Fragilisation par métal liquide (LME)

P. Paillard

Au cours des opérations de soudage, il peut se produire des endommagements dans les matériaux qui peuvent rendre les pièces non utilisables. Nous avons une expertise concernant l’endommagement des matériaux métalliques au cours de leur mise en forme particulièrement dans le cas de la mise en forme par soudage. Nos études visent à comprendre les phénomènes inhérents à l’apparition de ces défauts et de proposés des solutions à nos partenaires industrielles. Ces solutions peuvent être soit d’ordre métallurgique soit des actions sur le procédé de soudage.

 

  Le premier exemple détaillé ci-dessous est une compréhension de l’apparition de fissures lors du soudage d’aciers à haute limite d’élasticité revêtus de zinc lors du soudage par résistance. La solution proposée fut une solution métallurgique. Il s’agit ici des travaux de thèse de Renaud Frappier réalisés dans le cadre d’une thèse CIFRE avec Arcelor Mittal.
Le procédé de soudage par résistance par point est un procédé très employé principalement dans le milieu automobile, mais aussi dans l’électroménager ou l’aéronautique. C’est un procédé relativement simple (Figure 1) mais dont la rapidité d’exécution (quelques dixièmes de seconde) et localisation du point soudé (entre les deux électrodes et plus exactement entre les deux tôles à assembler) ne permettent pas des observations très aisées.
La Figure 2 illustre la localisation ainsi que la taille des fissures qu’il est possible de trouver lors de soudage par résistance par point de tôles à très haute limite d’élasticité revêtues de zinc.

Figure 1 : schéma de présentation du procédé de soudage par résistance par point
Figure 2 : endommagement des tôles suite à l’opération de soudage par résistance

 

Nous avons relié les paramètres du procédé de soudage (Figure 3) à l’apparition des fissures. En effet ces dernières apparaissent dans les zones les plus contraintes du point soudé (fond de l’électrode, bord de l’indentation), pour des températures les plus élevées en surface donc les intensités les plus fortes et en présence de zinc à l’état liquide (entre la température de fusion et de vaporisation du zinc). La probabilité d’apparition d’une fissure est très grande lorsque le métal en contact avec le zinc liquide est de structure austénitique et fortement contraint.

Figure 3 : relations entre paramètre de soudage, température de surface, indentation et apparition des fissures

 

Des essais de traction à haute température (essais sur machine thermo-mécaniques Gleeble) ont montré que, quel que soit l’acier à haute limite d’élasticité, il y avait une perte de ductilité (Figure 4) dès que le métal revêtu était en mis en température au-dessus de AC1 jusqu’à la température d’évaporation du zinc. Sur les matériaux non revêtus, ce trou de ductilité est inexistant.

Figure 4 : évolution de la ductilité des aciers revêtus en fonction de la température d’essais de traction

Nous avons observé le cheminement du zinc dans les joints de grains austéno-austénitiques ou ferrito-austénitiques (Figure 5). Nous avons ainsi pu déterminer un modèle d’apparition et de propagation des fissures lors de l’opération de soudage.

Figure 6 : visualisation du mouillage des joints de grains austénitique par le zinc

 

Suite à cette étude, nous avons pu proposer à l’industriel non seulement une solution « procédé » (non prioritaire) ainsi qu’une solution matériaux en proposant de nouvelles nuances d’aciers moins sensible à cette fissuration par les métaux liquide.

Le second exemple est basé sur des essais de brasage de pièces en aluminium avec du galium liquide. Cet exemple est tiré des travaux de thèse d’Edouard FERCHAUD réalisés dans le cadre du projet ANR GALLUMINIUM.
En effet, le gallium forme des alliages avec l’aluminium amis est aussi un puissant fragilisant des alliages d’aluminium. Le gallium ségrége dans les joints de grains et cette ségrégation de gallium conduit à un film liquide intergranulaire au-dessus de la température de fusion du gallium : 30°C. Cela conduit à un décohésion intergranulaire irrémédiable (Figure 6b). Si l’on fait du brasage de l’aluminium avec du gallium à basse température (dessous de 100°C), le gallium reste dans les joints de grains, conduisant ainsi à une rupture intergranulaire généralement assez éloignée de la zone de brasage (Figure 6b). En utilisant des paramètres de brasage adaptés (temps et température), il est possible de réaliser des assemblages non fragilisés (Figure 6a) pour lesquels la liaison entre les deux pièces est quasiment parfaite (Figure 7) sans ségrégation de gallium dans les joints de grains contrairement à la micrographie présentée en Figure 8. Nous avons montré au cours de cette étude que, lorsque les paramètres sont judicieusement choisis, le gallium ne ségrége plus dans les joints de grains mais diffuse dans le volume du grain où il y est stable.

Figure 6 : Observation d’éprouvettes d’aluminium après le test en traction-cisaillement. a) Exemple d’une éprouvette non fragilisée et b) d’une éprouvette montrant des signes de fragilisation intergranulaire

 

Figure 7 : Observation au MEB en contraste chimique de la coupe transversale d’un joint brasé (30 minutes à 500°C) à faible grossissement. Les flèches rouges indiquent la position du joint brasé

 

Figure 8 : assemblage à faible température où le gallium a ségrégé dans les joints de grains introduisant une fragilisation

 

Collaborations :

• ArcelorMittal, Maizières-les-Metz, France
• Liebherr Aerospace, Toulouse, France
• Batscap, Odet, France
• Laboratoire MATEIS