Relation microstructure – propriétés d’emploi

Soudage Laser Hybride

Le soudage laser hybride est un procédé de soudage qui permet d’allier les performances de chacun des procédés afin de minimiser leurs désavantages respectifs. La Figure 1 indique la différence entre du laser hybride MAG classique et le laser hybride multicathodes MAG.

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Figure 1 : schématisation des procédés de soudage laser hybride MAG (a) et laser hybride bi-cathodes MAG (b)

L’impact d’une opération de soudage est résumé sur la Figure 2. On y voit les différentes zones macroscopiques : Métal de Base (MB), Zone Affectée par la Température (ZAT) et Zone Fondue (ZF). Une observation microscopique des différentes zones permet de déterminer les phases métallurgiques présentes. Pour cet acier, dans la zone qui a attient les plus hautes températures (ZDT), on observe de la martensite, phase dure mais fragile qui généralement néfaste à un bon emploi de l’assemblage soudé.

 

Figure 2 : évolution de la microstructure dans la zone affectée par la température (ZAT) d’un acier à haute limité d’élasticité soudé à l’aide d’un procédé MAG

On retrouve cette zone de forte dureté au voisinage de la zone fondue. Cette dureté importante est due à la présence de la martensite. Quelques soit le procédé de soudage utilisé (MAG, Laser, Laser Hybride MAG), on retrouve toujours cette dureté sous cordon supérieure à 350Hv (Figure 3).

Figure 3 : relation microstructure propriétés mécaniques (ici microdureté) en fonction des procédés de soudage employés : (a) soudage MAG, (b) soudage laser, (c) soudage laser hybride MAG

Nous avons aussi étudié l’influence des paramètres de soudage (puissance laser, vitesse de fil MAG, distance entre les deux procédés, …) sur l’apparition de défaut. Nous avons ainsi déterminé les conditions d’apparition d’un défaut apparaissant du coté envers du cordon que nous avons nommé : dropping (Figure 4). Grace à la visualisation du bain de fusion en envers nous avons pu proposer un scénario d’apparition de ce défaut (Figure 5).

Figure 4 : Dropping, défaut apparaissant en fonction des paramètres de soudage en envers du cordon de soudure

Figure 5 : observation de l’envers du cordon de soudure en caméra rapide et schématisation du processus d’apparition du dropping

Enfin nous avons pu proposer des plages de soudabilité en laser hybride MAG exemptes de défauts du type manque de fusion, dropping ou expulsion (Figure 6) en fonction des paramètres de soudage épaisseur de la tôle, puissance laser, vitesse de soudage.

Figure 6 : fenêtre de soudabilité d’un acier à haute limite d’élasticité en soudage laser hybride MAG

Comme il a été indiqué précédemment, le soudage laser hybride monocathode MAG conduit sur ce type d’aciers à des cordons exempts de défaut mais dont la présence de martensite dans la zone affectée par la température ce qui peut nuire à l’utilisation des assemblages soudés. Afin de supprimer cette martensite néfaste, nous avons réalisé des cordons de soudage en laser hybride multicathodes MAG avec différents types de courant (lisse, pulsé, CMT®). La Figure 7 présente les macrographies et les cartographies de microduretés des essais de soudage en laser hybride multicathodes. Non seulement on retrouve des cordons de soudures sans défaut, on ne retrouve pas les zones de duretés sous cordons supérieures à 350Hv.

Figure 7 : relation microstructure propriétés mécaniques (microdureté) en soudage laser hybride multicathodes MAG

L’absence de martensite a été confirmée par des observations microscopiques (Figure 8). De plus l’utilisation de procédé laser hybride multicathodes MAG a permis d’augmenter la productivité en doublant les vitesses de soudage : passage de 1,5 m/min en monocathode à 3 m/min en multicathodes.

Figure 8 : évolution de la microstructure en zone fondue et zone affectée thermiquement d’une soudure laser hybride multicathodes MAG

 

Soudage homogène d’alliages d’aluminium a durcissement structural

Les alliages d’aluminium à durcissement structural (série d’alliages 2000, 6000 et 7000) posent généralement des problèmes lors de leur assemblage par soudage lorsque l’on utilise des procédés qui font passer le métal par l’état liquide. Un assemblage de ces matériaux par soudage conduit dans la majorité des cas, surtout sur des fortes épaisseurs, à l’apparition de fissures dans le cordon de soudure. Afin de palier à ce problème, il est d’usage d’utiliser des métaux d’apport de nuances différents aux métaux de base. Les métaux d’apport sont choisis parmi des nuances des séries 4000 ou 5000. Or ce choix conduit à une perte de propriétés mécaniques au sein du cordon de soudure car ces nuances ne sont pas à durcissement structural.
Nous avons mis au point une procédure de soudage à l’arc avec métal d’apport homogène (MIG CMT®) qui conduit à des cordons de soudures sans défaut du type fissuration à chaud (Figure 9).

