Essai de fissuration a` chaud en soudage TIG sur un

alliage daluminium 6061

Aurelie Niel, Cyril Bordreuil, Frederic Deschaux-Beaume, Gilles Fras

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Aurelie Niel, Cyril Bordreuil, Frederic Deschaux-Beaume, Gilles Fras. Essai de fissurationa` chaud en soudage TIG sur un alliage daluminium 6061. 16e`me Colloque National de laRecherche en IUT, Jun 2010, Angers, France. 9p.

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Submitted on 4 Apr 2013

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Essai de fissuration chaud en soudage TIG sur un alliage daluminium 6061.

Aurlie Niel *, Cyril Bordreuil *, Frdric Deschaux-Beaume *, Gilles Fras *

* Laboratoire de Mcanique et Gnie Civil - LMGC UMR 5508, Universit de Montpellier II, 34095 MONTPELLIER cedex, France

Sections de rattachement : 60 Secteur : secondaire

RSUM. Le soudage est une technique d'assemblage de pices trs dveloppe dans l'industrie. Compte tenu des exigences actuelles du march, les industriels cherchent repousser les limites des procds. En vue d'accrotre la productivit, diminuer les cots tout en garantissant la qualit des pices. L'augmentation de la vitesse de soudage entrane de nombreux dfauts, dont la fissuration chaud. Plusieurs tudes ont t faites ce sujet. Toutefois, la comprhension de ce phnomne est un problme complexe faisant intervenir le procd, le matriau et le chargement mcanique. Les mthodes exprimentales dinvestigation de ce dfaut [Cartaud1995] sont nombreuses, mais ces essais savrent souvent difficiles interprter et surtout comparer. Nous dveloppons un nouvel essai consistant appliquer une prcontrainte de traction contrle dans la direction de soudage sur une tle dalliage daluminium 6061 de faible paisseur, avant de raliser une ligne de fusion avec le procd TIG. Cet essai permet linitiation de fissures en rgime de soudage tabli, au sein de la zone pteuse o des mcanismes complexes de solidification sont mis en jeu. Le document prsentera le soudage et le phnomne de fissuration chaud. Ensuite, une mthode de caractrisation de la fissuration chaud en soudage par des mesures couples sera dveloppe en vue dtablir un critre de sensibilit [Rappaz1999].

MOTS-CLS : soudage; fissuration chaud ; alliage daluminium.

1. Introduction au soudage

L'opration de soudage peut tre assimile une opration de fusion locale donnant la pice une nouvelle structure cristalline, cette structure dpendant des conditions de soudage et des mtaux d'apport. En soudage, on observe un trs fort gradient thermique dans la pice d un apport trs localis de chaleur.

Figure 1. Soudage TIG.

Le terme 'TIG' est l'abrviation de 'Tungsten Inert Gas' et dsigne le procd de soudage l'arc en atmosphre inerte avec lectrode de tungstne aussi appele 'GTAW' (gaz tungsten arc welding). Le procd de soudage TIG consiste crer un arc entre l'extrmit d'une lectrode rfractaire (tungstne) et la pice souder et provoquer ainsi la fusion du mtal de base. Les diffrents lments participant au soudage sont dcrits dans la figure 1. De nombreuses tudes ont donc t menes pour limiter les dfauts tout en augmentant la productivit. Ce document prsente le phnomne de fissuration chaud en soudage. Ensuite, un nouvel essai, simple et original, sera prsent. Lanalyse des rsultats exprimentaux sera faite. Pour finir une validation numrique de lessai sera prsente.

2. La fissuration chaud

Le soudage, comme tous les autres procds o il y a solidification de l'alliage, est trs sensible la fissuration chaud. De nombreux paramtres sont prendre en compte pour limiter les risques de fissuration, comme la vitesse de refroidissement ou encore la composition de l'alliage. Ce paragraphe dcrit les mcanismes d'apparition de la fissuration ainsi que les facteurs influents.

La solidification correspond un changement d'tat, du liquide au solide. La structure du matriau est dfinie par les conditions de solidification. La zone pteuse correspond la coexistence de la phase liquide et de la phase solide. Les bornes de

l'intervalle de solidification correspondent la temprature de liquidus et de solidus du matriau.

Figure 2. Evolution de la solidification au cours du soudage.

