Comment choisir son outil de soudage par friction malaxage ?
En raison de sa complexité, bien choisir son outil de soudage par friction malaxage n’est pas une tâche aisée. Au vu des enjeux dans le secteur de la soudure, son choix reste néanmoins déterminant afin de garantir la qualité des soudures…
Le soudage par friction malaxage, ou friction stir welding (FSW) en anglais, est une technique innovante développée dans les années 1990. Contrairement aux méthodes traditionnelles qui utilisent la fusion des métaux, il s’agit d’un processus de soudage à l’état solide.
En raison de ses nombreux avantages et hautes performances, le soudage FSW est utilisé pour de nombreuses applications. Ce procédé est aujourd’hui au cœur d’industries de pointe telles que l’aérospatial, le ferroviaire, la construction navale ou encore l’e-mobilité !
Mais qu’est-ce qu’un outil de soudage par friction malaxage concrètement ? Comment fonctionne-t-il ? Pourquoi et comment bien choisir son outil FSW ? Dans cet article, TRA-C industrie vous aide à prendre les bonnes décisions pour vos opérations de soudure.
Quelles sont les composantes d’un outil de soudage par friction malaxage ?
L’outil de soudage par friction malaxage est l’un des éléments clés pour réussir ses applications de soudure par FSW. Les nombreux essais menés et les retours des utilisateurs ont ainsi permis de déterminer la meilleure configuration géométrique possible.
Dans tous les cas, les outils FSW sont toujours composés de 2 éléments principaux :
- L’épaulement : en contact permanent avec la surface des pièces à souder, il génère une grande partie de la chaleur par friction. De forme cylindrique ou conique, cette partie de l’outil précède le pion et exerce une pression constante, la force de forgeage, afin d’échauffer et de ramollir les matériaux. De plus, ses spirales entraînent la matière vers le centre, ce qui l’empêche de sortir de la zone de soudure. Il s’ensuit une amélioration de l’état de surface et de la qualité de la soudure, une plus grande tolérance au décalage du joint de soudure et une réduction des bavures.
- Le pion : placée à l’extrémité de l’outil, cette pointe filetée pénètre la matière ramollie et tourne à grande vitesse pour la mélanger par effet de cisaillement. C’est ce qu’on appelle le malaxage. Avec ses cannelures et sa forme conique, il complète également l’échauffement grâce aux déformations plastiques engendrées. Il facilite ainsi le mélange des matériaux, ce qui permet de souder les pièces entre elles.
Comment fonctionne un outil FSW en pratique ?
Partie centrale d’une machine FSW, l’outil de soudage par friction malaxage fonctionne en 4 étapes clés au cours de l’assemblage :
- Pénétration: après le bridage des pièces, étape essentielle pour maintenir les pièces à souder, l’outil FSW entre tout d’abord en rotation et est inséré à l’interface des composants ;
- Préchauffage: cette phase d’attente échauffe ensuite la matière localement qui entre dans un état pâteux et permet une montée en température de l’outil ;
- Soudage: l’outil se déplace alors le long du cordon de soudure pour réaliser le brassage des pièces et former une liaison mécanique ;
- Retrait de l’outil: en bout de pièce enfin, l’outil remonte et laisse un trou de sortie. Lors du refroidissement, le matériau se recristallise, ce qui forme la soudure.
Pourquoi faut-il choisir un outil de soudage par friction malaxage de qualité ?
Choisir un outil de soudage par friction malaxage de qualité est essentiel car sa performance a un impact direct sur la finition, la résistance et l’intégrité de la soudure. Mais aussi sur la durabilité de l’outil :
- Résistance à l’usure : les outils FSW sont soumis à des conditions extrêmes, avec des vitesses de rotation élevées et des forces de pression importantes. Un outil de qualité est conçu pour résister à ces contraintes, ce qui prolonge sa durée de vie ;
- Géométrie de l’outil : la forme du pion et de l’épaulement contribue à la résistance mécanique de la soudure. Une géométrie précise permet donc de réduire les défauts de soudure et les besoins de reprise ;
- Matériaux adaptés : l’outil de soudage par friction malaxage est fabriqué à partir d’aciers spéciaux, de carbures ou de composites. Il convient ainsi de choisir des alliages selon les performances voulues ;
- Fiabilité et sécurité : un outil de qualité est également testé et certifié pour assurer sa fiabilité et sécurité d’utilisation. Il doit pouvoir fonctionner de manière durable sans risque de défaillance pendant le processus de soudage ;
- Qualité de soudure : un bon outil permet enfin de réaliser des soudures uniformes, sans défauts majeurs et offre d’excellentes propriétés mécaniques. Il réduit ainsi les risques de rejets de pièces, ce qui pourrait s’avérer coûteux en termes de temps et de ressources.
