Le soudage par friction malaxage - friction stir welding (FSW), en anglais - est une technique relativement nouvelle qui offre de nombreux avantages par rapport aux méthodes traditionnelles. En constante évolution, ce procédé se développe dans divers secteurs d'activité et relève les défis de nombreux projets industriels. Il se caractérise par un processus d'échauffement qui permet d'obtenir des soudures de haute qualité en limitant les défauts.
Par Landry Giraud,
Responsable du pôle R&D et de l'activité FSW de TRA-C Industrie
1. un Soudage à l'état solide
Le soudage par friction malaxage a été inventé par Wayne Thomas en 1991 et développé par The Welding Institute, au Royaume-Uni. D'abord breveté, il est tombé dans le domaine public en 2015, ce qui facilite son utilisation et son amélioration. Contrairement aux techniques de soudage conventionnelles nécessitant la fusion de la matière, il s'opère à l'état solide. La température de soudage mise en jeu est inférieure à celle de fusion des matériaux à assembler. Ce procédé est principalement utilisé avec des matières possédant un point de fusion bas. Dans90%des applications, il est choisi pour l'assemblage de pièces en alliages d'aluminium corroyés, extrudés, obtenus par fonderie ou même par fabrication additive. Néanmoins, il démontre son intérêt sur certains métaux à haute température de fusion tels que le titane et l'acier, malgré une mise en application limitée.
Le soudage par friction malaxage est un procédé mécanique qui implique l'utilisation d'un outil rotatif mis en contact avec les pièces à souder. La friction générée par le mouvement produit de la chaleur et amène les matériaux à un état pâteux permettant le malaxage. La tête de soudage est ensuite déplacée le long de l'interface pour former une liaison mécanique. Le FSW ne nécessite donc aucun métal d'apport.
Florent Robert Le procédé se décompose en quatre étapes : la pénétration, le préchauffage, le soudage et le retrait de l'outil (Fig. 1). L'outil est d'abord mis en rotation par l'intermédiaire d'une broche et inséré à l'interface des composants à assembler. Après sa mise en température et l'échauffement local de la matière, un effet combiné de rotation et d'avance permet la création du joint parle déplacement de la tête de soudage. Au cours de cette étape, plusieurs modes de pilotage peuvent être utilisés, en position ou en effort normal, pour donner la bonne compacité à la matière mal axée. À la fin de l'opération, l'outil est retiré, laissant un trou de sortie caractéristique de cette technique de soudage.
L'outil est l'une des clés de la réussite d'une soudure FSW et fait l'objet de nombreux essais. Si la conception géométrique est souvent issue du retour d'expérience de chaque utilisateur, la tête de soudage, elle, comporte toujours de deux éléments ayant des rôles distincts. L'épaulement est la partie qui reste en contact avec la surface du composant à souder et qui est responsable de la majorité de la chaleur générée par friction nécessaire au procédé. Grâce à l'effort normal appliqué, un phénomène de forgeage de la matière s'opère, limitant les défauts de vide. Le pion est la partie qui pénètre dans la matière et assure le malaxage. Il complète l'échauffement de l'épaulement parla vitesse de déformation plastique qu'il engendre sur la matière (Fig. 2 ).
Florent Robert L'étude et la conception de l'outil de soudage sont essentielles pour assurer la bonne qualité de l'opération. Les matériaux qui le composent sont principalement de l'acier H13 et ses dérivés, matériaux économiques également utilisés pour les outils de filières d'aluminium. En fonction de l'application, ses proportions géométriques sont adaptées pour satisfaire l'accessibilité, les critères de qualité et les configurations à souder.
2. Qualité, coût, environnement... Une technologie aux multiples atouts
Le FSW est un procédé intéressant en termes de productivité, d'applicabilité, d'empreinte environnementale et de qualité.
Avantages technologiques
Il permet de souder des alliages d'aluminium réputés difficiles, voire impossibles à assembler de manière traditionnelle, telles les séries 2000 au cuivre et 7000 au zinc. Il garantit une dégradation limitée des propriétés métallurgiques, donc mécaniques, des alliages sensibles à la chaleur. Des soudures hétérogènes sont possibles : aluminiums obtenus de différentes manières, aluminium et cuivre, aluminium et titane…Les concepteurs peuvent utiliser les matériaux nécessaires aux bons endroits en fonction des sollicitations mécaniques, élargissant les possibilités d'assemblage et de fabrication de composants multifonctionnels.