 

Figure 9 : macrographie d’une soudure homogène MIG sur alliage 6061

De ce fait, il possible de réaliser des traitements thermiques post soudage qui redonnent à l’assemblage des propriétés mécaniques identiques au métal de base (Figure 10b, Figure 11b, Figure 12). Dans la configuration classique du soudage hétérogène avec métal d’apport de la série 5000, il n’est pas possible de retrouver des propriétés mécaniques dans la zone fondue (Figure 10a, Figure 11a, Figure 12).

 

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Figure 10 : évolution de la dureté de soudure hétérogène (a) et d’une soudure homogène (b) en fonction des traitements thermiques postsoudage
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Figure 11 : évolution des propriétés en traction de soudure hétérogène (a) et d’une soudure homogène (b) en fonction des traitements thermiques postsoudage – comparaison avec le métal de base
Figure 12 : évolution des caractéristiques mécaniques de soudure hétérogène et d’une soudure homogène en fonction des traitements thermiques postsoudage – comparaison avec le métal de base

Les propriétés mécaniques plus importantes dans la zone fondue sont principalement dues à une remise en solution totale de tous les précipités (Figure 13), y compris ceux issus de l’élaboration de l’alliage qui conduit à une sur-précipitation au cours des traitements thermiques post-soudage.

Figure 13 : observation en microscopie électronique en transmission de la zone fondue

Soudage par friction rotative à entrainement direct

Le soudage par friction est un soudage en phase solide. Il permet d’assembler des pièces sans passer par l’état liquide du matériau ce qui permet d’éviter un certain nombre de défauts comme la fissuration à chaud ou la présence de porosités dans le cordon de soudage. Les résultats obtenus lors de nos travaux ont permis d’implanter dans des machines de soudage des aides à la programmation des paramètres.

Soudage d'un acier
Le soudage par fiction rotative à entrainement direct permet un parfait contrôle de l’opération de soudage pour des pièces de révolution.
Dans un premier temps, nous avons réalisé des assemblages en aciers sur des ronds, des tubes épais et fins. Nous avons étudié l’influence des paramètres de soudage (vitesse de rotation, pression, consommation matière, ...) sur la thermique du procédé de soudage (Figure 14) afin d’évaluer l’effet de la thermique sur la microstructure et donc au final les propriétés d’emploi des assemblages.

Figure 14 : champs thermiques mesurés par thermographie infra rouge lors d’une opération de soudage par friction rotative
Figure 15 : microstructures et cartographie de dureté de différents assemblages soudés

Soudage d'un alliage de Titane

Nous avons abordé l’assemblage de tube en alliage de titane (TA6V). Le comportement de l’alliage est très différent d’un acier. Nous avons obtenu des assemblages exempts de défauts (Figure 16), donc les caractéristiques mécaniques entre le métal de base et la le cordon sont peut différentes.

Figure 16 : macrographie d’un assemblage soudé par friction rotative de tube en TA6V

Soudage d'un alliage de Nickel

En raison de leurs propriétés mécaniques relativement élevées même à haute température, l’assemblage par friction d’alliages de nickel est relativement complexe (ici de l’INCONEL 718). Les assemblages sont moyennement satisfaisants et de ce fait les fenêtres de soudabilité sont relativement étroites. De plus, l’assemblage implique un abattement des propriétés mécaniques au niveau du joint soudé (Figure 17).

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Figure 17 : assemblage de tubes fin en INCO 718, macrographie de l’assemblage (a), influence des paramètres de soudage sur la morphologie du cordon, la taille des différentes zones (b) et sur les propriétés mécaniques (microduretés)

Soudage par friction malaxage (FSW) d’un acier à haute limite d’élasticité

Le soudage par friction malaxage (FSW) est un procédé relativement récent principalement appliqué à l’assemblage des alliages légers (alliages d’aluminium). De récentes avancées en matière d’outils de malaxage permettent d’envisager l’assemblage de pièces en acier voir de pièces en acier à haute limite d’élasticité. L’assemblage présenté ci-dessous (Figure 18 et Figure 19) est réalisé entre deux pièces en S690QL (acier trempé revenu). La microdureté (Figure 18) ainsi que la microstructure obtenue dans la cordon montre la présence de martensite (structure dure et fragile généralement non voulue) dans le cordon. En travaillant sur les paramètres de soudage de manière à obtenir une soudure « plus froide » (c’est-à-dire sans atteindre la température d’auténitisation au sein de la zone affectée par la température), nous avons obtenu des cordons de soudures sans martensite mais au détriment de la vitesse d’usure de l’outil de malaxage.

Figure 18 : macrographie et cartographie de microduretés d’un assemblage par FSW d’un acier à haute limité d’élasticité

Figure 19 : microstructures engendrées par l’opération de friction malaxage

Collaborations

Etudes réalisées en partenariat avec des industriels (SNECMA groupe SAFRAN, DCNS Research, ACB Nantes, …), des laboratoires (GeM, LPCES-ICMMO, Institut de Recherche Dupuy de Lomes-ex LIMATB) et des institutionnels (IRT Jules Verne, ADEME).