée entre les surfaces de l'épaulement et de la broche en contact avec les pièces à usiner. Cette chaleur ramollit les matériaux des pièces à usiner sans qu'ils n'atteignent leur point de fusion. La broche mélange alors mécaniquement les matériaux ramollis en brisant la structure de liaison d'origine et en les forgeant ensemble.

Formation d'une soudure uniforme

Derrière la goupille, le matériau se refroidit et se recristallise rapidement, ce qui crée une liaison à l'état solide entre les deux pièces d'origine. Il en résulte une pépite de soudure uniforme dépourvue de tout défaut lié à la fusion ou à la solidification que l'on observe généralement dans le cas des soudures à l'arc. le soudage par fusion.

Avantages par rapport au soudage conventionnel

Excellentes propriétés mécaniques

L'absence de défauts liés à la fusion et à la solidification confère aux soudures FSW d'excellentes propriétés mécaniques, équivalentes ou supérieures à celles du matériau de base à l'état soudé lui-même.

Amélioration de la sécurité

Par rapport aux procédés de soudage par fusion tels que le soudage à l'arc gaz-métal, le FSW ne génère pas de fumées, d'éclaboussures ou de rayonnements ultraviolets. Il s'agit donc d'un procédé de soudage plus sûr.

Aucun produit de remplissage n'est nécessaire

Le FSW étant un procédé à l'état solide, il ne nécessite aucun matériau d'apport tel qu'un fil ou un flux, ce qui simplifie le processus.

Automatisation facile

La nature séquentielle automatisée du FSW se prête très bien aux applications robotisées et automatisées dans la fabrication de grands volumes dans diverses industries.

Fonctionne dans toutes les positions

Contrairement à certains procédés de soudage par fusion, le FSW peut être utilisé avec la même efficacité sur des matériaux placés à plat, à l'horizontale, à la verticale ou au-dessus de la tête.

Bon aspect de la soudure

En général, les soudures par friction-malaxage ont un aspect plat et uniforme avec une distorsion minimale par rapport aux soudures par fusion.

Conception de l'outil et paramètres du processus

Importance de la conception des outils

La conception de l'outil joue un rôle essentiel dans la détermination de la profondeur de pénétration, des caractéristiques de production de chaleur et, en fin de compte, de la qualité de la soudure. Les outils de conception avancée permettent d'obtenir des profondeurs plus importantes et des soudures de sections plus épaisses.

Variations de la géométrie des outils

Les outils peuvent varier le profil du palpeur ou de la broche (les profils vont de formes cylindriques simples à des broches filetées ou étagées), le diamètre de l'épaulement et les caractéristiques afin d'influencer le flux de matière.

Effets des paramètres du processus

Les paramètres du processus, tels que la vitesse de rotation et de déplacement de l'outil, la profondeur de plongée, etc. ont un impact significatif sur la production de chaleur et le flux de matériau pendant le soudage. Il est préférable de produire moins d'énergie et de couple à des vitesses lentes pour les sections plus épaisses afin de pénétrer en profondeur, tandis qu'une vitesse élevée est applicable pour les matériaux de faible épaisseur. Cependant, le soudage par friction-malaxage est l'une des techniques d'assemblage à l'état solide les plus prometteuses, qui présente plusieurs avantages par rapport à d'autres procédés de soudage par fusion pour différentes industries... Les progrès constants dans la conception des outils et les paramètres des procédés améliorent encore ses capacités.

Applications du soudage par friction-malaxage

Composites à matrice métallique

Assemblage des composites à matrice d'aluminium

Le procédé Fsw a été utilisé avec succès pour souder des composites à matrice métallique (MMC) renforcés par des particules de céramique dure comme le carbure de silicium (SiC) et le carbure de bore (B4C). La méthode permet d'obtenir des joints sains dans des matrices d'aluminium renforcées par des particules de SiC et de B4C avec des caractéristiques mécaniques comparables ou supérieures à celles des métaux de base.