Le FSW permet en outre de réaliser des soudures d'épaisseur importante, jusqu'à plusieurs dizaines de millimètres en une seule passe. Réduire la complexité des processus de soudage (soudage multipasse) est un atout, notamment dans le secteur de la défense. Très adaptable, avec dessoudures dans toutes sortes de configurations -en bout à bout, en recouvrement, en «T», en «L»… -, le procédé répond aux besoins spécifiques de diverses industries et offre une solution alternative pour les différentes géométries de pièces (Fig. 3).
Florent Robert Avantages mécaniques
Grâce au soudage à l'état solide, le FSW limite la formation de zones fragiles telles que celles affectées thermiquement, ce qui contribue à une meilleure intégrité structurale. Il se distingue par ses excellentes caractéristiques mécaniques, notamment en termes de résistance et de ductilité dessoudures.
De plus, la tenue en fatigue des soudures est améliorée, assurant une plus grande durabilité des composants soumis à des charges répétitives. Grâce à des déformations limitées, le procédé est adapté aux applications exigeant une précision dimensionnelle. Les contraintes résiduelles sont également réduites. Enfin, dispensée d'ajout de métal, cette technologie garantit une homogénéité structurelle.
Avantages économiques
Le procédé FSW est une source de réduction des coûts dans de nombreuses applications industrielles. La productivité est en hausse grâce à une vitesse de soudage élevée (3 m/min pour des épaisseurs inférieures à 5 mm sur aluminium) et la durée de vie des outils accrue, car ils résistent à de nombreuses opérations de soudage avant de nécessiter un remplacement (en moyenne 1000 m pour des épaisseurs inférieures à 5 mm sur aluminium).
Avantages environnementaux
Le soudage par friction malaxage contribue à une approche plus durable des processus de fabrication. Tout d'abord, il se passe de métal d'apport. Or ce dernier, du fait de sa fabrication, est responsable de plus de 50 % des émissions de CO2 des procédés de soudage classiques. Il ne nécessite pas non plus de gaz de protection, utilisés dans les méthodes de soudage par fusion. Les émissions de gaz à effet de serre associées à la fabrication de ces gaz sont évitées. De plus, le FSW génère peu ou pas de fumées, réduisant la pollution et créant un environnement de travail plus sain pour les opérateurs, et ne dégage aucun rayonnement UV nocif.
Avantages en termes de qualité
Les avantages en termes de qualité sont nombreux. Le procédé à basse température et à l'état solide évite les défauts rencontrés avec les techniques traditionnelles. Les risques de fissuration et de porosité liés aux cycles thermiques élevés sont limités et les distorsions réduites de manière significative, ce qui confère aux pièces soudées une meilleure intégrité dimensionnelle.
Le FSW étant un procédé automatisé, sa répétabilité et sa reproductibilité assurent une uniformité remarquable. Les paramètres de soudage sont maintenus constants, ce qui permet de détecter les dérives process, de réduire les variations de production et de garantir des performances mécaniques homogènes.
3. Des applications variées
Les avantages cette technologie avaient été pressentis au début des années 1990. Depuis que le brevet est tombé dans le domaine public, elle prend place dans des secteurs stratégiques tels que l'e-mobilité, l'aéronautique et la défense.
E-mobilité
L'allégement des véhicules est un enjeu crucial pour le secteur de l'automobile avec l'électrification croissante du parc. L'acier utilisé traditionnellement laisse la place à des alliages légers tels que ceux à base d'aluminium, qui amènent à utiliser le FSW. Historiquement choisi pour l'assemblage d'éléments structurels, ce procédé a été utilisé pour le soudage de montants de porte (pièces d'abord soudées, puis embouties), de capots de coffre ou encore de roues en alliage d'aluminium. Dès le début des années 2010, cette technologie est apparue comme une solution adaptée pour assembler des pièces de grande dimension comme les bacs à batterie, avec l'avantage de réduire considérablement les distorsions par rapport au soudage CMT (cold metal transfer).
