Etude de l’influence des paramètres de soudage par friction sur la qualité des joints soudés
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Université Sétif 1 - Ferhat ABBAS , Institut d'Optique et Mécanique de Précision
Abstract
Friction welding is a solid state joining process that is widely used because of its advantages such as its low energy input and its ability to weld materials that can not be welded by conventional processes and without reaching the melting point. In this process, the heat required for welding is generated by the friction produced at the contact interface of a rotating part and a stationary part under the action of axial pressure. During welding, the friction induces significant plastic deformation of the material at the faying surface which allows, and under the action of pressure, to produce high quality solder joints. In this work, we mainly focus on the effect of the operating parameters on the frictional weldability of a high carbon alloy steel (100Cr6). This steel is often used for the manufacture of bearings. To do this, this manuscript is organized in two parts. The first part is dedicated to the presentation of a review of the literature on the friction welding process and the material studied. The second part deals with the mechanical and microstructural characterization of similar and dissimilar friction welding joints obtained under various welding conditions of 100Cr6 steel. Firstly, An experimental procedure was used to obtain similar welded joints (100Cr6 steel / 100Cr6 steel) with different combinations of welding parameters.Analysis of the microstructure has shown that the area of the weld joint has three metallurgically different regions. This is a thermomechanically affected zone (ZATM) at the nearinterface region, a thermally affected zone (ZAT), and an unaffected zone. The microstructure of the ZATM is characterized by martensite and retained austenite grains. Tensile tests showed that tensile strength increased with increasing strength and friction time to a certain value and then decreased. The decrease in tensile strength as the friction force or time increases indicates that excessive value of these two parameters degrades seal quality. In addition, the hardness measurements assume that a hardened area is formed at the seam, which gives the material a brittle behavior after welding. In general, the mechanical properties are influenced by the overall effect of the metallographic structure of the weld. This is closely related to the type of material and process parameters. The second part concerns the dissimilar welding of two different materials. The first is the friction welding of 100Cr6 steel rods with an aluminum alloy rods (5xxx series, 5% Mg). The process was analyzed in the weld joint by the Vickers microhardness test. In the secod, rods of this steel were welded with a steel plate with different nature. The variations in hardness across the weld and the microstructure were examined
Description
Le soudage par friction est un procédé d'assemblage à l'état solide qui est largement utilisé en raison de ses avantages tels que son faible apport d’énergie et sa capacité de souder des matériaux qui ne peuvent pas être soudés par les procédés conventionnels et sans atteindre le point de fusion. Dans ce processus, la chaleur nécessaire au soudage est générée par le frottement créée à l’interface de contact d’une pièce en rotation et une pièce immobile sous l’action d’une pression axiale. Au cours du soudage, le frottement induit une déformation plastique importante du matériau à l’interface de contact ce qui permet de produire des joints de soudure de bonne qualité.
Lors de ce travail, on s’intéresse principalement à l’effet des paramètres opératoires sur la soudabilité par friction d’un acier à haute teneur en carbone (100Cr6). Cet acier est souvent utilisé pour la fabrication des roulements. Pour ce faire, Le présent manuscrit s’organise en deux volets. Le premier volet est consacré à la présentation d’une revue de la littérature sur le procédé de soudage par friction et le matériau étudié. Le second volet porte sur la caractérisation mécanique et microstructurale de joints de soudure par friction (semblables et dissemblables) obtenus dans diverses conditions de soudage de l’acier 100Cr6. En premier temps, une procédure expérimentale a été utilisée pour obtenir des joints de soudure semblables (acier 100Cr6 / acier 100Cr6) avec des combinaisons différentes de paramètres de soudage. L’analyse de la microstructure a montré que la zone du joint de soudure présente trois régions métallurgiquement différentes. Il s’agit d’une zone affectée thermomécaniquement (ZATM) à la région proche de l’interface, une zone affectée thermiquement (ZAT) et une zone non affectée. La microstructure de la ZATM est caractérisée par des grains de martensite et d’austénite résiduelle. Les essais de traction ont montré que la résistance à la traction augmentait avec l'augmentation de la force et le temps de friction jusqu'à une certaine valeur, puis elle diminuait. La diminution de la résistance à la traction lorsque la force ou le temps de friction augmentent indique qu'une valeur excessive de ces deux paramètres dégrade la qualité du joint. De plus, les mesures de dureté montent qu’une zone durcie est formée au niveau du joint de soudure, ce qui donne un comportement fragile au matériau après le soudage. En général, les propriétés mécaniques sont influencées par l'effet global de la structure métallographique de la soudure. Cette dernière est étroitement liée au type du matériau et les paramètres du procédé.
La seconde partie concerne le soudage dissemblable de deux matériaux différent. Il s’agit, en premier lieu du soudage par friction des tiges d’acier 100Cr6 avec des tiges d’un alliage d’aluminium à 5 % Mg (série 5xxx). Le processus a été analysé dans le joint de soudure par le test de microdureté Vickers. En deuxième lieu, des tiges de cet acier ont été soudées avec une plaque en acier de nature différente. Les variations de la dureté à travers la soudure et la microstructure ont été examinées.