Analyse des propriétés mécaniques de joints à recouvrement en aluminium 2024-T3 AlClad soudés par friction-malaxage et impact de la préparation de surface

Dans ce mémoire, les propriétés mécaniques de joints à recouvrement en aluminium 2024-T3 AlClad soudés par friction-malaxage sont étudiées. Le soudage par friction-malaxage est un procédé récent qui est de plus en plus utilisé dans les domaines de l'aérospatiale et des transports. Cette technique est appelée à remplacer les méthodes de soudage conventionnel et de rivetage puisqu'elle possède plusieurs avantages, permettant généralement de réduire le poids total de l'assemblage et de joindre des alliages difficilement soudables par fusion. Plusieurs paramètres de soudage régissent la qualité du joint, comme les vitesses d'avance et de rotation. Il est par contre intéressant de s'attarder à des paramètres moins étudiés actuellement, mais qui peuvent affecter les propriétés mécaniques et potentiellement rendre plus efficaces les procédures de soudage. C'est le cas des étapes de préparation de surface des pièces avant la réalisation de la soudure. L'objectif principal du projet est de déterminer si l'état de surface des pièces avant le soudage par friction-malaxage peut influencer les propriétés mécaniques lors de sollicitations monotones et cycliques pour des joints à recouvrement en alliage d'aluminium 2024-T3 AlClad. Des recommandations adéquates quant à la préparation de surface pour les soudures étudiées sont ensuite être émises et permettent de guider les industriels dans le développement de leurs procédures de soudage. Le deuxième chapitre présente une revue de littérature. La composition chimique et les propriétés mécaniques du matériau utilisé pour les joints, l'aluminium 2024-T3 AlClad, y sont d'abord examinées. Le procédé du soudage par friction-malaxage est ensuite présenté. Le fonctionnement général, les types de joints qu'il est possible de produire ainsi que la préparation de surface des pièces sont abordés. Une section de ce chapitre est dédiée à l'état de contrainte et à la rupture lors d'une sollicitation monotone uniaxiale d'un joint à recouvrement. Le phénomène de la flexion secondaire est expliqué et les types de rupture sont présentés. Les facteurs pouvant affecter cette rupture, comme les discontinuités géométriques, la microstructure du joint et la présence d'oxydes ou de revêtement AlClad sont détaillés. Ces facteurs sont repris dans la section sur l'état de contrainte et la rupture lors d'une sollicitation cyclique uniaxiale d'un joint à recouvrement. Il ressort principalement de cette revue de littérature que les oxydes sont difficiles à disperser pendant le soudage par frictionmalaxage de joints à recouvrement et qu'ils peuvent diminuer la résistance mécanique lors d'une sollicitation monotone.

Abstract

This dissertation studies the mechanical properties of aluminum 2024-T3 AlClad overlap friction-stir-welded joints. Friction stir welding is a recent joining process that is being increasingly used in the aerospace and the transportation industries. Conventional welding and riveting may be gradually replaced by this technique as it presents many advantages, like the weight saving possibilities and the ability to weld "unweldable" alloys. Many parameters affect the quality of the joint, like the tool rotation and advance speeds. These are two of the main parameters, but it is important to address other variables that might also affect the mechanical properties of the resulting welded assembly and potentially result in better welding procedures. That is the case of surface preparation steps done prior to welding. The main goal of this research project is to establish if the surface state of the workpieces prior to friction stir welding can influence the mechanical properties of the 2024-T3 AlClad aluminum overlap joints during monotonous and cyclic solicitations. Appropriate recommendations regarding the surface preparation for the studied welds will be formulated and companies using friction stir welding as a joining method will be able to adapt their welding procedures if needed. The second chapter is a literature review. The chemical composition and the mechanical properties of 2024-T3 AlClad aluminum are first addressed. The friction stir welding process is then presented. The generalities of the process, the type of joints that can be made and the surface preparation of the pieces are presented. A section of this chapter is dedicated to the stress state and the types of failure for lap joints during a monotonous uniaxial solicitation. The secondary bending phenomenon is explained and the failure types are presented. The factors that can affect this failure, like geometrical discontinuities, the microstructure of the joint and the presence of surface oxide or cladding material are detailed. These factors are also addressed in the section on stress state and failure during a cyclic uniaxial solicitation. The oxides were reported as hard to break during friction stir welding and can reduce the ultimate strength of the welds during static testing. Some authors also conclude that the cladding fragments in the nugget offered a preferred failure zone during monotonous solicitation and that they were weak spots in the metallurgical bond of the welded zone. The third chapter presents the organization of the project and the methodology. The production of the welded joints and their mechanical testing was addressed. Two types of welded assemblies were produced.