Microstructure et résistance améliorées

MXY Les joints produits par FSW présentent une distribution plus fine et plus uniforme des renforts dans le grain de soudure par rapport aux techniques de soudage par fusion. Cela se traduit par une plus grande résistance des joints, proche de celle du composite de base. L'absence de défauts de liquéfaction et de resolidification dans le procédé FSW permet d'éviter les problèmes de fissuration et de porosité souvent observés dans les soudures par fusion des MMC.

Industries automobile et aérospatiale

Panneaux d'ailes et de fuselage d'aéronefs

Les principaux constructeurs aéronautiques utilisent largement le traitement par soudage pour assembler les panneaux en alliage d'aluminium des ailes, des fuselages et des empennages. Embraer utilise cette technique pour fabriquer les revêtements d'ailes et les longerons de ses E-Jets. Boeing utilise le FSW sur les panneaux du 747-8 en réalisant plus de 33 kilomètres de soudures.

Pièces de carrosserie et de châssis

Les composants automobiles structurels tels que les capots, les portes, les panneaux de carrosserie arrière et les liaisons de suspension sont assemblés par FSW par les principaux fabricants. Mazda utilise ce procédé sur de nombreux modèles, dont son gros camion Bongo. Ford utilise le procédé FSW sur les carrosseries en aluminium du pick-up F-150 et du SUV Expedition.

Marine et transports

Construction navale et navires

Le constructeur naval italien Fincantieri construit les superstructures, les ponts et les cloisons des ferries et des navires de croisière entièrement à partir de plaques d'aluminium soudées par friction-malaxage. Dockwise utilise des soudures bout à bout par friction-malaxage pour assembler les manchons des pontons des navires de transport lourd.

Métro et trains à grande vitesse

Les rames de métro de villes comme Delhi, Mumbai et Sydney sont dotées de panneaux de carrosserie et de soubassements en aluminium soudés par friction-malaxage. Les trains à grande vitesse japonais Shinkansen ont des pièces structurelles et un revêtement extérieur en alliages d'aluminium soudés par friction-malaxage.

En résumé, le soudage par friction-malaxage permet d'assembler efficacement et sans défaut divers métaux et alliages dans des secteurs aussi variés que l'aérospatiale, l'automobile, la marine, les transports et l'électronique. Ses applications continuent de s'étendre à de nouveaux domaines grâce à l'évolution constante des procédés.

Défis de l'assemblage des métaux et dernières avancées

Matériaux difficiles à souder

Les techniques de soudage par friction-malaxage sont explorées pour assembler des matériaux traditionnellement considérés comme difficiles à souder.

Assemblage des aciers et des alliages de titane

Des recherches considérables ont été menées sur la faisabilité du soudage par fusion pour assembler des aciers à haute résistance et des alliages de titane qui sont difficiles à souder par fusion en raison de la fissuration. Des études préliminaires montrent qu'il est possible d'obtenir des résistances souhaitables dans des soudures dissemblables acier-aluminium et titane-aluminium.

Joints en métal dissemblable

Le FSW est également étudié pour assembler des combinaisons dissemblables telles que l'aluminium au cuivre, au magnésium et aux plastiques renforcés de fibres de carbone. Des soudures réussies entre l'alliage de zirconium et l'acier démontrent la polyvalence du procédé à l'état solide.

Études d'optimisation des procédés

Amélioration de la conception des outils

Les conceptions d'outils avec filetage, ventilation et caractéristiques d'épaulement avancées sont étudiées pour améliorer la pénétration du joint, le flux de chaleur et le mélange des matériaux. Les goupilles profilées permettent de réduire les défauts dans les soudures de sections épaisses.

Optimisation des paramètres

La recherche optimise les paramètres interdépendants tels que la force de plongée, la vitesse de rotation, la vitesse de déplacement et la géométrie de l'outil. Des modèles thermiques couplés à des expériences permettent de mieux comprendre la prévention des défauts.

