Pourquoi les alliages d'aluminium sont-ils difficiles à souder ?

La soudabilité est la mesure combinée de la résistance d'un matériau à la fissuration, de la sécurité de la structure soudée et de la rentabilité des applications prévues pour le produit. Un matériau est considéré comme soudable lorsque ses propriétés chimiques, métallurgiques et physiques sont adaptées au procédé de soudage et que l'assemblage répond aux critères de résistance requis.

L'aluminium et ses alliages présentant des propriétés physico-chimiques particulières, leur soudage pose les difficultés suivantes.

1. Oxydation rapide

L'aluminium s'oxyde facilement à l'air et pendant le soudage. L'oxyde d'aluminium (Al₂O₃) ainsi formé est stable et difficile à éliminer. Son point de fusion est d'environ 2 500 °C, ce qui est bien supérieur au point de fusion des alliages d'aluminium, qui est d'environ 660 °C. Lors du soudage, le film d’oxyde empêche la fusion du métal de base. Comme sa densité est environ 1,4 fois supérieure à celle de l’aluminium, il ne remonte pas facilement à la surface du bain de fusion et peut entraîner une fusion incomplète ainsi que la formation d’inclusions de scories. Il absorbe également l’humidité, ce qui peut provoquer une porosité de la soudure.

Avant le soudage, il faut donc éliminer la couche d'oxyde par un nettoyage de surface rigoureux, qu'il soit chimique ou mécanique, et empêcher toute nouvelle oxydation pendant le soudage.

2. Sensibilité à la porosité

Parmi les gaz susceptibles de former des pores, on peut citer l'hydrogène, le monoxyde de carbone et l'azote. L'azote est insoluble dans l'aluminium liquide, tandis que les alliages d'aluminium ne contiennent pas de carbone susceptible de générer des pores de monoxyde de carbone. L'hydrogène est donc le gaz responsable de la formation de pores qui pose problème. Sa solubilité est de 7 ml/kg dans l’aluminium liquide, mais ne dépasse pas 0,4 ml/kg à la température de solidification de 660 °C. Une grande partie de l’hydrogène initialement dissous dans le métal liquide précipite et forme des bulles au fur et à mesure que la soudure se solidifie. L’aluminium pur et les alliages d’aluminium résistants à la corrosion y sont particulièrement sensibles.

La pénétration d'hydrogène dans le métal de base et le métal d'apport doit être limitée, et il convient d'utiliser un gaz de protection de haute pureté. Les oxydes, l'humidité et l'huile doivent être soigneusement éliminés des pièces à souder, du fil et des électrodes avant le soudage. Les interruptions doivent être réduites au minimum. Il est recommandé d’utiliser des paramètres de soudage puissants : le soudage TIG utilise un courant élevé avec une vitesse d’avance relativement élevée, tandis que le soudage MIG utilise un courant élevé avec une vitesse d’avance plus faible afin de maintenir le bain de fusion liquide plus longtemps et de permettre à l’hydrogène de s’échapper de la solution solide sursaturée.

3. Risque de perçage

L'aluminium ne présente aucun changement de couleur notable lors de son passage de l'état solide à l'état liquide, ce qui rend difficile l'évaluation de la température du bain de fusion. Sa résistance mécanique diminue également avec la température et n'atteint que 10 MPa à 370 °C. Le matériau peut donc ne pas être en mesure de supporter le métal en fusion, ce qui peut entraîner une mauvaise forme du cordon de soudure, un effondrement ou une perforation.

On utilise généralement une barre d'appui. Il faut également contrôler soigneusement la température ; il convient de privilégier le soudage à plat dans la mesure du possible, et l'arc doit être amorcé et éteint sur les languettes d'entrée et de sortie.

4. Tendance à la fissuration à chaud

Le coefficient de dilatation linéaire de l'aluminium est près de deux fois supérieur à celui de l'acier, et son retrait de solidification est également environ deux fois plus élevé, ce qui génère des contraintes de soudage importantes. La composition de l'alliage joue également un rôle majeur : les impuretés dépassant les limites spécifiées entraînent la formation, dans le bain de fusion, d'une plus grande quantité de constituants eutectiques à bas point de fusion. Ces effets combinés favorisent la formation de fissures à chaud.

Des fissures apparaissent généralement au niveau des points d'amorçage et d'arrêt de l'arc, lors d'interruptions soudaines de l'arc, ainsi qu'au niveau des soudures de point et des soudures de réparation. Pour les prévenir, il faut donc réduire les contraintes de soudage, ajuster la composition du métal soudé, améliorer les conditions de solidification du bain de fusion, adopter un procédé adapté et contrôler les paramètres.

5. Résistance des assemblages inférieure à celle des métaux communs

La chaleur dégagée par le soudage ramollit la zone affectée thermiquement, ce qui réduit la résistance et altère les propriétés mécaniques. Par conséquent, la résistance du joint peut ne pas être équivalente à celle du métal de base. Pour obtenir un joint bout à bout de résistance équivalente, il faut augmenter l'épaisseur du métal dans la zone de soudure.

6. Diminution de la résistance à la corrosion après soudage

Les assemblages réalisés dans des alliages d’aluminium traitables thermiquement, tels que le duralumin, peuvent perdre une grande partie de leur résistance à la corrosion. Une plus grande hétérogénéité microstructurale entraîne une réduction d'autant plus importante. La pureté et la densité du métal d'apport jouent également un rôle : la présence d'impuretés en abondance, de grains grossiers et la précipitation de phases fragiles telles que le FeAl₃ réduisent considérablement la résistance à la corrosion et peuvent provoquer à la fois une attaque superficielle localisée et une corrosion intergranulaire. Les contraintes de soudage constituent un autre facteur important.

La résistance à la corrosion peut être améliorée par :

1. Réduire les hétérogénéités de composition et de microstructure en alliageant la soudure à l'aide de matériaux d'apport adaptés, en affinant le grain, en prévenant les défauts, en ajustant le procédé pour limiter la zone affectée thermiquement et la surchauffe, et en appliquant un traitement thermique après soudage.
2. Élimination des contraintes de soudage ; les contraintes de traction superficielles localisées peuvent, par exemple, être réduites par un martelage localisé.
3. Application de traitements de protection tels que l'anodisation ou les revêtements.