Modélisation numérique des phénomènes physiques du soudage par friction-malaxage et comportement en fatigue de joints soudés en aluminium 7075-T6.

Le soudage par frottement-malaxage (friction stir welding, FSW) est un procédé d'assemblage réalisé à l'état solide. Cette caractéristique lui confère d'importants avantages lorsqu'il est comparé aux procédés de soudage par fusion couramment utilisés dans l'industrie. Dans le contexte des alliages d'aluminium, le FSW offre la possibilité de souder les alliages de la série 7000, pourtant reconnus pour leur forte sensibilité à la fissuration à chaud. Cette famille d'alliages est souvent utilisée pour la fabrication d'avions. Le développement d'un procédé d'assemblage efficace, à faible consommation énergétique et présentant un potentiel intéressant du point de vue de la résistance mécanique est d'une grande importance pour l'industrie aéronautique. L'objectif de ce projet de recherche est d'augmenter le capital de connaissances fondamentales relatives au procédé afin de mieux comprendre les phénomènes physiques se produisant lors du soudage. Ces connaissances profiteront ensuite aux intervenants de l'industrie aéronautique qui participent au développement industriel du procédé. Pour atteindre cet objectif, un premier volet du projet est consacré à l'étude théorique du procédé, alors qu'un second porte sur la caractérisation microstructurale et mécanique de joints obtenus dans diverses conditions de soudage. Le soudage par frottement-malaxage, par la combinaison des mouvements de rotation et de translation d'un outil cylindrique, déforme et échauffe le matériau des pièces soudées. Cette histoire thermomécanique provoque des phénomènes métallurgiques comme la recristallisation des grains et la modification de l'état de précipitation. La modélisation du procédé vise à reproduire cette histoire thermomécanique afin de prédire l'effet du soudage sur la microstructure. Elle permet en particulier d'étudier les mécanismes de création et de conduction de la chaleur et de déterminer de quelle manière ces mécanismes ont une influence prédominante sur les propriétés du joint. Dans ce travail, un modèle numérique par éléments finis a été conçu pour calculer l'histoire thermomécanique du matériau soudé.

Abstract

Friction stir welding (FSW) is a solid-state manufacturing process, which gives important advantages as compared to fusion welding processes that are commonly used in the industry. FSW can be used to weld aluminium alloys of the 7000 series, which are highly sensitive to hot cracking when fusion welded. These alloys are widely used for plane manufacturing and the development of an efficient, low-energy welding process that has a strong potential regarding mechanical properties of joints is of great importance for the aerospace industry. The aim of the present research project is to increase the amount of fundamental knowledge regarding the process by getting a better understanding of the physical phenomena involved in FSW. Such knowledge is required to improve the process in the context of industrial applications. In order to do so, the first part of the project is dedicated to a theoretical study of the process, while the microstructure and the mechanical properties of welded joints obtained in different welding conditions are measured and analyzed in the second part. The combination of the tool rotating and translating movements induces plastic deformation and heat generation of the welded material. The material thermomechanical history is responsible for metallurgical phenomena occurring during FSW such as recrystallization and precipitate dissolution and coarsening. Process modelling is used to reproduce this thermomechanical history in order to predict the influence of welding on the material microstructure. It is helpful to study heat generation and heat conduction mechanisms and to understand how joint properties are related to them. In the current work, a finite element numerical model based on solid mechanics has been developed to compute the thermomechanical history of the welded material. The computation results were compared to reference experimental data in order to validate the model and to calibrate unknown physical parameters. Previous work on the hot deformation of 7075 aluminium alloy has shown that the material behaviour is highly sensitive to thermomechanical conditions.