La structure volue en 4 tapes successives, figure 2, pour atteindre l'tat solide [Rappaz]. la germination: des particules solides germent alors dans une grande quantit de

liquide. Le matriau se comporte comme un fluide visqueux sans tenue en traction.

la croissance : la fraction solide croit progressivement et la temprature tend vers le solidus. En soudage, le gradient thermique tant trs important, le front de solidification (interface liquide solide) est de type dendritique.

la cohsion: la fraction solide commence tre leve. Les dendrites entrent en contact les unes avec les autres et forment un squelette solide cohrent. La chute de la permabilit alors observe est due la formation d'un rseau solide de plus en plus dense. De fins films liquides subsistent entre les grains solides et subissent de fortes dformations.

la solidification : la fraction solide tend vers 1 et les dernires poches de liquide se solidifient. Le rseau solide peut alors rsister aux dformations. La contrainte et la dformation rupture (de la zone pteuse) augmentent rapidement.

Les sollicitations mcaniques subies par le squelette pendant la solidification sont dues trois types de phnomnes, thermiques et mcaniques. la contraction de solidification due au changement de phase liquide/solide.

la contraction thermique du squelette solide dj form. les dformations provenant des contraintes extrieures.

L'intervalle de fragilit (Brittle Temperature Range ou BTR) est dfini comme tant l'intervalle de temprature correspondant aux fractions solides o la microstructure est en configuration critique. Les bornes du BTR correspondent respectivement la temprature o la fraction de solide est telle que le liquide ne peut plus circuler cause de la perte de permabilit (fscritique) et la temprature o la fraction de solide est suffisante pour que la rsistance mcanique augmente grce au nombre de ponts solides forms (au-del de fscoalescence mais infrieur 1).

De plus, le gradient thermique de soudage tant trs lev, Fabrgue a propos de choisir la fraction solide critique de 0,7 environ (au lieu de 0,9 en fonderie) pour un alliage d'aluminium. Ainsi en soudage, la zone pteuse est plus large ce qui induit un risque de fissuration plus important [Fabrgue1994].

3. Essais de fissuration chaud

La comprhension de ce phnomne est un problme complexe faisant intervenir une forte interaction entre le procd, le matriau et le chargement mcanique. Les mthodes exprimentales dinvestigation de ce dfaut [Cartaud1995] sont nombreuses, mais il savre souvent difficile dinterprter les paramtres influant sur linitiation.

Un essai original a donc t dvelopp pour promouvoir linitiation de la fissure grce une sollicitation simple. Il consiste appliquer une prcontrainte de traction contrle dans la direction de soudage, avant de raliser une ligne de fusion avec le procd TIG , figure 3b. Le banc dessai de fissuration chaud, figure 3a, est mis sur deux axes mobiles (X, Y) de table. Lors d'un essai, la torche de soudage est dans une position fixe et le banc est en mouvement de translation longitudinale vitesse constante.

Les tles sont de faible paisseur (< 3mm) et les chantillons, dcoups grce une machine jet deau, sont de dimensions 265x50mm.

Figure 3. a) Banc dessai, b) Schma de lessai et de la sollicitation.

a)

b)

Six vitesses de soudage, comprises entre [5 mm/s ; 20mm/s], ont t tudies. Quatre essais ont t raliss pour chaque vitesses en faisant varier lintensit de soudage dans la gamme [130 A ; 260 A]. Les gammes de vitesse et dintensit de soudage choisies, pour cette tude, sont leves pour le procd TIG.

Dans ce test, le contrle de la microstructure est possible en ajustant lintensit et la vitesse de soudage ainsi que les dimensions des chantillons. Dans cette tude, les dimensions et lpaisseur de la tle (3mm) sont constantes, seuls les paramtres de soudage varient. Le chargement mcanique est contrl par les paramtres de soudage et par la prcontrainte applique. Au total, 24 chantillons ont t tudis avec des paramtres de soudage variables et une prcontrainte fixe de 200 MPA (0.8 mm de dplacement). Des essais avec et sans prcontrainte ont t raliss mais ne seront pas prsents dans cette tude.

Cet essai simple a pour but danalyser linfluence du procd sur la microstructure et sur le chargement mcanique global. Rappelons que les facteurs influents sur la fissuration chaud en soudage sont : la vitesse et lintensit de soudage, les lments dalliages, la sollicitation mcanique. Les rsultats quantitatifs tudis sont : le nombre de fissures obtenus, la largeur des fissures et leur position dans le cordon. Un paramtre qualitatif sera ensuite tudi laide dun critre de fissuration chaud.

