Le soudage thixotropique
Une technique d’assemblage propre et nette
Le FSW est un procédé purement mécanique. Propre, écologique, il produit des cordons de soudure d’une qualité optimale, tout en permettant de lier des matériaux métalliques dissymétriques ou d’autres difficilement soudables par des méthodes de fusion classiques.
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Inventé en 1991 par l’Institut de soudure britannique TWI (The Welding Institute), le soudage thixotropique (FSW – Friction Stir Welding), également connu sous le nom de soudage par friction linéaire ou à outil rotatif, est peut-être la technique de soudage la plus innovante et la plus efficace mise au point au cours de ces dernières années. A partir de 1995, les laboratoires de recherche de Suresnes et d’Ottobrunn ont commencé à évaluer ce nouveau procédé, puis en ont acquis les licences d’exploitation auprès du TWI. Avec la création d’EADS, ces deux laboratoires ont fusionné pour former le Corporate Research Center (CRC), et poursuivent le développement du FSW dans le cadre de programmes de recherche conjoints.
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Le FSW est un procédé purement mécanique. Propre, écologique, il produit des cordons de soudure d’une qualité optimale, tout en permettant de lier des matériaux métalliques dissymétriques ou d’autres difficilement soudables par des méthodes de fusion classiques. Le FSW s’applique aux tôles et aux plaques, ainsi qu’aux tuyauteries, réservoirs, joints en T et en angle. Ce procédé, qui peut faire appel aux outillages existants et pré-opérationnels, est adapté à l’automatisation et, depuis peu, à la robotisation.
Le principe de fonctionnement est simple: la chaleur de friction est produite par une tête de soudage cylindrique, munie d’un épaulement et d’une broche profilée, qui est mise en rotation rapide. La chaleur produite provoque un ramollissement du métal des pièces à assembler, qui passe à l’état plastique sans atteindre son point de fusion. L’outil est alors plongé entre les deux pièces et le matériau est malaxé, ou mieux encore, forgé par contact intime avec le doigt et l’épaulement de la tête rotative. Ce processus crée une soudure dont la microstructure est de meilleure qualité que le matériau de base. Les contraintes résiduelles relativement faibles et la zone malaxée à grains fins contribuent à offrir d’excellentes propriétés de résistance et de ductilité – précisément des caractéristiques essentielles aux applications aérospatiales.
En règle générale, tous les alliages d’aluminium extrudables peuvent être soudés, y compris les matériaux en aluminium corroyé et coulé, et les alliages à matrice métallique. Ce procédé est en outre approprié pour souder des alliages de magnésium, de cuivre et de zinc. L’acier et le titane font l’objet d’études au sein du CRC. Les applications futures du FSW devraient permettre de souder d’autres alliages d’aluminium réputés non soudables, ou des composites aluminium / lithium à l’avenir prometteur, ou bien encore des plaques de blindage en aluminium. Les pièces à souder ne nécessitent qu’une préparation de surface rudimentaire et le procédé est extrêmement tolérant vis à vis des jeux et des défauts d’alignement. Un avantage majeur par rapport au soudage par fusion, qui exige une préparation de surface rigoureuse. De même, les matériaux d’apport ou le gaz inerte sont inutiles. Le FSW est peu bruyant et n’émet ni fumée, ni poussière, ni plasma ou rayonnement dangereux.
La vitesse d’avance de l’outil varie entre 100 et 2.000 mm/min, ce qui est comparable à de nombreux procédés de soudage par fusion. Les pièces à joindre doivent être immobilisées par serrage et accostage. Un trou de serrure subsiste à l’extrémité de chaque ligne de soudure.
Les limites de ce procédé sont constamment repoussées grâce à des travaux intensifs de R&D. Dans le cadre de ses recherches, le CRC de Suresnes, conjointement avec l’Institut de Soudure français, utilisent depuis 2002 un outillage FSW spécialement conçu pour souder des alliages d’aluminium d’une épaisseur pouvant atteindre 15 mm. Il peut produire des cordons de soudure rectilignes de 2 m de long et réaliser des opérations circulaires et curvilignes de différents rayons. Cette machine a été la première en Europe à recevoir des options opératoires avancées, telles que des contre-broches et des broches escamotables. Ces deux accessoires éliminent certaines des limites du procédé de base : la forme de la contre-broche rend la latte support inutile puisque tout l’effort vertical s’exerce à l’intérieur de la tête de soudage elle-même, et la broche escamotable permet de traiter des matériaux d’épaisseurs variables et évite la présence des trous de serrure aux extrémités du cordon. Des profils tridimensionnels sont également possibles avec ces deux techniques.
Les chercheurs du site d’Ottobrunn ont entamé la validation de ce procédé en 1997 avec divers alliages d’aluminium. Leurs travaux s’attachent actuellement à réduire les efforts de soudage en améliorant la géométrie de l’outil et les paramètres opératoires, notamment par des procédés hybrides innovants, tels que l’utilisation d’une source de chaleur externe. Leurs homologues de Suresnes s’appliquent à mettre au point une technologie de la contre-broche et à améliorer la soudabilité de composants à la fois minces et épais. Il étudient parallèlement le comportement thermique des pièces durant le soudage.
Le FSW et ses techniques connexes continuent d’enregistrer des progrès rapides. De nouvelles applications se font jour et l’éventail de matériaux soudables par FSW ne cesse de croître à mesure que les aspects métallurgiques et technologiques de ce procédé sont maîtrisés. Des activités conjointes sont en cours entre plusieurs BUs dans l’optique d’introduire le FSW à l’échelle industrielle.
