Qualification du domaine de soudabilité en soudage par friction malaxage

Qualification of the field of weldability in friction stir welding

• Auteur / Autrice : Nejah Jemal
• Direction : Franck Girot, Laurent Langlois, Jean-Eric Masse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Soudage par friction-malaxage

Thermique

Soudage

Résumé

Le soudage par friction malaxage est un procédé prometteur pour l'industrie. Dans plusieurs cas, il se présente comme un concurrent potentiel des procédés d'assemblage tel que le rivetage et les procédés de soudage traditionnels. L'obstacle majeur de son industrialisation est le choix des paramètres opératoires du FSW. Ce dernier nécessite la maîtrise de la physique d'interaction outil/matière ainsi que les liens entre la qualité des cordons FSW et les paramètres du procédé. Dans ce cadre, nous exploitons des méthodes expérimentales et numériques afin de comprendre les phénomènes thermomécaniques provoqués par l'interaction outil/matière au cours du soudage. Dans un premier temps, nous avons étudié l'aspect mécanique du procédé à travers l'étude des efforts mécaniques en FSW et de l'écoulement de matière autour de l'outil. Une campagne d'essais a été réalisée pour étudier l'aspect énergétique à travers l'étude des torseurs des actions mécanique et cinématique entre l'outil FSW et la matière soudée. Pour l'aspect rhéologique du procédé, nous avons proposé, d'un part, un modèle numérique simple permettant de simuler l'écoulement laminaire autour d'un cylindre très représentatif du procédé. D'autre part, par le biais d'une modélisation analogique se basant sur les règles de similitude, nous avons utilisé la plasticine comme matériau modèle pour simuler les écoulements en FSW. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'aspect thermique du procédé. Un environnement expérimental original a été réalisé pour mesurer la température dans l'outil, les relevés de température ont été effectués à l'aide de thermocouples logés dans des positions bien définies au sein même de l'outil FSW. Pour identifier les flux thermiques échangés entre l'outil et la matière nous avons présenté une méthodologie appropriée permettant une estimation des flux dans les différentes parties de l'outil. Finalement, à travers des essais de caractérisation du joint de soudure FSW tels que les essais de traction et les observations microstructurales, nous avons pu expliquer quelques liens entre la qualité du joint, les écoulements, les flux thermiques et les paramètres opératoires.

Friction Stir Welding is an emerging joining technology for industry. To industrialize this process, we must study tool/material physical interaction and relations between weld quality and process parameters. In this context, we exploit experimental and numerical methods to understand the thermomechanical phenomena caused by the tool/material interaction during welding. Initially, we analyzed the mechanical aspect of the process by studying the mechanical efforts in FSW and material flow around the tool. A series of test runs was carried out to explain the energy aspect by studying mechanical and kinematic tensors between FSW tool and material. To study material flow, we proposed a simple numerical model allowing simulation of a laminar flow around a rotating cylinder which is suitable representative of the process. In addition, by means of an analogical model based on similarity laws, we used plasticine as a model material to simulate the flows in FSW. Secondly, we studied the thermal aspect of the process. An original experimental environment was carried out to measure the temperature on the tool. Temperature evolution was measured by using thermocouples placed in defined positions of FSW tool. To identify the heat flow, we presented a suitable methodology allowing an estimation of heat flow in different parts of the tool. Finally, through FSW joint characterization tests, like tensile test and microstructural observation, we explained some relations between weld quality, material and thermal flow as well as process parameters.