In this study tools consisting of a 5mm cylindrical pin and a 12mm shoulder held by a simple tool holder were used to compare the wear of 11 tooling materials. The objective was to determine if using these tools in a spot welding configuration to simulate friction stir welding could differentiate the potential performance of tooling materials. All tools were made of varying percentages of polycrystalline cubic boron nitride (PCBN), tungsten (W) and rhenium (Re). The materials are referred to herein as GV1, GV2, G1, G2, G3, G4, G5, G6, G7, G8 and G9.The tools were run to 205 welds if they did not fracture first. The grades averaged the following quantities of welds before fracture failure GV-1:0; GV-2:200; G1:82; G2:204; G3:205; G4:205; G5:96; G7:102.73; G8:21.2; G9:38.5. Of the tools that ran the full 205 welds without chipping, the average calculated volume loss, which was the best indication of wear, was as follows G2:1.83%; G3:2.53%; G4:2.41%; G5:1.93%; and G7:2.30%.The study showed that G2 had the least wear and G6 had the most wear, of those tools that completed all 205 spot welds. Fracture was the failure mode of all grades with over 70% CBN content. It was found that small CBN grain size was not correlated to better wear performance, as has been seen in a prior study.

Friction Stir Welding (FSW) is an emerging joining technology in which basic process understanding is still inadequate. Knowledge of FSW parameter relationships is needed to better understand the process and implement proper machine control. This study utilized a 3-factor, 3-level factorial design of experiments to investigate relationships between key process inputs and measured output parameters. All experiments utilized 7075-T7 aluminum and a threaded pin tool with a 25.4 mm shoulder diameter, 4.76 mm pin length, and 7.9 mm pin diameter. Spindle speed, feed rate, and tool depth were varied throughout 54 welds while X, Y, and Z forces, X torque, three tool temperatures, and motor power were measured. Empirical models were developed to relate outputs to inputs. The relationships between inputs and outputs are nonlinear and require, at a minimum, a quadratic equation to reasonably model them. These models were further analyzed to explore possible control schemes. Tool depth was found to be the most fundamental means of controlling weld forces and tool temperatures. This research describes the input/output relationships enumerated above for FSW as well as a discussion of possible control schemes.

Friction stir welding (FSW) of HSLA steel commonly produces a hard zone (HZ) on the advancing side (AS) of the weld. Despite its detrimental effects on weld toughness, the mechanisms of its formation have not been thoroughly investigated and are not well understood. This paper investigates the various mechanisms in FSW believed to affect the weld HZ, namely: strain, strain-rate, peak temperature and cooling rate. Gleeble tests indicate that strain and strain rate have negligible effects on weld HZ with cooling rate and peak temperature as dominant effects. Jominy tests resulted in cooling rate having 270% greater influence than peak temperature on the formation of lath ferrite microstructures similar to what is observed in the HZ of FSW X65. Comparing weld HZ microstructures to Jominy tests, it is estimated that cooling rates on the AS of the weld are at least 150°C/s higher than the retreating side. Reducing the cooling rate on the AS will likely lead to an improved microstructure at the weld HZ.

