Les défauts fréquents en soudage par friction malaxage (FSW)

Le FSW est une technologie de soudage reconnue comme innovante mais encore assez peu répandue. Elle présente de nombreux avantages, néanmoins les utilisateurs potentiels manquent d’informations sur les défauts FSW qui peuvent intervenir lors de la mise au point des paramètres et/ou de l’opération de soudage.

Notre volonté chez Stirweld est de démocratiser et de rendre accessible le soudage par friction malaxage sur centre d’usinage et sur cellules robotisées. Nous proposons depuis plusieurs années des solutions FSW accessibles pour les entreprises grâce au développement de nos équipements hybrides FSW. Innovations, études et tests nous permettent aujourd’hui de proposer à nos clients un accompagnement vers des solutions FSW performantes. Nous mettons au point pour leurs applications, les meilleurs paramétrages de soudage FSW possibles. Les paramètres de soudages sont définis sur-mesure afin d’éviter les défauts connus en soudage par friction malaxage (FSW).

Dans le domaine du FSW nous rencontrons les défauts suivants :

Porosité interne et porosité de surface,
Largeur irrégulière,
Réduction de section,
Hooking et kissing-bond,
Manque de pénétration,
Bavure ou flash

Cet article a pour objectif de vous présenter ces défauts et de vous expliquer leurs causes. Vous comprendrez ainsi les paramètres à analyser afin de corriger ces défauts FSW.

Le soudage par friction malaxage et ses différentes configurations

Le soudage FSW est un process de soudage sans aucune fusion et apport de matière. La soudure est en effet réalisée à l’état solide grâce à la déformation mécanique de la friction effectuée par l’outil FSW sur le matériau. Ce process présente de nombreux avantages, aussi bien sur le plan économique que sur le plan écologique.

La fusion sans apport de matière permet de respecter les contraintes des applications mais également de conserver d’excellentes caractéristiques techniques en n’occasionnant que très peu de déformations.

En FSW, il existe deux principales configurations de soudage : les soudures en bout à bout (ou de bord à bord), ainsi que les soudures par transparence (ou par recouvrement).

LES SOUDURES FSW BOUT À BOUT (BUTT WELD) : ce type de soudure consiste à souder deux pièces placées l’une à côté de l’autre. Il existe 3 façons différentes de positionner les pièces en soudure bout à bout : les soudures bout à bout , les soudures en angle extérieure et les soudures en T.

On retrouve ce type de soudure pour des applications comme le soudage FSW de plaques froides ou encore avec des pièces de rheocasting.

LES SOUDURES FSW PAR TRANSPARENCE (LAP WELD) : ce type de soudure consiste à malaxer des pièces placées l’une sur l’autre. Là aussi nous retrouvons 3 façons différentes de positionner les pièces pour les soudures FSW par transparence : joint par transparence, joint par transparence multiple et joint par transparence en T.

On peut par exemple retrouver ce type de soudure FSW par transparence pour remplacer le rivetage, pour des soudures de supports de cuivre ou encore pour le remplacement du cuivre par l’aluminium.

À noter qu’il est également possible de retrouver des soudures combinant les process FSW de bout à bout et de transparence dans la même application comme par exemple des panneaux rigides.

Ces deux types de soudures proposent des process FSW différents, et de ce fait, des potentiels défauts eux aussi différents.

Quels sont les défauts communs rencontrés en soudage par friction malaxage en bout à bout et par transparence ?

Il n’est pas rare de voir apparaître des défauts de soudage en surface (type rainure) ou encore en tunnel lors du processus de soudage par friction malaxage, qu’il soit de type bout à bout ou par transparence. En revanche, nous ne retrouvons pas toujours les mêmes défauts en fonction de la configuration de soudage FSW effectuée. C’est ce que nous allons vous expliquer afin de mieux comprendre les ajustements que nous mettons en œuvre sur les applications de nos clients pour optimiser les performances de vos process.

Défaut de porosité interne et porosité en surface : soudage FSW trop froid ou trop chaud

On relève parfois lors d’un contrôle qualité FSW des porosités interne ou en surface. Ce type de défaut est le résultat d’un soudage trop chaud ou bien trop froid.