Comment choisir son outil FSW en fonction de son application ?
Pour bien choisir son outil de soudage par friction malaxage, il convient de prendre en considération plusieurs paramètres, à savoir :
- La distance à souder: choisissez tout d’abord un outil capable de souder aisément sur de grandes longueurs ;
- La profondeur à souder: sélectionnez également le pion et l’épaulement en fonction de l’épaisseur des pièces à assembler ;
- La géométrie de l’outil: plus le diamètre de l’épaulement est grand et plus la surface de contact est importante. La capacité de friction de l’outil est alors plus élevée. Adaptez donc les dimensions de l’épaulement selon l’épaisseur des composants ;
- Le matériau des pièces : le choix de l’alliage constitutif de l’outil FSW dépend enfin du matériau à souder.
Dans ce dernier cas, on choisira un outil spécifiquement adapté aux pièces, à savoir :
- L’outil Al/Al pour souder l’aluminium standard ou à haute densité (2xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx). Composé d’un alliage à hautes limites élastiques, il convient parfaitement à l’industrie aérospatiale;
- L’outil Al/Si pour souder l’aluminium de fonderie, très utilisé dans la filière automobile. Constitué de céramique, cet outil se prête bien à cet alliage qui contient du silicium, matériau très abrasif ;
- L’outil Al/Fe pour souder les alliages composites en aluminium et acier dans le secteur de la construction par exemple ;
- L’outil Cu enfin, pour souder les pièces en cuivre, couramment employées dans le secteur de l’énergie.
Quelle est la durée de vie d’un outil de soudage par friction malaxage ?
La durée de vie d’un outil de soudage par friction malaxage dépend de 3 facteurs principaux. Il convient de les prendre en compte afin d’anticiper le remplacement du pion et de l’épaulement, avant même que cela n’impacte la qualité des assemblages :
- L’usure abrasive: les frottements entre l’outil et le matériau soudé entraînent une fatigue sur la spirale de l’épaulement qui s’use sur le long terme ;
- La fatigue cyclique: la force de traînée, lorsque l’outil se déplace le long du cordon de soudure, mène à une fatigue à la base du pion et à sa rupture prématurée ;
- Les matériaux à souder: plus l’alliage est dense enfin, et plus les frottements seront importants, ce qui rend le malaxage plus difficile et use l’outil FSW.
Quelles sont les innovations pour les outils FSW ?
3 innovations majeures peuvent être citées en ce qui concerne les outils de soudage par friction malaxage. La première, c’est l’absence de trou de sortie, caractéristique du procédé FSW. Lorsque l’outil FSW remonte en fin de soudage, il laisse en effet un trou.
Celui-ci peut être problématique pour certaines applications exigeantes, comme c’est le cas dans les secteurs automobile, aéronautique ou spatial. L’outil à pion rétractable permet justement de reboucher ce trou, sans avoir besoin d’intervenir ultérieurement.
Autre amélioration pour les outils FSW : la mesure de la température en temps réel. Par un système de capteurs qui envoient des signaux vers un logiciel, il est possible de connaître précisément la température des pièces en cours du procédé de soudage.
Cette avancée permet aux industriels d’optimiser les paramètres de soudage (vitesse d’avancement, vitesse de rotation et pression).
La dernière innovation enfin, reste le procédé de soudage par épaulement fixe ou Stationary Shoulder FSW (SSFSW). Contrairement à l’outil FSW classique qui comporte 2 parties fonctionnelles, cette configuration comprend un pion rotatif et un épaulement stationnaire.
Il en résulte une surface de soudage plane et lisse ainsi qu’une plus grande robustesse notamment sur des trajectoires complexes en 3D. Le travail de reprise d’usinage est donc réduit. Les outils SSFSW sont néanmoins plus complexes à concevoir et à fabriquer.
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