Pour réduire le poids des structures aéronautiques, plusieurs voies ont été explorées. Parmi elles, l'utilisation des alliages d'aluminium légers et le remplacement des structures rivetées par des structures soudées par Friction Stir Welding (FSW) sont envisagées. La question de la durée de vie de ces structures préoccupe les industriels. Dans ce cadre, cette étude porte sur la sensibilité à la corrosion sous contrainte intergranulaire (CSC-IG) du noyau de soudure par FSW de l'alliage Al-Cu-Li 2050. Ce matériau est composé de grains équiaxes dont la taille diminue de 17 à 4 µm à mesure que l'on s'éloigne de la surface de soudage. Une variation de texture est révélée grâce à des cartographies EBSD formant la microstructure des « onion rings ». La périodicité de ces « onions rings » est égale à l'avancée du pion FSW sur un tour (500 µm pour notre matériau). Ces hétérogénéités microstructurales entraînent des gradients de champs mécaniques locaux quantifiés par corrélation d'images lors des essais mécaniques. Ces hétérogénéités microstructurales et mécaniques favorisent les phénomènes de corrosion localisée lorsque le matériau est soumis à un environnement agressif. Les effets des contraintes et de la microstructure sur la CSC-IG sont mis en évidence par des essais de corrosion et des essais de corrosion sous contrainte (CSC). Les essais de corrosion montrent une sensibilité du matériau à la piqûration alors que les essais de CSC révèlent l'amorçage de fissures intergranulaires. Les plus grosses fissures s'amorcent préférentiellement à la frontière des « onion rings ». Un modèle par éléments finis a été développé dans le but de simuler la propagation des fissures intergranulaires sur des agrégats réels générés par des cartographies EBSD. / To reduce the aircraft components weight, several solutions were explored. Among them, the using of light aluminum alloys and the substitution of riveting by friction stir welding (FSW) are investigated. Industry is concerned by the question of the life of such structures. For this, this study is focused on intergranular stress corrosion cracking (IGSCC) sensitivity of the 2050 Al-Li-Cu alloy friction stir weld nugget. This material consists of equiaxed grains whose size is decreasing with the distance from the weld surface between 17 µm at the top and 4 µm at the bottom. The “onion rings” microstructure is revealed by EBSD cartographies as a texture variation. They appear with a periodicity of 500 µm corresponding to the advance per revolution of the tool. Those microstructural heterogeneities cause local mechanical field gradients quantified by digital image correlation measurements during mechanical tests. Those microstructural and mechanical heterogeneities promote localized corrosion when the material is submitted to an aggressive environnement. Microstructure and stress effects on IGSCC are shown by corrosion tests and stress corrosion tests. The first ones show a sensitivity to pitting corrosion and a stress application reveal initiation of intergranular cracks. The biggest ones preferentially initiate at “onion rings” boundaries. A finite element model was developed in order to simulate intergranular cracks propagation on real aggregates obtained by EBSD cartographies.

Le procédé de soudage par friction malaxage (FSW) entraîne, d’une manière générale, une importante chute de dureté à travers le joint soudé. Dans le but de concevoir des structures aéronautiques soudées par FSW en fatigue, il est nécessaire de connaître l’impact de cette chute de dureté dans le comportement mécanique global de la soudure. Dans ces travaux, l’alliage d’aluminium à durcissement structural 2198-T8 est considéré. Une chaîne de calcul de durée de vie en fatigue d’une structure soudée par FSW est mise en place. Elle intègre un couplage de calculs et d’expériences grâce auxquels le comportement mécanique de la structure est modélisé. Dans un premier temps, le gradient de comportement mécanique de la soudure est étudié. Des essais mécaniques de traction et cycliques sont réalisés à température ambiante. La méthode de corrélation d’images numériques (DIC) est utilisée dans le but de mesurer les champs de déplacements localement dans et au voisinage du joint soudé. À partir des résultats expérimentaux, les paramètres mécaniques d’un modèle de comportement sont identifiés à partir d’un élément de volume, zone par zone à travers le joint soudé. En parallèle, une quantification des précipités durcissants T1 (Al2CuLi) est menée dans différentes zones du joint soudé à l’aide d’un Microscope Electronique en Transmission (MET). Un lien entre l’évolution de la microstructure à travers la soudure et l’évolution des paramètres mécaniques est recherché. Le modèle de comportement mécanique est utilisé sur des calculs de structure utilisant la méthode des éléments finis pour simuler le joint soudé. En parallèle, des essais de fatigue sont réalisés sur des éprouvettes uniaxiales et cruciformes soumises à des chargements uniaxiaux et multiaxiaux. À l’aide des simulations du gradient de comportement mécanique du joint soudé ainsi que des résultats mesurés en fatigue, les paramètres d’un modèle d’endommagement sont identifiés. Ce modèle est utilisé pour prédire les durées de vie en fatigue et les zones d’amorçages de fissure pour une structure soudée soumise à des chargements multiaxiaux. / The Friction Stir Welding (FSW) process generally induces a critical hardness decrease inside the welded joint. To design aeronautical structure welded by FSW in fatigue, it is then necessary to know the impact of this hardness drop on the constitutive behaviour of the junction. In this study, the hardening structural aluminium alloy 2198-T8 is considered.A fatigue lifetime assessment loop of a welded structure is implemented. It integrates a calculations and experiments coupling which is used to model the structure’s mechanical behaviour. The gradient mechanical behaviour of the weldment is initially studied.Monotonic and cyclic mechanical tests are carried out to room temperature. Digital Image Correlation (DIC) is used to measure local displacement fields around the junction. Based on this experimental data, mechanical parameters for a constitutive model are identified on a volume element, zone by zone across the welded joint. In parallel, a quantification of the T1 (Al2CuLi) strengthening precipitates is realized in different region of the joint with a Transmission Electron Microscope. A connection between the microstructure evolution and the mechanical parameters is researched. The gradient mechanical behaviour of the joint is assessed on a 3D structure by Finite Element Analysis. Furthermore, fatigue tests are carried out on uniaxial and multiaxial loadings welded specimen. Thanks to the mechanical behaviour model and the fatigue lifetime measured, a damage model is used to predict the fatigue lifetime and the crack initiation zone for a welded structure which is subjected to higher multiaxial loads.

