Maîtriser la déformation lors du soudage d’aluminium épais

Les secteurs de l'aérospatiale, de la construction navale, du transport ferroviaire, des véhicules spéciaux et des équipements de grande taille ont de plus en plus besoin de structures légères alliant haute résistance, longue durée de vie et résistance à la corrosion. Les alliages d'aluminium constituent des matériaux de structure importants, car ils allient haute résistance, faible poids, bonne ductilité et bonne résistance à la corrosion.

Les recherches américaines sur l’aluminium à haute résistance ont débuté dans les années 1940. En 1956, une tôle en alliage 5083 Al-Mg-Mn durcie par déformation a fait l’objet d’une production expérimentale. Ses performances globales étant toutefois limitées dans certaines applications nécessitant une haute résistance, l'alliage 7039 Al-Zn-Mg, traitable thermiquement, a pris le relais au début des années 1960. Sa forte sensibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte le rendait cependant impropre à une exposition prolongée à l'eau de mer ou au brouillard salin. Au cours des années 1980, les États-Unis, l’ancienne Union soviétique et d’autres pays ont mis au point une nouvelle génération d’alliages à haute résistance. L’alliage Al-Cu 2519-T87, développé aux États-Unis, offre une résistance élevée, des propriétés mécaniques équilibrées, une résistance à la corrosion sous contrainte et une bonne soudabilité.

Les alliages de nouvelle génération à haute résistance, en particulier les alliages Al-Cu de la série 2xxx, offrent une résistance structurelle accrue et une meilleure résistance à la corrosion sous contrainte pour les grandes structures exposées à des environnements exigeants. Le soudage entraîne toutefois un ramollissement du joint et un faible coefficient de résistance du joint. Les grandes structures de précision exigent en outre que la déformation due à la soudure soit maintenue à un niveau inférieur à un tiers de celle produite par la soudure conventionnelle.

Défis liés aux produits et aux processus

Les principales difficultés résident dans un ramollissement important des joints et un faible coefficient de résistance ; la présence d’un film réfractaire superficiel d’Al₂O₃ dont le point de fusion est de 2 060 °C ; l’apport d’énergie élevé requis par un matériau épais et à haute résistance ; la sensibilité aux fissures à chaud et aux pores ; ainsi que la déformation causée par une conductivité thermique élevée et un coefficient de dilatation linéaire important. La déformation devient particulièrement difficile à maîtriser au-delà de 20 mm d’épaisseur ; les mesures mises en œuvre doivent donc être techniquement fiables et adaptées à la production en atelier.

Mesures de maîtrise de la déformation

1. Sélectionnez le procédé de soudage

Une plaque d'aluminium épaisse conduit rapidement la chaleur et favorise un procédé à forte densité de puissance. Des essais portant sur le soudage MIG à un ou deux fils, le soudage par faisceau d'électrons, le soudage par friction-malaxage et le soudage hybride laser-MIG ont permis d'identifier le soudage à deux fils comme le procédé de production retenu.

Le procédé MIG à fil unique utilisait des impulsions composites à basse fréquence. Les vibrations du bain de fusion ont intensifié l'agitation, favorisé la nucléation hétérogène pendant la solidification, affiné la structure de la soudure et amélioré la résistance et la ductilité grâce à l'agitation électromagnétique. L'assemblage a atteint, voire dépassé, la résistance à la traction visée. Les essais ont permis de déterminer une combinaison optimale entre la vitesse d'avance, le courant et l'impulsion modulée à basse fréquence.

Le soudage à double fil à grande vitesse a permis d'obtenir un assemblage à haute résistance. La comparaison entre le soudage MIG à double fil à courant élevé en deux passes et celui à courant faible en quatre passes a conduit à définir des paramètres de soudage à courant élevé en plusieurs passes combinant les avantages des deux méthodes. La résistance à la traction de l'assemblage était de 296 MPa, soit celle du métal de base 62%, et la ténacité à la choc était de 13 J/cm², soit celle du métal de base 42%.

