Étude de l'influence des défauts de soudage sur le comportement plastique et la durée de vie en fatigue de soudures par friction-malaxage d'un alliage Al-Cu-Li

Effect of welding defects on plastic behaviour and fatigue lifetime of friction stir welded Al-Cu-Li alloy

• Auteur / Autrice : Thomas Le Jolu
• Direction : Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Soudage par friction-malaxage

Soudures -- Fatigue

Alliages aluminium-lithium

Alliages aluminium-cuivre

Résumé

Dans un but de réduction de poids des avions, un alliage Al-Cu-Li (2198-T8) assemblé par friction-malaxage est envisagé par les avionneurs pour des applications de type fuselage et intrados de l'aile. L'objectif de cette étude est de déterminer le comportement en fatigue des soudures par friction-malaxage et l'influence de certains défauts de soudage pour une durée de vie de l'ordre de 105 cycles. Pour cela le matériau de base, des soudures réalisées pleine tôle (sans défaut), des soudures contenant un résidu de plan de joint (dû à la couche d'oxydes initialement présente sur les chants des tôles avant soudage), un "kissing bond" (dû à un manque de pénétration de l'outil) et un "GAP" (correspondant à un défaut d'accolement des tôles) ont été testés. Pour la durée de vie visée, les soudures sont déformées plastiquement durant la première moitié du premier cycle. Le comportement en traction monotone des soudures n'a montré aucune influence significative des défauts de soudage sur les propriétés des soudures, bien que le kissing bond et le GAP soient le site d'amorçage de la rupture. Des essais de traction in situ au MEB ont permis de déterminer une contrainte seuil au-delà de laquelle on observe l'ouverture du kissing bond. L'étude du comportement en traction des soudures a été complétée par une simulation 3D par éléments finis. Les courbes de Wöhler ont montré que le résidu de plan de joint n'engendrait pas de baisse significative de la durée de vie des soudures, alors que le kissing bond et le GAP conduisaient à une réduction de l'ordre de 17% et 28% respectivement sur la contrainte à 105 cycles. L'étude des mécanismes d'amorçage a révélé que ces deux défauts étaient site d'amorçage de fissures de fatigue uniquement au-delà d'une contrainte seuil. Dans ces cas, la phase d'amorçage était réduite à l'ouverture du défaut durant la première moitié du premier cycle. La rupture finale des soudures a été étudiée au travers d'essais de déchirure ductile montrant une évolution de la nocivité des défauts similaire à celle révélée par les courbes de Wöhler.

With the aim of reducing aircraft weight, a friction stir welded Al-Cu-Li alloy (2198-T8) is considered by aircraft manufacturers for its use in fuselage or lower wing skin applications. The purpose of this study is to assess the fatigue behaviour of friction stir welds and the influence of some weld defects on fatigue properties for a target lifetime of 105 cycles. Base material, sound welds (produced via welding in one sheet), welds bearing a joint line remnant (due to the native oxide layer present on butt surfaces before welding), a kissing bond (due to a lack of tool plunge depth), and welds with an initial gap between the two butt surfaces, were tested. For the targeted lifetime, cross-weld specimens were plastically deformed during the first half of the first cycle. During cross-weld tensile tests, macroscopic properties were not altered by weld defects, although kissing bond and GAP defects acted as fracture initiation sites. In situ SEM tensile tests showed a threshold stress, beyond which the opening of the kissing bond is observed. The study of the tensile behaviour of the weld is enriched by a 3D finite element simulation. S-N curves showed that the joint line remnant did not generate a significant decrease in weld lifetime, whereas the kissing bond and GAP defects conducted to a decrease in the fatigue strength at 105 cycles by 17% and 28%, respectively. The study of initiation mechanisms revealed that those two defects were fatigue crack initiation sites only beyond a threshold value of stress. For higher values of stress, the fatigue crack initiation stage was shown to be reduced to the defect opening during the first half of the first cycle. The final weld fracture was studied through ductile tearing tests, revealing an evolution of defect harmfulness similar to the one found in S-N curves.