Lorsque l’opération de soudage est trop froide, c’est que le ratio entre la vitesse d’avancement et la vitesse de rotation est trop élevé. Avec ce ratio trop important, la soudure laisse apparaître des porosités internes, signe que les matières ne sont pas assez malaxées lors du soudage. Cette porosité est continue le long de la soudure et est plus communément appelé en FSW, trou de ver.

Coupe métallographique d’une soudure FSW trop froide

Lorsque l’opération de soudage est trop chaude, c’est au contraire que ce ratio vitesse d’avancement sur vitesse de rotation est trop faible. Cet excès de chaleur peut donc provoquer un fusion superficielle du matériau, l’éjection de la matière et la création de porosité en surface.

Coupe métallographique d’une soudure FSW trop chaude

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Défaut FSW de largeur irrégulière

Le défaut de largeur irrégulière se traduit très simplement par un manque de force et donc un manque d’appui entre l’outil FSW et les pièces à souder. Le contact entre les éléments n’étant pas assez fort, la friction n’est pas faite de manière régulière et porte atteinte à la bonne soudure des éléments.

Pour corriger une largeur irrégulière lors d’une opération FSW sur MOCN, nous corrigeons le paramètre de force en appliquant une plus grande pression sur l’outil FSW.

Défaut FSW de réduction de section

A l’inverse d’un défaut de largeur irrégulière rencontré lors d’un manque d’appui en soudage par friction malaxage, des défauts de réduction de section peuvent apparaitre en cas d’excès de force. En effet si la force exercée lors du process de soudage par friction malaxage est trop forte, cela engendre un enfoncement excessif de l’outil dans la matière et provoquera donc une réduction de la section soudée. Dans ce cas aussi, la solution est de modifier le paramètre de force de l’outil.

Défauts FSW de bavures (« flash »)

Bien que considérées comme défaut visuel, les bavures (flash) en FSW sont signe d’une bonne soudure. L’objectif sur un soudage par friction malaxage est d’avoir un cordon parfaitement droit et pour cela, l’outil FSW doit constamment être en contact avec la pièce à souder. Les bavures sont tout simplement un rejet de la matière soudée sur les bords de la soudure. Un flash de 2 mm est acceptable. Au dessus de cette valeur, une réduction de la force verticale de soudage est à appliquer.

Pièces soudées par FSW avec du flash

Nous avons développé avec notre broche hybride de soudage par friction malaxage pour robot un système de changement automatique d’outil permettant de passer d’un outil de soudage à un outil d’usinage. Le passage à l’outil d’usinage permettra très facilement de corriger ce défaut visuel de flash en FSW.

Quant à la tête de soudage FSW pour MOCN, Stirweld a développé un changeur automatique d’outil permettant de passer de l’usinage au soudage et vice-versa en un instant. Cet équipement permet donc de corriger le flash possiblement présent sur votre pièce soudée.

Les défauts rencontrés en soudage par friction malaxage (FSW) bout à bout : Manque de pénétration

Facilement évitable, le défaut LOP (Lack of penetration ou aussi appelé manque de pénétration à la racine) est cependant problématique en soudage FSW bout à bout. Il s’agit en effet tout simplement d’un manque de brassage des pièces. L’outil ne passe pas complètement à travers les deux pièces, il ne fait que coller les pièces entre elles mais ne les soude pas. Ce défaut est difficilement visible à l’œil nu, il s’agit d’un défaut interne. En phase de prototypage, nous procédons à des contrôles qualité approfondis afin d’analyser et de déterminer les bons paramètres de soudage FSW des applications de nos clients.

Coupe métallographique d’une soudure FSW avec manque de pénétration

Afin d’éviter ce défaut de manque de pénétration, nous intervenons sur le paramètre de soudage de force de poussée ainsi que sur l’utilisation d’un outil adapté à l’application ; un outil plus long pour une meilleure pénétration. A ce jour, nous avons développé 7 outils Stirweld différents et adaptables sur nos têtes hybrides FSW. Nos outils sont dotés de différentes épaisseurs d’épaulement (pour chauffer) et de différentes tailles de pions (pour malaxer) et s’adapte aux différentes applications.

