Soudage par Friction-Malaxage (FSW) : Procédé, Avantages et Applications

Qu'est-ce que le Soudage par Friction-Malaxage ?

Le soudage par friction-malaxage (FSW) est un procédé d'assemblage à l'état solide qui utilise la chaleur frictionnelle générée par un outil rotatif pour assembler deux pièces face à face sans fondre le matériau des pièces. La chaleur est générée par frottement entre l'outil rotatif et le matériau de la pièce, ce qui entraîne une zone ramollie près de l'outil FSW.

Alors que l'outil est déplacé le long de la ligne de joint, il malaxe mécaniquement les deux pièces de métal et forge le métal chaud et ramolli par la pression mécanique appliquée par l'outil, un peu comme on joint de l'argile ou de la pâte.

Il est principalement utilisé sur l'aluminium forgé ou extrudé et particulièrement pour les structures nécessitant une très haute résistance de soudure. Le FSW est capable d'assembler des alliages d'aluminium, de cuivre, de titane, d'acier doux, d'acier inoxydable et de magnésium.

Plus récemment, il a été utilisé avec succès pour souder des polymères. De plus, l'assemblage de métaux dissemblables, comme l'aluminium aux alliages de magnésium, a été récemment réalisé par FSW. L'application du FSW se trouve dans la construction navale moderne, les trains et les applications aérospatiales.

Principe de fonctionnement

La progression de l'outil à travers le joint, montrant également la zone de soudure et la région affectée par l'épaulement de l'outil.

Le FSW est effectué avec un outil cylindrique rotatif qui a un pion profilé ayant un diamètre plus petit que le diamètre de l'épaulement. Pendant le soudage, l'outil est introduit dans un joint bout à bout entre deux pièces serrées jusqu'à ce que le pion perce dans la pièce et que l'épaulement touche la surface des pièces.

Le pion est légèrement plus court que la profondeur de soudure requise, l'épaulement de l'outil chevauchant la surface de travail. Après un court temps d'arrêt, l'outil est déplacé vers l'avant le long de la ligne de joint à la vitesse de soudage préétablie.

De la chaleur frictionnelle est générée entre l'outil résistant à l'usure et les pièces. Cette chaleur, ainsi que celle générée par le processus de malaxage mécanique et la chaleur adiabatique dans le matériau, provoque le ramollissement des matériaux malaxés sans fusion.

Alors que l'outil avance, un profil spécial sur le pion force le matériau plastifié de la face avant vers l'arrière, où les forces élevées aident à une consolidation forgée de la soudure.

Ce processus de l'outil traversant la ligne de soudure dans un arbre tubulaire plastifié de métal entraîne une déformation sévère à l'état solide impliquant une recristallisation dynamique du matériau de base.

Le procédé de soudage par friction-malaxage

Le soudage par friction-malaxage utilise un outil spécialement conçu qui tourne à grande vitesse sur les joints à souder. Alors que l'outil tourne sur le métal, de la chaleur se génère entre eux. Cette chaleur rend les métaux plastiques et les fait fusionner l'un dans l'autre. Le soudage par friction-malaxage est capable de souder deux types de joints :

• Joints à recouvrement (Lap Joints)
• Joints bout à bout (Butt Joints)

L'outil utilisé pour le soudage par friction-malaxage a deux parties. Une partie cylindrique appelée épaulement tourne sur le joint, et un pion profilé s'étend depuis l'épaulement.

Le pion est d'abord foré dans le joint. Ensuite, l'épaulement tourne au-dessus de la pièce pendant un certain temps jusqu'à ce qu'une température optimale soit atteinte et absorbée par les matériaux.

Ensuite, l'outil se déplace le long du joint, créant une soudure continue. Ceci est possible grâce au chauffage volumétrique produit par l'outil et au mélange des particules de métal par le pion profilé. C'est du pion profilé qui pénètre dans l'espace de travail que vient le nom « Malaxage » (Stir), car le pion malaxe littéralement les particules ramollies pour les fusionner.