Cet essai permet l'initiation de fissure en rgime quasi stationnaire, au sein de la zone pteuse o des mcanismes complexes de solidification sont mis en jeu. L'initiation de la fissure se fait transversalement en bord de cordon, puis se propage longitudinalement le long de la ligne centrale, reprsente en figure 4.

Figure 4 Fissure obtenue aprs lessai.

4. Analyses exprimentales

Les facies de rupture sont observs laide dun microscope, macroscope et dun MEB. Avec nos conditions de soudage, la fissure sinitie toujours au bord de la zone fondue et de manire transverse la direction de soudage.

Les observations au macroscope, figure 5a, montrent que les fissures sont inter dendritique. La prsence de films liquides en fin de solidification est visible sur le facies de rupture tudi au MEB, figure 5b.

Des longueurs caractristiques sont mesures dans le but didentifier linfluence des paramtres de soudage sur la solidification et sur linitiation de fissure. Aux fortes vitesses de soudage, linteraction thermique/mtallurgique donne une

microstructure dendritique de type colonnaire sur les bords du bain et quiaxe au centre du cordon. La proportion de chacune des deux zones est fonction des paramtres de soudage et influe sur la sensibilit la propagation de la fissure.

Figure 5. Analyses : a) Microscope *100 ; b) MEB *2100.

En effet, plus la zone quiaxe est large par rapport la zone colonnaire, plus la fissure aura du mal se propager au centre du cordon. En moyenne, sur les essais fissurants, on retrouve une zone dendritique colonnaire denviron 1500 m sur les bords du cordon et une zone dendritique quiaxe au centre denviron 2000 m.

La dsorientation entre les grains est aussi un paramtre important prendre en compte dans ltude du phnomne. En effet, une forte dsorientation entre deux grains limite larrive du liquide en pied de dendrites. La dcohsion de deux grains ne pourra donc pas tre gurie par une alimentation en liquide rsiduel. Toutefois, aprs observation des fissures, on ne note pas de corrlation entre la position des fissures et la forte dsorientation entre grains.

Linfluence de la morphologie des grains et leurs tailles a t tudie. Dans nos gammes de vitesse et dintensit, les fissures sinitient toujours entre les grains colonnaires. Conformment la littrature qui monte une sensibilit accrue la fissuration chaud des grains dendritiques colonnaires par rapport celle des grains quiaxes. En effet, la circulation du liquide en fin de solidification est plus difficile entre les grains colonnaires.

Le chargement mcanique vient se joindre une microstructure sensible pour favoriser linitiation de fissure. En effet, le retrait du mtal qui tend se solidifier dans le BTR ainsi que la prcontrainte impose par lessai viennent solliciter les grains colonnaires dans le sens de louverture. Ces fissures sont donc la fois lies la

b)

a)

mtallurgie par une microstructure sensible et ltat de contraintes rsultant du cycle de soudage. Une prdiction intrinsque de l'initiation des fissures devra donc prendre en compte l'influence des morphologies induites lors de la solidification ainsi que le chargement mcanique l'chelle de la pice.

Figure 6 Images issues des vidos in situ.

Des analyses par ressuage ont t faites sur lensemble des chantillons. Diffrents modes de ruptures ont pu tre identifis. Les essais forte vitesse et forte intensit montrent une fissure transverse qui se propage rapidement en fissure longitudinale (de 6000 m de largueur en moyenne). Or, lorsque les vitesses sont moins leves, on observe une succession de fines fissures transverses (moins de 30 m de largueur) natteignant pas la zone quiaxe centrale.

A ces diffrentes analyses, des observations in situ de linitiation de fissure ont t faites. Ces vidos ont t faites laide dune camra rapide, 1000 images par seconde, qui est installe au dessus du cordon. Aprs divers rglages, notamment pour amliorer la luminosit et la protection gazeuse, la croissance des grains ainsi que la propagation de la fissure ont pu tre observes. Sur la figure 6, deux images extraites des vidos sont prsentes. Sur ces images, la dlimitation du bain de fusion est clairement visible. Ces vidos permettent de mieux apprhender le phnomne de fissuration chaud en soudage. Linitiation de la fissure se fait bien en bord de cordon, toutefois, il reste difficile de situer cette fissure vis--vis de lintervalle de fragilit.

