Le Friction Stir Welding (FSW) des alliages d’aluminium de fonderie

FSW des alliages d'aluminium de fonderie- Institut Maupertuis

Le Friction Stir Welding (FSW) est une nouvelle technologie de soudage qui permet en particulier d’assembler des pièces en alliage d’aluminium de fonderie, même en présence de porosités internes ou de faire des assemblages de multi-matériaux (aluminium/cuivre, aluminium/acier, …). Nous en détaillerons le principe, les avantages, des exemples d’application et enfin l’évolution de la technologie depuis 1995, année de son invention.

Des procédés de soudage conventionnels limités par les gaz occlus dans les pièces

Les pièces de fonderie en aluminium ne sont pas (ou difficilement) soudables avec les procédés conventionnels. En effet, le gaz occlus durant le remplissage du matériau est libéré durant la soudure et forme des porosités dans le cordon, voire expulse le bain liquide créant des cratères. Ce phénomène entraîne des défauts d’étanchéité pour des pièces soumises à pression (eau, gaz ou vide), des pertes de propriétés mécaniques de l’assemblage et enfin des défauts de type cratères non acceptables dans la plupart des assemblages. En raison de cette problématique, la soudure est peu utilisée pour l’assemblage des pièces de fonderie, voire interdite dans le cas de la fonderie sous pression. Le FSW (Friction Stir Welding) permet le soudage de pièces moulées en aluminium, même en fonderie sous pression, car la soudure est réalisée à l’état pâteux et ne provoque donc pas de défauts dans le cordon de soudure.

Le principe du FSW

Outil de FSW des pièces en alliage d'aluminium

Outil de FSW des pièces en alliage d’aluminium

En Friction Stir Welding, il n’y a pas de métal d’apport – comme dans d’autres procédés de soudage – et on utilise un outil composé d’un épaulement pour chauffer la matière par friction et d’un pion pour malaxer les pièces. Ensuite, les pièces sont bridées soit bord à bord, soit par recouvrement. Puis l’outil est mis en rotation (vitesse de 400 à 1800 tr/min) et plonge verticalement dans la matière. Après une phase de stabilisation de la température, l’outil se déplace le long des pièces (vitesse constante de 200 à 3000 mm/min en fonction de la nature et de l’épaisseur des pièces).

Outil en rotation en déplacement dans la matière

Outil en rotation en déplacement dans la matière

Lors du déplacement, un effort piloté (3 kN à 18 kN) est appliqué sur l’outil de FSW. La chaleur produite par le frottement rend le matériau pâteux et l’outil malaxe les pièces entre elles de proche en proche. Ce soudage est donc réalisé à l’état pâteux sans passage à l’état liquide. Enfin, à la fin de la soudure, l’outil remonte verticalement laissant un trou. Ce trou est souvent vu comme un défaut mais de nombreuses solutions existent pour pallier ce problème.

Des exemples d’application

Extérieur du boitier electronique en aluminium avec ailettes

Extérieur du boitier électronique en aluminium avec ailettes soudées par FSW

Plusieurs constructeurs automobiles ont adopté le Friction Stir Welding pour optimiser les gains de masse sans altérer les caractéristiques mécaniques. Ainsi, on utilise déjà le FSW pour les jantes alliage, les parties moteurs, les bacs de batterie et les échangeurs. Sur un boîtier électronique, les ailettes de refroidissement sont ainsi soudées en FSW pour assurer la conductivité thermique.

 

Les pièces moulées en aluminium et ainsi assemblées sont moins chères en éliminant l’assemblage mécanique classique ou permettant la réduction du nombre de moules, plus légères en créant des vides dans les pièces moulées, plus résistantes car permettant le soudage d’aluminium à hautes résistances sur des alliages conventionnels, avec des formes plus complexes non réalisables par moulage en rajoutant des fonctions sur une pièce non démoulable, parfaitement étanche à l’eau, l’acide, à l’air, au vide car la soudure du matériau est réalisée sans passer par sa fusion et enfin parfaitement conductrices thermiquement ou électriquement en obtenant une liaison métallurgique entre les pièces.

Le soudage de fils électriques de cuivre

Remplacement du sertissage de pièces en cuivre par le FSW (en bas)

Remplacement du sertissage de pièces en cuivre par le FSW (en bas)

Par exemple, dans le secteur de l’énergie, le Friction Stir Welding remplace le soudage par résistance ou le sertissage de fils de cuivre en améliorant la qualité de la jonction et en réduisant le coût de fabrication (plus d’usure d’électrodes dans le cas de la soudure et plus d’écrous et de taraudage dans le cas d’un sertissage mécanique).