Applications du soudage par friction-malaxage

Le procédé FSW a été initialement breveté par TWI dans la plupart des pays industrialisés et licencié pour plus de 183 utilisateurs. Le soudage par friction-malaxage et ses variantes (soudage par friction-malaxage par points et traitement par friction-malaxage) sont utilisés pour les applications industrielles suivantes : construction navale et offshore, aérospatial, automobile, matériel roulant ferroviaire, fabrication générale, robotique et informatique.

Le soudage par friction-malaxage trouve application dans une grande variété d'industries utilisant l'aluminium.

Construction navale : Le FSW a été utilisé pour la première fois pour souder des panneaux en aluminium creux pour des bateaux de pêche. Aujourd'hui, cette technique de soudage est courante pour souder des panneaux de congélateur en aluminium utilisés dans le corps et la coque des navires. Puisque le FSW crée une distorsion minimale, les panneaux en aluminium conservent leur forme même avec de longues soudures.

Aérospatial : Les réservoirs de carburant en aluminium utilisés dans les engins spatiaux pour stocker l'oxygène cryogénique utilisent le FSW. La technique d'assemblage soude les calottes à la structure cylindrique qui compose ces réservoirs. Boeing a utilisé le FSW dans le module inter-étage d'une fusée Delta II qui a eu un décollage réussi en août 1999.

Le FSW est également utilisé pour assembler les cadres légers en aluminium vus dans le fuselage d'avion. C'est parce que la technique offre une alternative beaucoup plus légère au boulonnage ou au rivetage.

Ferroviaire : Le soudage par friction-malaxage trouve son utilisation sur les profils creux et les extrusions à raidisseurs en T pour la fabrication de trains à grande vitesse.

Industrie automobile : L'industrie automobile s'est tournée vers l'aluminium comme matériau optimal pour la préparation des châssis de voitures. C'est donc l'un des principaux adopteurs de la technologie FSW. Les méthodes de soudage conventionnelles ne peuvent pas reproduire des pièces à haute tolérance comme le FSW. Les temps de soudage rapides du FSW le rendent également plus attrayant que d'autres formes de soudage pour l'aluminium.

Soudage par friction-malaxage vs soudage par friction - la différence

Plusieurs techniques de soudage utilisent la friction pour générer de la chaleur, et parmi elles, la plus courante est le soudage par friction. Dans une méthode typique de soudage par friction, la chaleur se génère entre les deux pièces en déplaçant l'une par rapport à l'autre au niveau des joints.

La friction entre les deux surfaces les fait fondre et fusionner.

Cependant, cela impose une limitation au soudage par friction en ce qui concerne la configuration des pièces, car il doit être capable de déplacer une pièce à grande vitesse par mouvement linéaire alternatif.

Le soudage par friction-malaxage surmonte cette limitation en fixant les pièces en place et en déplaçant l'outil le long du joint, créant la soudure dans le processus.

Avantages du soudage par friction-malaxage

Les avantages du soudage par friction-malaxage découlent de sa soudure unique où il n'y a pas d'utilisation de consommables ou de techniques d'élément de protection. Cela donne les caractéristiques suivantes à la soudure :

• La soudure finie est sans couture et esthétique
• Il peut souder des alliages autrement insoudables comme les gammes Aluminium 2xxx et 7xxx
• Procédé entièrement automatisé
• Aucune forme de flux ou d'agent de protection requis
• Les températures de pointe basses empêchent le retrait et la porosité des fissures

Inconvénients du soudage par friction-malaxage

• Dispositif de fixation compliqué ou arrangement spécial requis
• Il crée un trou visible dans les plaques de soudure
• Coût initial ou de mise en place élevé
• Il est moins flexible comparé au procédé de soudage à l'arc
• Le FSW ne peut pas faire des joints d'apport
• Les matériaux non forgeables ne peuvent pas être soudés