La non homognit du chargement thermique ainsi que la non linarit du comportement mcanique du matriau rendent la comprhension du phnomne complexe. Cest pourquoi nous avons choisi de faire une modlisation simple de lessai dvelopp afin de mieux comprendre linfluence de la prcontrainte sur linitiation de fissure.

5. Validation numrique

La modlisation thermomcanique et mtallurgique de lessai est de grand intrt pour tudier les sollicitations dans la zone pteuse. Au cours d'une opration de soudage, les phnomnes physiques peuvent tre rpertoris en trois catgories:

Thermique: source de chaleur, chaleur latente, conduction et convection;

Mtallurgique: dilatations thermiques, changements de microstructure;

Mcanique: dformations et contraintes rsiduelles induites lors du soudage.

Le matriau, alliage daluminium 6061, a choisi d'tre en accord avec la partie exprimentale de l'tude. Le maillage, grossier autour du cordon, a t raffin dans la zone fondue. La source de chaleur, de type gaussienne, de rayon 3,5 mm dont l'intensit maximale est de 100 W/mm a t modlise. Cette source se dplace une vitesse de 15 mm/s. Les pertes par convection et rayonnement sont pris en compte. Toutes proprits thermiques et mcaniques sont considres comme dpendantes de la temprature. Un comportement lasto plastique avec un crouissage mixte est pris en compte [Maisonnette]. La simulation permet dtudier lensemble des sollicitations thermiques et mcaniques subies lors dun cycle de soudage. Des pistes damlioration de procd pourront ensuite tre tudies pour limiter ces sollicitations dans le but de rduire linitiation de fissure. Toutefois, cet tude ne portera que sur lanalyse de l'influence de la prcontrainte de traction sur la sensibilit la fissuration chaud.

Figure 7 Evolution de la dformation plastique longitudinale.

Deux cas sont tudis ici: le premier, soumis une contrainte de traction longitudinale, et le second sans. Lvolution de dformation plastique suivant y, en figure 7, est montre en fonction du cycle thermique.

L'histoire mcanique du nud situ au bord du cordon en zone fondue est tudie. En effet, exprimentalement nous avons observ que la fissure sinitiait toujours au bord de la zone fondue et se propager ensuite au centre. Or dans cette tude, nous portons lintrt sur les conditions dinitiation de fissure et non de propagation. Lintervalle de fragilit est dlimit par deux droites noires, et correspond notre zone dintrt. La dformation longitudinale de lessai avec traction est 30 % suprieure celle sans traction dans le BTR. On peut donc en dduire que lessai dvelopp aura tendance favoriser louverture de fissure.

6. Conclusion et perspectives

La fissuration chaud est un problme multiples facettes, avec de nombreuses interactions entre le procd, le matriau et le chargement mcanique. Un grand nombre d'tudes ont t faite sur la fissuration chaud, mais peu ont tudi la relation entre le chargement mcanique, induite par le cycle thermique, et la microstructure. Le but de lessai tait de dvelopper un test simple et utilisable dans l'industrie. Il permet ainsi danalyser les conditions dinitiations de fissure en fonction des paramtres de soudage, du matriau et de prcontrainte applique.

Actuellement, lapplication dun critre dinitiation de fissure est ltude. Ce critre permettra de montrer la sensibilit de lessai la fissuration chaud en fonction de diffrents paramtres. Ces paramtres seront dordre mcanique, par lintroduction des vitesses de dformation de la zone pteuse, mais aussi mtallurgique (et donc lis aux conditions de soudage) par lintroduction de grandeurs microstructurales. Des voies doptimisation du procd de soudage sont envisager pour diminuer le risque de fissuration malgr les fortes vitesses de soudage.

7. Bibliographie

Cartaud, Essais de fissuration chaud, STC, vol. 49, No 9-10, 1995.

Fabrgue, Microstructure et fissuration chaud lors du soudage laser dalliages , Thses, INPG, 2004.

Rappaz, Drezet, Gremaud, A new hot tearing criterion, Metallurgical and materials transactions A, 30A, 449, 1999.

Maisonnette, Influences mcaniques et mtallurgiques de procds haute temprature sur un alliage daluminium 6061-T6 , Thses, INSA Lyon, 2010.