Les capacités des véhicules électriques ne cessent d'être repoussées, notamment pour augmenter leur autonomie. Les composants sont soumis à de fortes contraintes thermiques lors des recharges et des décharges de la batterie. Pour y faire face, les constructeurs automobiles développent des circuits de fluides caloporteurs complexes. Les joints toriques vissés ne suffisent plus pour garantir une étanchéité durant toute la vie du véhicule. Permettant de réaliser des soudures étanches, de surcroît sur les alliages d'aluminium de fonderie réputés poreux, le soudage par friction malaxage a remplacé les solutions existantes. Il est également choisi pour l'optimisation du poids, l'absence de métal d'apport offrant un gain de masse significatif des pièces structurelles ou des châssis.
Aéronautique
Le FSW s'inscrit comme une technologie révolutionnaire dans l'aéronautique et l'aérospatiale, l'aluminium étant très utilisé dans ces secteurs. Les recherches ont été axées sur des alternatives au rivetage pour les panneaux raidis afin de répondre à des problématiques de poids et de coût. C'est ainsi que le soudage par friction malaxage a été choisi par l'avionneur américain Eclipse Aviation pour l'assemblage des fuselages et des ailes du jet Eclipse 500. Quelque 70% des rivets ont été supprimés et la durée de vie initiale de cet avion a doublé.
Par la suite, l'attention s'est portée sur des pièces structurelles afin de limiter le ratio « buy to fly ». Ce facteur représente le rapport entre la quantité de matière achetée (buy) et la quantité de matière réellement utilisée dans la pièce finie (fly). En d'autres termes, il mesure le gaspillage de matériaux dans le processus de fabrication. La soudure FSW, par exemple pour les pièces brutes reconstituées, peut aider à réduire ce ratio grâce à une utilisation plus efficace de la matière première.
Cette méthode est également avantageuse pour la fabrication des réservoirs de fusée, réalisée à l'origine par soudage TIG (tungsten inert gas), mais qui était confrontée à des problèmes de contrôle qualité et de durabilité. Le FSW s'avère plus facilement applicable et permet l'utilisation de nuances d'aluminium impossibles à souder avec le procédé traditionnel, notamment celles, moins courantes, contenant du lithium.
Dans le cadre de la décarbonation du secteur aéronautique et du remplacement du kérosène par des carburants durables, les constructeurs d'avions explorent le FSW pour développer des réservoirs à hydrogène. Grâce aux retours d'expérience du secteur spatial, ils misent sur ce procédé pour en optimiser la conception, la résistance et l'intégrité.
Défense
Dans le secteur de la défense, où la robustesse, la légèreté et la résistance sont des défis importants, le soudage par friction malaxage se positionne comme une solution de choix. Les caractéristiques mécaniques de ce type de soudure sont clés. Les zones affectées thermiquement sont plus limitées qu'avec les méthodes traditionnelles et leur comportement mécanique sous haute vitesse de sollicitation est supérieur.
Grâce au FSW, le point d'assemblage des composants, où se produisent parfois des fuites balistiques (zones vulnérables aux attaques qui remettent en cause la protection des soldats, ndlr), possède une meilleure résistance. Le procédé a également prouvé son efficacité dans la protection contre le blast (souffle explosif). Enfin, sa capacité à effectuer des soudures sur des épaisseurs importantes, nécessaires pour garantir la robustesse des caisses blindées, est cruciale.
Autres secteurs
D'autres secteurs d'activité utilisant l'aluminium, comme le transport, sont équipés en soudage par friction malaxage. Dans le ferroviaire, son automatisation et sa répétabilité, particulièrement adaptées à la fabrication de pièces de grande dimension, ainsi que sa capacité à maintenir des propriétés mécaniques régulières même sur de longues distances, justifient son utilisation pour l'assemblage de pièces telles que les châssis de wagon et les caisses de train.
Le secteur de l'énergie est un grand utilisateur de cuivre. Au cours des dernières années, de nombreuses applications se sont développées, même si la conductivité thermique reste un réel défi. Dans le nucléaire, par exemple, des conteneurs cylindriques, appelés canisters, soudés par FSW pour le stockage de déchets ont été mis au point.