Le soudage par friction malaxage (FSW) est un procédé de soudage innovant pour les matériaux à bas point de fusion (aluminium, cuivre…). Il a été breveté en 1992 par l’organisme anglais The Welding Institute (TWI). Depuis plusieurs années, celui-ci se développe dans l’industrie en cherchant à réduire son coût d’investissement. Le principe du FSW est de réaliser un cordon de soudure grâce à un outil animé d’un mouvement de rotation et d’avance. Les niveaux d’efforts et de précision requis contraignent à l’utilisation de machines cartésiennes de grande envergure. L’utilisation des robots industriels est un moyen de réduire les coûts, mais ils ne sont pas conçus pour ce genre d’applications et leur inconvénient majeur réside dans leur manque de rigidité. Ainsi, lorsque l’outil entre en contact avec les pièces à assembler, celui-ci peut dévier de plusieurs millimètres dans différentes directions de l’espace, rendant la mise en oeuvre d’une compensation de la trajectoire du robot obligatoire afin d’obtenir des soudures sans défauts. Le but de cette thèse a été de développer un procédé robotisé robuste. Le premier objectif est la mise en oeuvre d’une commande en effort robuste. En effet, en FSW, le maintien d’un effort axial constant est obligatoire. Le contrôle de cet effort permet de compenser la déviation axiale de l’outil et les défauts de mise en position des pièces à souder. Ainsi, une démarche d’identification et de modélisation afin de créer une commande en effort a été mise en oeuvre. La commande est définie de manière robuste afin d’éviter les réglages de l’asservissement lorsque les outils, les paramètres de soudage ou les trajectoires du robot changent. Une validation expérimentale complète a été réalisée dans le contexte du FSW. Le second objectif de cette thèse a été de développer une compensation de la déviation latérale de l’outil. Contrairement à l’objectif précédent, il n’y a pas d’effort à maintenir pour compenser cette déviation latérale. Dans l’industrie, cette déviation peut être compensée à l’aide d’un système de vision, mais ce dernier comporte de nombreux inconvénients en FSW (réflexion de l’aluminium, non visibilité du joint, coût, mise en oeuvre complexe). Ainsi, dans cette partie, un algorithme de compensation temps réel de la déviation latérale de l’outil a été mis en oeuvre. Celui-ci repose sur l’identification d’un modèle élasto-statique du robot. L’algorithme de compensation de la déviation latérale de l’outil a été couplé à la commande en effort et validé expérimentalement en FSW. La différence avec la majorité des travaux de recherche dans ce domaine est que les procédures d’identification n’utilisent pas de système de mesure 3D (photogrammétrie CCD ou laser de poursuite) dont le coût est un frein indéniable pour beaucoup d’industriels. La démarche est simple à mettre en oeuvre sur un robot industriel du marché actuel, et applicable pour d’autres procédés à contact comme l’usinage ou le polissage. / Friction Stir Welding (FSW) is an innovative welding process for materials with a low melting point (aluminium, copper…). It was patented in 1992 by the English organization The Welding Institute (TWI). For many years, an effort is done to reduce the investment cost for industrial applications. FSW process involves a rotating tool advancing along a path. Currently, gantry-type CNC systems are using for FSW manufacturing. These machines offer a high stiffness and can tolerate the forces during FSW in order to carry out a good weld quality. Industrials robots can reduce the investment cost; however they are not design for these applications. The main limitation is the low stiffness of the robot structure. Consequently, the robot deformation under the high process forces causes tool deviations about several millimeters. The robot path has to be compensated in order to obtain a good weld quality. The aim of this thesis is to develop a robust robotized process. The first goal is to realize a robust force control. During FSW, a constant axial forging force should be applied. Axial tool deviation is compensated with the force control approach. In this way, a modeling and identification method is done in order to design a force controller. The force controller is robust because no tuning is required, even if welding parameters or robot paths change. An experimental validation in FSW is done. The second goal is to realize a compensation of the lateral tool deviation. Unlike the axial deformation, there is no force to maintain for compensate this deviation. In industry, the lateral tool deviation could be compensated with a camera or laser sensor in order to track the weld seam path during welding. However, the cost of a seam tracking device, the aluminium reflexion and the lack of visibility in lap joint configuration are significant drawbacks. In this chapter, a compensation algorithm is designed. An elastostatic model of the robot is used to estimate in real time the deflection of the robot TCP. The compensation algorithm is coupled with the force controller defined previously. Compare with others research works about this topic, identification methods don’t need a 3D measurement system (CCD camera or laser tracker). The cost of such system is a main drawback for industrial applications. In this thesis, identification methods are easy to implement in an industrial robot and available for others processes like machining or polishing.

