Modélisation numérique du procédé de soudage par friction-malaxage (Friction Stir Welding )

Le soudage est un procédé d'assemblage couramment mis en œuvre dans le milieu industriel à partir, par exemple, des techniques de type soudage au plasma, au laser, par faisceau d'électrons ou par résistance. Comme pour les méthodes de soudage par friction plus conventionnelles utilisées depuis le début des années 1950, la soudure par friction-malaxage est réalisée en phase solide sans apport de matière. C'est un procédé récent également connu sous le nom Friction Stir Welding (FSW) et qui a été développé au sein du TWI (The Welding Institute) au début des années 1990. Les applications actuelles de ce procédé portent essentiellement sur les alliages d'aluminium et, en particulier, ceux réputés « difficilement soudables ». En effet, l'expérience a montré que le fait de souder sans atteindre la fusion permet au procédé de soudage par friction-malaxage d'assembler ce type de matériau. De plus, les phénomènes tels que la fissuration à chaud ou la perte de solutés volatils peuvent être évités.

Le soudage par friction-malaxage peut également être employé pour l'assemblage de matériaux différents tels que l'acier avec des alliages à base d'aluminium. Ce type de joints soudés existe dans de nombreux secteurs industriels où le soudage par fusion n"est tout simplement pas approprié compte tenu des incompatibilités entre les composants à souder : comportement mécanique, diffusivité thermique ou composition chimique pouvant conduire à la formation d'intermétalliques néfastes pour la qualité de la soudure. Ces facteurs et bien d"autres contribuent à l"asymétrie des champs thermiques et rendent difficilement applicables les procédés par fusion. C'est pour cette raison que l"application du soudage par friction-malaxage à des soudures d'alliages différents pose clairement un ensemble de défis très importants. En effet, le procédé FSW appliqué à des combinaisons d"alliages relativement doux (par exemple : Al/Mg) est d"un intérêt particulier dans l"aérospatiale et l"automobile car, dans beaucoup de cas, il n'existe pas d'autre alternative.

Malgré cela, le procédé FSW induit des modifications microstructurales, des contraintes résiduelles et des distorsions difficiles à maîtriser. L'ensemble de ces phénomènes peut être responsable d'une détérioration des propriétés d'usage, aussi bien en termes de géométrie et qualité d'assemblage qu'en termes de résistance et tenue en fatigue. Des contraintes résiduelles élevées peuvent conduire à la fragilisation du joint ou encore des distorsions peuvent mener à des défauts géométriques inacceptables du point de vue de la conception.

Dans un contexte industriel de plus en plus compétitif, les entreprises sont obligées de développer leurs produits dans des délais et des coûts de plus en plus réduits. La maîtrise des procédés de fabrication et des conséquences qu'ils induisent sur les produits réalisés constitue un facteur de réussite essentiel. Dans ce cadre, la caractérisation et la modélisation numérique du procédé FSW revêtent un intérêt tout particulier pour étudier la faisabilité, optimiser les paramètres opératoires ou analyser la tenue en service d'un assemblage. Un exemple pertinent est le développement de l'outil Trivex conçu par le TWI. Le développement de sa géométrie a fait l'objet d'une modélisation approfondie ayant pour objet d'optimiser les efforts mis en jeu lors de la phase de soudage  .

Cet article a pour objectif de faire le point sur les méthodes de modélisation numérique pouvant être employées pour le procédé de soudage par friction-malaxage. Une première partie présente les différentes approches pouvant être envisagées pour la simulation de la phase de soudage. La seconde partie porte exclusivement sur la modélisation numérique des conséquences induites par le procédé FSW en termes de microstructure et de contraintes mécaniques.