A noter qu’en soudage par transparence, il n’y a pas de manque de pénétration.

Les défauts rencontrés en soudage par friction malaxage (FSW) par transparence : Hooking et kissing-bond

Lors d’un soudage par transparence de deux pièces en aluminium, les pièces sont soudées l’une par-dessus l’autre. Ces deux pièces présentent à leur surface une fine couche d’ oxyde d’aluminium, appelée alumine . Voici les deux types de défauts fréquemment rencontrés dans cette configuration :

Le hooking : il s’agit en fait d’une remontée de la couche d’alumine au niveau de la zone de séparation entre les deux pièces à souder sur le côté avançant de la soudure. Cela peut, dans certains cas, provoquer des amorces de fissures (appelées « concentration de contraintes »)et de ce fait, réduire les propriétés mécaniques de l’application. On observe également de chaque côté, un amincissement de la pièce supérieure.

Coupe métallographique d’une soudure FSW avec hooking

Le kissing bond : ce défaut se produit lors du soudage, du côté reculant de l’outil. Il s’agit d’un manque de malaxage des matières et donc un manque d’échauffement qui ne supprime pas la couche d’alumine. Si la couche d’alumine n’est pas suffisamment broyée lors du malaxage, il y a de fortes chances pour qu’il n’y ait pas assez, voire pas du tout de liaison entre les deux pièces à souder (phénomène de collage appelé kissing bond).

Soudage par friction malaxage : les 4 paramètres clés d’un soudage FSW sans défaut

Notre gamme d’équipements FSW pour MOCN et robot offre un contrôle qualité fiable grâce aux remontées d’informations sur l’interface homme-machine – IHM. Ces remontées d’informations permettent d’ajuster les paramètres de soudage et de corriger les défauts éventuels. La phase de prototypage définit la fenêtre opératoire adéquate, comprenant les paramètres précis pour des soudures par friction malaxage de grande qualité.

La qualité d’une soudure se joue sur 4 paramètres : la géométrie de l’outil, la vitesse de rotation, la vitesse d’avance et la force de forgeage :

Le choix de l’outil FSW en fonction de l’application

Le choix de l’outil à utiliser sur la tête FSW est l’un des premiers paramètres déterminants de la qualité de la soudure. L’outil FSW est constitué d’un épaulement et d’un pion dont la taille est ajustée en fonction de l’application :

La dimension de l’épaulement influe sur la chaleur de la soudure,
La longueur du pion est dimensionnée en fonction de l’épaisseur à souder.

Le choix de l’outil dépend de plusieurs facteurs :

1. La distance à souder,
2. La profondeur à souder,
3. La géométrie de l’outil : pion rétractable ou pion fixe,
4. Le matériau à souder (aluminium, cuivre, acier…)

La vitesse de rotation

En soudage par friction malaxage, la vitesse de rotation se compte en tours par minute (RPM). Le principe est simple, plus l’outil tourne vite, plus le matériau sera chaud. C’est en effet grâce à ce paramètre que l’on pourra corriger des défauts FSW comme les porosités en trou de ver.

La vitesse d’avancement

Ce paramètre est compté en mm/min. Ici, plus l’outil avance vite, plus le matériau reste froid. Comme la vitesse de rotation, le ratio vitesse d’avance sur vitesse de rotation sont des éléments clés pour des soudures FSW parfaites.

La force de forgeage

Exprimée en Kilo Newton (kN), la force de forgeage selon l’axe outil Z dépend de la position de la machine utilisée (centre d’usinage ou cellule robotisée). En cas de manque de force, le défaut de manque de pénétration est probable. A l’inverse en cas de force trop importante, ce sont les défauts de réduction de section que l’on pourra probablement observer.

Pour aller plus loin sur le soudage par friction malaxage FSW :

Surmonter les défis de la fabrication des plaques froides

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