Comportement en fatigue de joints d'aluminium 7075-T6 soudés par friction-malaxage et parachevés

Le soudage par friction-malaxage (SFM) est un procédé d'assemblage à l'état solide. La température du métal de base est comprise entre 0,6 et 0,8 fois la température de fusion. Il permet de souder des alliages d'aluminium de haute résistance (séries 2000 et 7000) qui ne pouvaient jusqu'à ce jour être assemblés que par rivetage. L'utilisation de ce procédé dans la construction des aéronefs permet de réduire les coûts de fabrication et, indirectement, les coûts d'opération grâce aux allégements structuraux qu'il permet. Cependant, malgré les nombreux travaux de recherche effectués au sujet du SFM incluant l'évaluation des performances des joints soudés pour des alliages d'aluminium de haute résistance, les connaissances sur la résistance en fatigue de ces joints sont limitées. Les sillons laissés à la surface du joint par l'outil, les bourrelets de soudage et la déformation des tôles soudées sont des problèmes inhérents au SFM. Les sillons et les bourrelets sont des zones de concentration de contraintes qui facilitent l'amorçage des fissures de fatigue alors que les déformations rendent l'assemblage des tôles soudées plus difficile, en particulier pour des pièces à géométrie 3D complexe. À ce propos, des procédés de parachèvement permettant de réduire la sévérité des défauts géométriques et / ou la déformation des tôles pourraient constituer des ajouts déterminants pour l'utilisation à grande échelle du SFM. Dans le cadre d'une collaboration de recherche sur le SFM entre l'École Polytechnique de Montréal et le Conseil National de Recherches du Canada , la présente recherche a pour but d'étudier le comportement en fatigue de joints SFM bout à bout en AA7075–T6 à l'état brut de soudage et après parachèvement par brossage, galetage, usinage et traitement thermique de mise en solution et revenu. Chacun de ces procédés de parachèvement a été examiné afin de d'évaluer son potentiel pour résoudre les problèmes du SFM mentionnés plus haut. Par exemple, le brossage est étudié comme moyen de minimiser les défauts de surface (sillons et bourrelets). Le galetage est considéré afin de réduire la déformation des tôles soudées. L'usinage de la surface supérieure des joints doit permettre de comprendre la réponse mécanique en l'absence de défaut de surface. Finalement, un traitement thermique de mise en solution et revenu est susceptible de restaurer les propriétés mécaniques affectées par la dissolution des précipités pendant le SFM.

Abstract

Fatigue Behaviour of Friction Stir Welded AA7075-T6 with Post-Weld Treatments Friction stir welding (FSW) is an emergent solid state joining technology that involves processing at temperatures typically in the range of 0.6-0.8 of the melting point of the material. For the assembly of high strength aluminum alloys (i.e. 2000 and 7000 series), the FSW process offers an alternative approach to manufacturing by mechanical fastening (e.g. riveting). Through the application of FSW, fabrication of aircraft structures can be rendered cost-efficiently with concomitant benefits of lower operational costs due to lightweighting. Nonetheless, despite considerable scientific throughput in FSW process development and evaluation for high strength aluminum alloys, there is still limited knowledge on the fatigue resistance of the welded joints. In consideration of the surface characteristics of the joint after FSW, inherent shortcomings of the process include the striations and burrs on the upper (crown) surface of the weld, as well as distortion of the assembly, especially in thin-gauge structures. In particular, weld striations and burrs are stress concentration regions that facilitate fatigue crack initiation. By contrast, distortion from welding poses considerable challenges for final assembly, especially for 3D complex geometries. In this respect, post-weld treatments that mitigate the severity of the geometrical defects (i.e. striations, burrs) and/or the weld distortions would be key enablers for widespread application of FSW. In the framework of a research collaboration on FSW between Ecole Polytechnique de Montreal and the National Research Council of Canada (NRC), the present study was targeted to determine the mechanical response (tensile and fatigue) of friction stir butt welded AA7075-T6 in the as-welded condition, as well as after different post-weld treatments, including brushing, deep rolling, machining, and solution heat treatment and precipitation hardening. Each post-weld treatment was deliberated to address the concerns in regard to FSW of AA7075-T6. For instance, brushing was considered for minimizing the surface defects (striations and burrs). Deep rolling was intended for reducing distortion in the welds.