Soudage par friction malaxage

Description du procédé

Le soudage par friction malaxage (Friction Stir Welding, FSW) est un procédé de soudage à l’état solide inventé en 1991 par Wayne Thomas du TWI (The Welding Institute) à Cambridge, Royaume-Uni.

Ce procédé applique au soudage par cordon l'effet thermique créé par la friction d'un outil constitué d'une tige (ou pointe) métallique de révolution munie de reliefs et entraînée en rotation à grande vitesse. La chaleur engendrée porte localement le métal à l'état pâteux, ce qui permet la plongée de l'outil dans la matière et autorise ensuite son déplacement le long du joint où il progresse à la façon du « keyhole » d'un faisceau à haute énergie pour former, après refroidissement, la soudure proprement dite.
C'est un procédé de soudage progressif, à l'opposé du soudage par friction classique, connu par ailleurs et essentiellement global, obtenu par rotation d'une pièce frottant sur l'autre.

Il vient en directe compétition avec tous les autres procédés de soudage continu par fusion (arc, faisceaux à haute énergie) avec l'avantage significatif d'opérer au-dessous de la température de fusion du matériau. Les avantages économiques et techniques ne font pas de doute: Déformation minime et haute reproductibilité du procédé en font une méthode très attractive.

Principe

Le principe du soudage par friction-malaxage que nous nommerons ici pour simplifier FSW est représenté sur la figure.
Il met en oeuvre un mandrin tournant qui reçoit l'outil de soudage proprement dit lequel se présente sous la forme d'un cylindre de révolution en acier à haute résistance comportant un épaulement (shoulder) prolongé par une tige ou pointe (pin) coaxiale active, elle-même cylindrique ou tronconique, et comportant en surface diverses sortes de reliefs.

La tête de soudage ainsi constituée est fixée sur un support qui présente l'outil en rotation sur le joint des deux tôles à souder fixées elles-mêmes sur un montage d'appui et le met ensuite en contact avec elles. La chaleur engendrée par la friction porte la matière environnante à l'état pâteux et permet à la tige d'y pénétrer jusqu'à l'épaulement. On commande ensuite le déplacement de l'outil le long du joint. Le métal pâteux, malaxé par la rotation de l'outil sous l'effet des reliefs qu'il comporte, flue de part et d'autre de celui-ci de façon quelque peu dissymétrique de l'avant vers l'arrière en formant la liaison des deux bords puis la soudure proprement dite après refroidissement.

L'épaulement, outre qu'il limite la pénétration, a aussi pour rôle d'empêcher le métal de fluer vers le haut.

Les phénomènes de friction et de malaxage qui se développent sont physiquement stables, les températures atteintes traduisant l'existence d'un état permanent se conservant le long du joint. Rappelons en effet que la valeur du couple nécessaire à l'entraînement de l'outil, qui en combinaison avec sa vitesse détermine la puissance délivrée, résulte directement du coefficient de viscosité de la matière et donc de sa température. Si, pour une raison quelconque, les températures devaient s'accroître, la matière affectée deviendrait moins visqueuse conduisant à une diminution du couple donc de la puissance développée. Les températures diminueraient alors pour reprendre leurs valeurs initiales.

La soudure prend place en phase solide et l'absence de fusion en fait le principal intérêt. La texture du cordon conserve les propriétés principales du matériau de base et la soudabilité métallurgique s'étend à de nombreux métaux difficilement soudables ou dissemblables.

Pour obtenir une liaison complète, la tige doit avoir une longueur quasiment égale, de préférence, à l'épaisseur des tôles à souder et le soudage s'exécute en une passe, voire deux passes opposées pour les épaisseurs élevées.
La retenue du métal pâteux par l'épaulement d'un côté et par l'appui arrière de l'autre élimine les surépaisseurs endroit/envers des cordons classiques et exécute une manière de forgeage. L défauts internes des procédés par fusion, tels le manque compacité, les soufflures, les criques, n'apparaissent pas et l'a nement du grain qui en résulte améliore les propriétés mécaniqL du cordon.

Terminologie

Pour la petite histoire, Fred Delany est "l'inventeur" de la traduction du FSW en francais. Il avait d'abord choisi "Soudage par Friction Brassage", mais il s'est rapidement rendu compte qu'il y avait trop de confusion entre "Brassage" et "Brasage", et il a cherché d'autres termes en français pour traduire l'action de "stir". Il a pense a "touillage", "petrissage", mais ca ne faisait pas tres scientifique, et il a finalement rabattu sur "malaxage". S'il n'y a rien d'autre, c'est son petit titre de gloire.

Remarques

La première partie de cet article a été écrit avec l'aimable coopération de Monsieur Roland Cazes, Ingénieur de l'École supérieure d'électricité Ancien directeur technique de la société Sciaky.

L'expression 'soudage par friction malaxage' est la traduction généralement admise en France de Friction Stir Welding, en abrégé FSW, nom donné en Grande-Bretagne au procédé de soudage continu par friction né en 1991 sous la forme d'un brevet déposé par l'institut de Soudure britannique (The Welding Institute, TWI) mieux connu sous le sigle TWI.