Évolution de la microstructure

Les études examinent les facteurs régissant la taille et la structure des grains dans la zone d'agitation. L'adaptation de la vitesse de refroidissement et des caractéristiques de l'outil permet d'affiner la microstructure et les propriétés mécaniques de combinaisons d'alliages difficiles.

Produits dérivés innovants

Soudage par points par friction-malaxage

Ce développement permet l'assemblage par points d'assemblages de tôles. Il trouve des applications dans les fermetures et les panneaux de carrosserie des automobiles et présente des avantages par rapport au soudage par points par résistance.

Traitement par friction-malaxage

Cette technique modifie les propriétés des matériaux par une action d'agitation soigneusement contrôlée. Les applications comprennent l'amélioration des propriétés des composites à matrice métallique et la fabrication de nanostructures à gradient.

Friction Hydro-Pillar Processing

Un hybride de FSW et d'extrusion élargit les possibilités de fabrication de composants tubulaires et creux à partir de matériaux tels que l'aluminium, le titane et l'acier inoxydable.

Les progrès continus étendent les applications du soudage par friction-malaxage à de nouvelles frontières en matière de matériaux, de conceptions et de fabrication en grandes quantités dans tous les secteurs d'activité.

Conclusion

En conclusion, le soudage par friction-malaxage a révolutionné l'assemblage des métaux depuis son invention en 1991. Développée à l'origine comme alternative au soudage par fusion des alliages d'aluminium, elle est aujourd'hui une technologie mature utilisée dans diverses industries pour des applications qui étaient auparavant considérées comme difficiles avec les techniques conventionnelles. Les avantages uniques du soudage par friction-malaxage, tels que ses excellentes propriétés mécaniques, la réduction des défauts, la sécurité, la capacité d'automatisation et la possibilité d'assembler une large gamme d'alliages métalliques, en ont fait une méthode de fabrication privilégiée. La recherche continue visant à comprendre le comportement de l'écoulement des matériaux, à optimiser les paramètres du processus et à concevoir des outils avancés améliore encore le champ d'application et la productivité du soudage par friction-malaxage. Des dérivés innovants tels que le soudage par points et le traitement par friction-malaxage élargissent également son potentiel d'application à de nouveaux domaines de fabrication. Grâce aux efforts de développement continus, le soudage par friction-malaxage et ses variantes continueront probablement à perturber les approches de fabrication traditionnelles et permettront à l'avenir la fabrication de combinaisons d'alliages avancés et de conceptions de composants dans toutes les industries.

FAQ

Quels sont les principaux avantages du FSW par rapport au soudage par fusion ?

Il produit des soudures plus solides et de meilleure qualité, sans défauts tels que la porosité ou la fissuration. Il est également plus sûr, plus automatisé, fonctionne dans toutes les positions et provoque moins de distorsions.

Le procédé FSW est-il limité à l'assemblage de tôles plates ou de plaques ?

Non, les progrès permettent le soudage par étincelage de formes complexes en 3D, de composants tubulaires ou creux et de combinaisons de matériaux différents ou multiples. Les outils de soudage par points permettent l'assemblage de panneaux.

Quels sont les facteurs qui influencent la qualité des soudures ?

Les principaux facteurs sont la conception de l'outil (profil de la broche/épaule), les vitesses de rotation et de déplacement, la profondeur de plongée et la force de la broche adaptée au matériau et à l'épaisseur. La chaleur, le flux de matière et la résistance du joint sont optimisés.

D'autres techniques d'assemblage peuvent-elles remplacer le FSW ?

Pour de nombreuses applications, aucune autre solution n'offre le même degré de cohérence et d'intégrité mécanique. Toutefois, certaines fixations spécialisées peuvent être utilisées lorsque l'accès à l'outil FSW est limité.