Etude de la soudabilité à froid des alliages d’aluminium : influence de la sollicitation mécanique sur la création des jonctions métalliques

Cold weldability of aluminium alloys : influence of the mechanical load on the formation of metallic bonds

• Auteur / Autrice : Olivier Siret
• Direction : Christophe Desrayaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 12/10/2010
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : ED SIS 488
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : 3S-R INP Grenoble
• Jury : Président / Présidente : Régis Bigot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdellatif Imad, Mohamed Ali Tourabi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andras Eleod, Mohamed Rachik

Mots clés

Mots clés contrôlés

Torsion (mécanique)

Contraintes (mécanique)

Aluminium -- Alliages

Soudage

Mots clés libres

Soudage en phase solide

Aluminium

Soudabilité à froid

Compression plane

Effort de compression et de torsion alternée

Modèles EF

Tensoriel et thermodynamique

Solid-state welding

Aluminium

Cold weldability

Plain-strain compression

Compression and cyclic torsion load

Fea

Tensorial and thermodynamic models

Résumé

En soudage en phase solide, si la température peut avoir un rôle favorable, une sollicitation mécanique est également nécessaire pour s’affranchir de la couche d’oxyde recouvrant naturellement l’aluminium. Dans ce travail, on a ainsi cherché à comprendre l’importance de la sollicitation mécanique vis-à-vis de la création des jonctions métalliques. Dans ce but, 2 essais de soudabilité à froid ont été mis en place. L’essai de compression plane (CP) a pour but d’augmenter la surface à l’interface de soudage, de sorte à morceler la couche d’oxyde. Grâce à la microscopie, à une analyse par EF et à un modèle tensoriel de caractérisation de l’évolution des surfaces, les essais ont montré que, plus que l’importante déformation globale, le soudage se produit dans les zones de cisaillement maximum.Par conséquent, le second essai repose sur le cisaillement de l’interface de soudage : un tube sectionné est soumis à un effort de compression et de torsion alternée. Comme pour l’essai de CP, l’influence de divers paramètres a été étudiée. Parmi ceux-ci, l’état de surface (rugosités et propreté), l’angle de torsion (faible amplitude) et le nombre de cycles ont un rôle prépondérant. Les assemblages soudés ont ensuite été caractérisés mécaniquement et observés en microscopie (MEB-FEG, EBSD). Par rapport à l’essai de CP, on a pu constater une meilleure quantité et qualité des jonctions en compression-torsion alternée. De plus, un modèle thermodynamique a permis de conclure que les énergies mises en jeu sont trop faibles pour permettre un échauffement significatif : le soudage, sur environ 50% de l’interface en l’état actuel des choses, n’est réalisé que par des effets mécaniques locaux.

In solid-state welding, if the temperature generally has an important role (diffusion, recrystallization, etc.), a mechanical load is also necessary to override the oxide layer which naturally covers aluminium alloys. This work aims to understand the influence of the mechanical load on the formation of metallic bonds. To this end two cold weldability tests have been introduced. Firstly the plane strain channel-die compression of two cuboids sample aims to increase the surface at the welding interface in order to break up the oxide layer. Thanks to microscopy, a FEA model and a tensorial model of surfaces evolution, those results showed that, more than the important global deformation, welds were created in areas with maximum shear. Subsequently the second test aims to shear the welding interface: a tube is cut through its section and undergoes both a compression and a cyclic torsion load. As for our first weldability test, the influence of some parameters has been studied. Among them, the surface condition (roughness and cleanliness), the torsion angle (low amplitude) and the number of cycles are the most influential. Then the welded joints have been mechanically tested and microscopically observed (FEG-SEM and EBSD). In comparison with our first test, a higher quality and quantity of the joining has been showed. Moreover, a thermodynamic model concludes that the energies involved in this experimental process are too low to imply any local heating: the joining, on 50% of the welding interface as things stand, is only achieved thanks local mechanical effects.