Trois méthodes ont été comparées : le soudage classique avec une rainure en Y, le soudage avec une rainure en X et le soudage par vibration avec une rainure en X. La rainure en X a permis de réduire la déformation à un cinquième de celle obtenue avec la méthode classique, tandis que le soudage par vibration l'a réduite encore davantage.

2. Calculer et optimiser la séquence de soudage

Pour une grande structure comportant de nombreux joints, numérotez chaque soudure et définissez une séquence initiale en fonction des caractéristiques structurelles. Une structure comportant 16 soudures principales, par exemple, utilisait initialement les numéros 1, 3, 4, 2, 5, 6, 7, …, 16. L'analyse par éléments finis permet de comparer les séquences candidates et d'identifier celle qui présente la plus faible déformation et la répartition des contraintes la plus favorable.

Il convient tout d'abord d'analyser la séquence de passes au sein d'un cordon de soudure à passes multiples, car celle-ci influe à la fois sur l'amplitude et sur la répartition des contraintes résiduelles. La mise en place d'une séquence de passes à faibles contraintes avant le soudage en atelier permet de limiter les contraintes résiduelles finales.

Il convient ensuite d'optimiser l'ordre global des soudures. Le fait de modifier la séquence d'ouverture, en passant de 1, 3, 4, 2 à 1, 3, 2, 4, a considérablement modifié la répartition des contraintes. La deuxième séquence a permis de réduire la zone soumise à des contraintes supérieures à 300 MPa, ce qui peut améliorer la résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte.

3. Utiliser le détensionnement par vibrations pour stabiliser les contraintes et les dimensions

La contrainte dynamique est un paramètre clé dans le processus de relaxation des contraintes par vibration. L'excitateur applique une contrainte dynamique correspondant à une charge cyclique alternée. Lorsque cette contrainte se combine à la contrainte résiduelle d'origine et provoque une déformation plastique locale ou globale, la contrainte résiduelle peut se relâcher, devenir plus uniforme et diminuer, tandis que la matrice métallique devient plus résistante à la déformation.

Les critères généraux sont σ_dynamique + σ_résiduel ≥ σ_s, où σ_s est la limite d'élasticité nécessaire pour que la déformation plastique se propage et entraîne une déformation macroscopique ; σ_dynamique/σ_résiduel = 0,1–0,3 ; et l'amplitude de la contrainte dynamique doit atteindre entre un tiers et deux tiers de la contrainte de service du composant. Dans une plage appropriée, une contrainte dynamique plus élevée génère davantage de déformation et permet de soulager la contrainte plus efficacement. Une contrainte dynamique excessive peut endommager la pièce ou réduire sa durée de vie en fatigue.

Les essais ont été réalisés à l'aide d'un appareil de détente vibratoire WZ-86A fabriqué par la société Hailun Vibratory Stress Relief Equipment Co., Ltd. Ce procédé a permis de maintenir les contraintes résiduelles de soudure à un niveau inférieur à 0,3σ._s.

Ces essais ont permis de définir et de mettre en œuvre les paramètres de détensionnement par vibrations spécifiques à chaque produit.

Résultat du contrôle

Un procédé de soudage adapté à la production, des essais comparatifs portant sur les formes de rainures, les paramètres et les séquences, ainsi qu’un traitement de détente par vibration ont permis de réduire les contraintes résiduelles et la déformation sans compromettre les performances mécaniques ni la résistance à la corrosion. Le procédé optimisé a permis de limiter la déformation à un tiers de celle observée avec le soudage conventionnel, répondant ainsi aux exigences de conception et de fabrication des grandes structures à haute résistance.

Outre l'aérospatiale, la construction navale, le transport ferroviaire et les machines de grande taille, cette méthode peut également être utilisée pour certains véhicules spéciaux, des structures de protection légères et d'autres composants en aluminium à haute résistance.