Cette technologie se révèle polyvalente et indispensable dans divers secteurs. Son utilisation dans des domaines aussi variés que l'e-mobilité, l'aéronautique et l'énergie témoigne de sa capacité à répondre aux besoins des industriels. Elle offre des avantages significatifs en termes de qualité, d'efficacité et de performance dans un grand nombre d'applications et se positionne comme un procédé stratégique, économique et écologique.
4. Limites et contraintes du FSW
Le soudage par friction malaxage exige toutefois une attention particulière lors de son application. L'une des contraintes majeures réside dans la nécessité de brider les pièces à souder de manière extrêmement rigide. En raison des forces générées pendant le processus, une fixation robuste, souvent sous la forme d'une enclume, est essentielle pour maintenir la stabilité des pièces. Cet aspect peut restreindre la flexibilité du processus, en particulier dans des situations où un accès facile n'est pas garanti.
Même si la faisabilité a été largement démontrée, les efforts engendrés par la réalisation de soudures en trois dimensions restent un frein. Ainsi, les robots équipés d'une tête de soudage FSW sont limités en effort, et donc en épaisseur, du fait de leur rigidité limitée par rapport aux machines dédiées. Inversement, ces dernières disposent d'un espace de travail souvent plus limité que les robots.
La sélection des matériaux à souder est un autre inconvénient du FSW. Bien que la littérature prouve l'intérêt et la faisabilité de cette technique sur les matériaux à haut point de fusion, son utilisation demeure ponctuelle en raison des considérables sollicitations thermomécaniques appliquées sur l'outil lors de la phase de soudage. Même les outils fabriqués à base de carbure de tungstène ou de PCBN (polycrystalline cubic boron nitride) ont une durée de vie limitée à quelques dizaines de mètres. Comme leur prix d'achat est élevé, l'équation économique n'est pas viable.
Enfin, les soudures FSW peuvent être confrontées à certains défauts (Fig. 4 ) liés au caractère mécanique du procédé. Le principal est le défaut de tunnel .Cependant, grâce à l'amélioration des réglages des paramètres et à une attention apportée à l'accostage des pièces, il peut être facilement évité.
Florent Robert Depuis plus de dix ans, le procédé est intégré dans un domaine normatif destiné à faciliter son industrialisation. Créée en 2012 et révisée en 2020, la norme NF EN ISO 25239 établit des lignes directrices précises en matière de procédures de soudage FSW. Une nuance est à apporter, puisque cette norme ne concerne que les alliages d'aluminium. Néanmoins, elle est usuellement étendue aux autres alliages en attendant une généralisation.
5. Perspectives
Le soudage par friction malaxage évolue à un rythme soutenu, offrant des perspectives prometteuses pour l'industrie. Plusieurs axes de développement pourraient en repousser les limites. L'augmentation de la vitesse de soudage est l'un des objectifs clés pour accroître la productivité. Pour l'atteindre, des machines associées à de nouvelles techniques de pilotage et à un outil approprié devront être mises au point.
L'amélioration des contrôles in situ grâce aux données machines offre quant à elle des perspectives pour garantir la qualité continue des soudures. En intégrant des capteurs et des systèmes de surveillance avancés, les machines pourront ajuster en temps réelles paramètres de soudage pour optimiser les résultats. Enfin, le développement de techniques connexes telles que le RFSSW (refill friction stir spot welding), le SSFSW (stationary houlder friction stir wel-ding) et le FSD (friction stir deposition) ouvre de nouvelles possibilités d'applications et élargit les domaines d'utilisation. Ces avancées technologiques promettent de positionner le FSW comme une méthode de soudage incontournable pour répondre aux enjeux de l'industrie tout en s'inscrivant dans la nécessaire réduction des émissions de CO2 de la production.
Ce qu'il faut retenir
Cette technologie de soudage a l'originalité de fonctionner à l'état solide et sans métal d'apport, grâce à l'action mécanique d'un outil rotatif dont la bonne conception géométrique est cruciale.
Ce procédé est utilisé à90%pour assembler des pièces en alliages d'aluminium, matériaux pour lesquels il excelle et s'avère parfois la seule option.
La basse température à laquelle le soudage est réalisé est un atout clé pour l'intégrité mécanique et dimensionnelle des pièces et la qualité dessoudures.