Des assemblages multi-matériaux avec le Friction Stir Welding

FSW - assemblage multimatériaux - cuivre et aluminium

FSW – assemblage multi matériaux – cuivre et aluminium

Le FSW offre la possibilité aussi de réaliser des assemblages de multi matériaux. Le FSW permet par exemple de limiter l’utilisation du cuivre en le remplaçant par un assemblage aluminium/cuivre soudé par FSW. Par ce type d’assemblage, une jonction métallurgique est créée entre le cuivre et l’aluminium limitant fortement la résistivité électrique ou thermique (absence de pont thermique).

FSW - assemblage multimatériaux - acier S235 avec aluminium AA5754

FSW – assemblage multi matériaux – acier S235 avec aluminium AA5754

Une telle soudure est impossible avec les procédés traditionnels par fusion (TIG, MIG, laser, FE) car le passage à l’état liquide crée une zone de phases intermétalliques très fragiles à la jonction. De même, il est possible de souder de l’aluminium avec de l’acier. Par rapport à un assemblage classique par vissage/rivetage, le FSW permet de réduire les coûts, augmenter la résistance mécanique et enfin obtenir une jonction étanche sans mastic ou joint.

Les avantages du soudage FSW

Zones de pièces en aluminium soudées par FSW

Zones de pièces en aluminium soudées par FSW

Par rapport aux technologies de soudure ou d’assemblage concurrents, les avantages apportés par le FSW sont nombreux. Au niveau économique, on peut ainsi citer la limitation des contrôles post soudage, l’absence de consommable (gaz, …) ou d’apport de matière (baguette de soudure), l’absence de préparation de surface spécifique, la possibilité de réaliser le soudage sur un centre d’usinage (limitant l’investissement en machine spéciale) et enfin la location possible de la tête FSW (pour limiter le CAPEX).

Au niveau technique, on peut mentionner la possibilité de soudage de toutes les nuances d’aluminium (1xxx, 2xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx), une résistance mécanique proche du matériau de base, le soudage simple des aluminiums de fonderie (famille Al-Si), la soudure étanche à l’eau, à l’acide, à l’air ou encore l’excellente conduction thermique et électrique. Le FSW répond également à la pénurie de soudeurs qualifiés.

Soudure par FSW - déplacement de l'outil

Soudure par FSW – déplacement de l’outil

De plus, la soudure est invisible face envers et nécessite pas ou peu de reprise face endroit. La soudure « froide » du FSW induit également des déformations minimales des pièces soudées et une absence de projections et de fumées. Le FSW peut ainsi s’envisager en remplacement du brasage, du soudage TIG, MIG ou FE. Enfin, le FSW s’est démocratisé dans l’aéronautique, l’automobile, le spatial, le ferroviaire ou le naval et dispose d’une norme de soudage existante : l’ISO 25239.

Les évolutions techniques du FSW

Friction stir welding par bras robotisé

Friction stir welding par bras robotisé

En 1995, une nouvelle technique de soudage est inventée par The Welding Institute (TWI) : le Friction Stir Welding (FSW) ou soudage par friction malaxage. Début 2015 (20 ans plus tard), le brevet du TWI  tombe dans le domaine public, ouvrant de grandes perspectives de développement pour la technologie FSW. Depuis 1995, le FSW est resté une technologie réservée aux applications à forte valeur ajoutée impliquant des équipements onéreux (machines spéciales). Puis à partir de 2005 – avec l’arrivée des robots industriels fortes charges –  un bras robot a pu être utilisé. Cette solution est moins chère qu’une machine spéciale et permet la soudure de grandes formes complexes en 3D.

Machine à commande numérique traditionnelle pour le FSW

Machine à commande numérique traditionnelle pour le FSW

Enfin, à partir de 2015, il devient possible de souder par FSW à partir de Machines-Outils à Commande Numérique (MOCN) existantes en rajoutant une tête spéciale. Cet équipement permet de baisser drastiquement le coût d’investissement d’une machine FSW tout en proposant des performances identiques à une machine spéciale FSW. Les entreprises peuvent ainsi optimiser leur parc machine et proposer à leurs clients cette nouvelle technologie de soudage.

Montage et démontage de la tête FSW sur MOCN traditionnelle

Montage et démontage de la tête FSW sur MOCN traditionnelle

Après la première installation, l’utilisateur peut monter et démonter la tête FSW en quelques minutes passant aisément de l’usinage au soudage par FSW et inversement.

Nous remercions l’Institut Maupertuis (Rennes), partenaire de CTIF sur plusieurs projets de R&D, pour cet article sur le FSW.

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