BULLETIN TECHNIQUE N 46. Le soudage Friction Stir Welding sur Machine-Outil à Commande Numérique. Contexte. Principe du FSW. avril 2016.

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1 BULLETIN TECHNIQUE N 46 Le soudage Friction Stir Welding sur Machine-Outil à Commande Numérique 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. avril 2016 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. Fig 1 : le FSW consiste à réaliser une liaison métallique à l état semi - solide en faisant intervenir un outil rotatif. 1/6

2 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). 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, 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). 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. La technique peut également permettre un gain de temps : au lieu de devoir déplacer la 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. 2/6

3 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, Le contrôle de force est l élément clé du procédé FSW. En effet, la pénétration de l outil dans la pièce doit être constante afin de garantir la qualité de la soudure : le FSW nécessite un positionnement 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). Nous pouvons voir sur la figure 4 l intérêt du contrôle de force : les soudures sont réalisées sur une pièce simulant un défaut de 1 mm par usinage d une pente : Lors d une soudure sans contrôle de force et avec un dénivelé positif (figure 4.1), 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. 3/6

4 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 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, 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. 4/6

5 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. Voici sept applications de FSW réalisés sur MOCN : - Cadre en aluminium, soudage FSW double passe 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 l outillage de soudage sans démontage de la pièce. 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 des matériaux dissimilaires tout en évitant la précipitation de phases intermétalliques fragiles qui limitent ce type d assemblage avec des procédés conventionnels. 5/6

6 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: laurent.dubourg@institutmaupertuis.fr BULLETIN TECHNIQUE N 46 L Institut MAUPERTUIS est un centre de ressources technologiques en productique et en mécatronique. Il accompagne les entreprises dans l innovation de leurs produits et de leurs outils de production en mettant à leur disposition compétences, méthodologies et équipements industriels : Centre d études techniques en productique et mécatronique Contour A. De St. Exupéry Campus de Ker Lann Bruz Fax contact@institutmaupertuis.fr L association s inscrit dans la politique régionale de soutien à la recherche appliquée et à l innovation. Son pilotage est assuré par des personnalités industrielles locales en partenariat avec l UIMM Bretagne et le CETIM. L association est soutenue et subventionnée par l Union Européenne (Fonds FEDER), la Région Bretagne, le Conseil Général d Ille et Vilaine et Rennes Métropole. L Europe s engage en Bretagne avec le Fonds Européen de Développement Régional. 6/6