Soudage par Friction-Malaxage Expliqué : Processus, Avantages et Applications

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

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

Pendant que l'outil est déplacé le long de la ligne de joint, il mélange 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 qui ont besoin d'une résistance de soudure très élevée. Le FSW est capable de joindre les alliages d'aluminium, les alliages de cuivre, les alliages de titane, l'acier doux, l'acier inoxydable et les alliages de magnésium.

Plus récemment, il a été utilisé avec succès dans le soudage de polymères. De plus, l'assemblage de métaux dissemblables, tels que l'aluminium aux alliages de magnésium, a été récemment réalisé par FSW. L'application du FSW peut être trouvée 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'épaule de l'outil

Le FSW est effectué avec un outil rotatif cylindrique qui a un pion profilé ayant un diamètre plus petit que le diamètre de l'épaule. 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'épaule touche la surface des pièces.

Le pion est légèrement plus court que la profondeur de soudure requise, avec l'épaule 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 prédéfinie.

La chaleur de friction est générée entre l'outil résistant à l'usure et les pièces. Cette chaleur, ainsi que celle générée par le processus de mélange mécanique et la chaleur adiabatique à l'intérieur du matériau, provoque le ramollissement des matériaux mélangés sans fusion.

Au fur et à mesure 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 du soudage.

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

Le Processus de Soudage par Friction-Malaxage

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

• Joints à recouvrement
• Joints bout à bout

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

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

Ensuite, l'outil se déplace à travers le joint, ce qui crée un soudage continu. Cela est possible grâce au chauffage volumique produit par l'outil et au mélange des particules de métal par le pion profilé. C'est du pion profilé qui va dans l'espace de travail qu'il tire le nom « Malaxage » car le pion malaxe littéralement les particules ramollies pour les fusionner.

Applications du Soudage par Friction-Malaxage

Le processus 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, le soudage par friction-malaxage par points et le traitement par friction-malaxage, sont utilisés pour les applications industrielles suivantes : construction navale et offshore, aérospatiale, automobile, matériel roulant pour chemins de fer, fabrication générale, robotique et ordinateurs.

Le soudage par friction-malaxage trouve application dans une grande variété d'industries qui utilisent 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 conserveront leur forme même avec de longs soudages.

Aérospatiale : Les réservoirs de carburant en aluminium utilisés dans les vaisseaux spatiaux pour stocker l'oxygène cryogénique utilisent le FSW. La technique de jonction soude les dômes à la structure cylindrique qui compose ces réservoirs de carburant. Boeing a utilisé le FSW dans le Module Interétage d'une fusée Delta II qui a eu un décollage réussi en août 1999.

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

Chemin de fer : 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 voiture. Donc, c'est l'un des principaux adoptants de la technologie FSW. Les méthodes de soudage conventionnelles ne peuvent pas reproduire des pièces à haute tolérance comme celles du 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 une pièce par rapport à l'autre au niveau des joints.

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

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

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

Avantages du Soudage par Friction-Malaxage

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

• Le soudage fini est sans couture et esthétique
• Il peut souder des alliages autrement non soudables comme les gammes Aluminium 2xxx et 7xxx
• Processus entièrement automatisé
• Aucune forme de flux ou d'agent de protection requis
• Les basses températures de pointe empêchent le retrait et la porosité des fissures

Inconvénients du Soudage par Friction-Malaxage

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