Soudage par agitation à la friction[1](FSW) est une technique de soudage polyvalente qui utilise la chaleur générée par la frottement entre un outil de soudage rotatif et la pièce pour plastiser localement le matériau soudé.Lorsque l'outil se déplace le long de l'interface de soudage, le matériau plastifié s'écoule de l'avant de l'outil à l'arrière, formant une soudure compacte en phase solide sous l'extrusion de l'outil.
FSW est capable de souder des matériaux épais tels que l'aluminium, l'acier et le titane en un seul passage sans induire de niveaux élevés de stress thermique, ce qui le rend particulièrement adapté aux industries nécessitant des soudures solides et durables, telles que la fabrication aérospatiale et automobile.
[^ 1]: La définition du FSW par un chercheur scientifique
Qui a inventé le soudage par agitation en friction?
Friction Stir Welding (FSW) a été inventée par le Welding Institute (TWI) en 1991, principalement développé par le professeur Wayne Thomas et son équipe.Le développement de cette technologie a été motivé par la demande croissante des industries aérospatiales et automobiles pour souder des matériaux à haute résistance, tels que les alliages d'aluminium, qui étaient sujets à des défauts comme la porosité et la fissuration lorsqu'ils sont soudés à l'aide de méthodes conventionnelles. FSW a résolu ces problèmes en utilisant un outil de soudage rotatif à grande vitesse pour générer de la chaleur par friction, ce qui adoucit le matériau sans le faire fondre, permettant une soudure à semi-conducteurs.
Histoire du développement
- Début des années 1990: La technologie FSW a été développée et initialement appliquée au soudage en alliage en aluminium, en particulier à gagner une utilisation généralisée dans l'industrie aérospatiale.
- 1997: La NASA a adopté la technologie FSW dans la fabrication du réservoir de carburant externe de la navette spatiale, démontrant ses capacités pour les applications aérospatiales critiques.
- 2000s: La technologie FSW s'est étendue à l'industrie automobile, en particulier dans le soudage des parties du corps en alliage en aluminium léger, conduisant à des progrès importants sur le terrain.
- 2010s: Avec des améliorations de la conception des outils, du contrôle des processus et de la technologie d'automatisation, FSW a vu une application plus large, en particulier dans les environnements de production à haut volume.
Comment les frictions suscitent-elles le soudage et les processus?
Travaux de soudage par élan à la friction[1]En utilisant la chaleur produite à partir de la friction entre l'outil rotatif et le matériau soudé. Le processus implique plusieurs composants clés:
L'outil de soudage est au cœur du processus FSW. Il se compose de deux composants clés: une broche rotative et une épaule.
La broche est généralement cylindrique ou filetée, et c'est la partie de l'outil inséré directement dans le matériau à souder. L'épaule, qui entoure la broche, aide à générer une chaleur supplémentaire par la friction lorsqu'elle entre en contact avec la surface du matériau.
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-Épingle: La broche est responsable de la création de l'action d'agitation mécanique nécessaire pour mélanger le matériau à l'articulation. Il génère également une quantité importante de chaleur à l'interface entre les matériaux en cours. La conception de la broche peut varier en fonction de l'application de soudage. Dans certains cas, il peut être fileté pour augmenter la chaleur de friction et le flux de matériau.
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-Épaule: L'épaule joue un rôle important dans la propagation de la chaleur et la frottement supplémentaire. Au fur et à mesure que l'outil tourne, l'épaule se frotte contre la surface de la pièce, garantissant que le matériau de l'articulation est suffisamment doux pour le mélange sans provoquer de fusion.
Ces outils sont généralement fabriqués de matériaux durables et à haute résistance, tels que l'acier à outils ou le tungstène, pour résister à la friction et à la chaleur intenses générées pendant le processus.
2. Génération de chaleur
La clé de FSW est la chaleur générée par la friction entre la broche rotative et le matériau de la pièce. Lorsque l'outil tourne à grande vitesse, la chaleur de friction est produite à l'interface de l'outil et du matériau.
Cette chaleur est concentrée au voisinage immédiat de l'outil, augmentant la température du matériau au point où elle se plastise mais ne fonde pas.
Il s'agit d'une distinction cruciale des méthodes de soudage traditionnelles. Alors que la plupart des techniques de soudage reposent sur la fonte des matériaux pour les rejoindre, FSW opère dans un processus à l'état solide. Les matériaux n'atteignent jamais leur point de fusion, ce qui minimise le risque de défauts comme la porosité, les fissures et le rétrécissement qui sont courants dans les soudures fondantes traditionnelles.
Dans la plupart des applications FSW, le matériau est chauffé à des températures entre 60% et 90% de son point de fusion, selon le matériau soudé. Cela garantit que le matériau reste solide mais devient suffisamment malléable pour s'écouler et se lier.
3. Flux de matériaux
Une fois que le matériau atteint la plasticité souhaitée, l'outil rotatif se déplace le long du joint de soudure. Au fur et à mesure que l'outil progresse, le matériau ramolli est poussé de l'avant de la broche à l'arrière, créant un flux de matériau qui remplit l'articulation. Ce mouvement de matériau est essentiel pour le processus de soudage car il aide à «remuer» les pièces ensemble, en s'assurant qu'ils sont uniformément mélangés au niveau moléculaire.
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Flux avant à arrière: Le matériau près de la goupille de l'outil est adouci par la friction et agité à mesure que l'outil se déplace. Cela permet au matériau de s'écouler vers l'arrière de l'outil. Le mouvement continu garantit que l'articulation est complètement mélangée et consolidée, créant une soudure uniforme.
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Solidification: Au fur et à mesure que l'outil continue de se déplacer, le matériau derrière la broche commence à refroidir et à se solidifier, formant une liaison forte. La zone touchée par la chaleur (HAZ) de la soudure, située des deux côtés de l'articulation de la soudure, connaît des changements minimaux de microstructure, ce qui conduit à une soudure exempte des défauts communs associés aux méthodes de soudage en fusion.
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[^ 1]: Renseignez-vous sur le processus technique en matière de soudage par invite, qui le distingue des méthodes de soudage traditionnelles.
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Avantages et inconvénients du soudage des émous de la friction
Avantages de FSW
Le soudage à la médaille de friction offre de nombreux avantages, en particulier lorsque les matériaux de soudage comme l'aluminium, le titane et certains aciers. Voici quelques avantages clés:
| Avantages | Désavantage |
| Zone minimale touchée par la chaleur | Fixation de la pièce rigide |
| Stress résiduel faible | Formation de trou de serrure |
| Aucun matériau de remplissage nécessaire | Sélection de matériaux limités |
| Aucun gaz de blindage requis | Vitesse de soudage plus lente |
| Peut souder les métaux différents | Usure d'outil rapide |
- Zone minimale touchée par la chaleur (HAZ)[1]: Le processus génère une chaleur inférieure par rapport au soudage conventionnel, ce qui signifie que la microstructure dans la zone touchée par la chaleur (HAZ) reste largement inchangée.
- Stress résiduel faible[2]: Étant donné que le matériau n'est pas soumis à des températures élevées et à un refroidissement rapide, il y a un minimum de contrainte résiduelle, réduisant les chances de distorsion ou de fissuration.
- Aucun matériau de remplissage requis: Contrairement au soudage traditionnel, FSW ne nécessite aucun fil de remplissage, réduisant les coûts des matériaux et les déchets.
- Pas de gaz de blindage: FSW ne nécessite pas de gaz de blindage externe, de réduire davantage les coûts et de simplifier le processus de soudage.
- Soudure des matériaux différents: FSW peut être utilisé pour souder des matériaux différents, ce qui est souvent un défi dans les techniques de soudage conventionnelles. Il est particulièrement bénéfique pour rejoindre des matériaux sujets à la fissuration lorsqu'ils sont soudés avec des méthodes traditionnelles.
Inconvénients du FSW
Bien que FSW offre de nombreux avantages, il existe également plusieurs défis qui doivent être pris en compte lors de l'utilisation de cette technique:
- Rigidité de l'équipement: Les pièces doivent être fixes en toute sécurité en place pendant le processus pour empêcher tout mouvement qui pourrait affecter la qualité de la soudure.
- Formation de trou de serrure: À la fin de la soudure, un trou de serrure est souvent formé, ce qui peut nécessiter un soudage ou une étanchéité supplémentaire.
- Sélection de matériaux limités: La conception des outils et les paramètres de processus sont souvent limités à des alliages spécifiques. Le FSW peut ne pas être idéal pour certains matériaux sans autres recherches ou modification des outils et techniques.
- Vitesse de soudure: Dans certains cas, la vitesse de soudage est plus lente par rapport à d'autres méthodes de soudage, en particulier lorsque les plaques de soudage plus épaisses ou les grandes zones en un seul passage.
- Usure: L'outil de soudage peut s'user rapidement en raison de la friction impliquée, entraînant des coûts d'entretien plus élevés.
[^ 1]: comprendre quelle est la zone minimale touchée par la chaleur en FSW
[^ 2]: comprendre quel est le stress résiduel
Quelle est la différence entre la friction et le soudage des tirs à la friction?
Le soudage à la friction et le soudage des métiers à la friction sont tous deux des processus à l'état solide qui utilisent la chaleur générée par la friction pour rejoindre les matériaux. Cependant, il existe des différences clés entre les deux méthodes:
Soudage par friction (FW)
Dans le soudage à la friction, deux pièces sont tournées les unes contre les autres sous pression jusqu'à ce qu'ils génèrent suffisamment de chaleur pour rejoindre. Le matériau est chauffé à un état fondu, ce qui le fait fusionner. Le processus est couramment utilisé pour rejoindre des pièces cylindriques.
Soudage de Stir en frottement (FSW)
FSW utilise un outil rotatif pour remuer le matériau sans le faire fondre. Il est utilisé pour rejoindre des matériaux à l'état solide, conduisant à de meilleures propriétés mécaniques et à une structure de grains plus fine. FSW est plus polyvalent et adapté pour rejoindre des pièces plus grandes ou plus complexes.
| Caractéristiques | Soudage à la friction | Soudage par agitation à la friction |
| Génération de chaleur | Le métal fond en raison d'une chaleur à forte frottement | Le métal est ramolli, mais pas fondu |
| Processus de soudage | Contact direct entre les pièces | Outil inséré dans la pièce pour remuer |
| Applications | Meilleur pour les pièces cylindriques | Convient aux structures complexes et grandes |
| Types de matériaux | Principalement en acier et en aluminium | Une variété d'alliages, y compris l'aluminium, le cuivre, le titane |
| Vitesse | Vitesse de soudage plus rapide | Vitesse de soudage plus lente pour les matériaux épais |
Conclusion
Le soudage par éloge sur la friction est une technique de soudage avancée et efficace qui fournit des soudures durables de haute qualité, ce qui le rend idéal pour des industries comme l'aérospatiale, l'automobile et la construction navale. Bien qu'il ait certaines limites, ses avantages, y compris une faible contrainte résiduelle et la capacité de souder des matériaux difficiles, en font une solution fiable. À mesure que la technologie évolue, les applications de FSW devraient croître, devenant une méthode clé dans la fabrication future.