The current US fleet of nuclear reactors has been in service for three decades. Over this period, existing welds in stainless steel (SS) shrouds have sustained stress corrosion cracking (SCC) and are in need of repair. Additionally, helium has formed interstitially as a byproduct of proton bombardment. Current repair technology, such as TIG welding, puts extreme amounts of heat into the material and allows for interstitial helium atoms to aggregate and form bubbles/voids at grain boundaries. This significantly weakens the material, proving to be a very counterproductive and ineffective repair technique. Much study has been done on friction stir processing (FSP), but none has explored it as an enabling repair technology for use in nuclear applications. Because of its relatively low energy input as a solid state joining technology, it is proposed that FSP could effectively heal SCCs in these existing welds without the negative side effect of helium bubble formation. A spread of speeds and feeds were initially tested using a PCBN-W-Re tool on 304L SS. Six of these parameter sets were selected as representations of high, medium, and low temperature-per-power outputs for this research: 2 IPM-80 RPM, 2 IPM-150 RPM, 4 IPM-150 RPM, 4 IPM-250 RPM, 6 IPM-125 RPM, and 6 IPM-175 RPM. These varied parameter sets were tested for their tensile, micro-hardness, and corrosion resistant properties. In general, the lower IPM and RPM values resulted in higher ultimate tensile strengths (UTS). Higher IPM and RPM values resulted in tunnel, pin hole, and surface void defects. These defects caused premature failure in tensile tests and could often be identified through microscopy. Micro-hardness testing demonstrated a strong correlation per the Hall-Petch relationship – finer grain sizes resulted in higher yield strength (hardness values) of the material. The tool temperature during FSP was a good indicator of the expected hardness – lower temperatures resulted in higher hardness values. Corrosion testing was performed with a 1000-hour alternate immersion test in a room temperature 3.5% NaCl solution. With these testing parameters, the results demonstrated that FSP had no effect on the corrosion resistance of 304L SS under these conditions.

L'alliage 2024 (Al-Cu-Mg) est utilisé dans le cadre de l'allègement des structures de transport. Cependant, cet alliage est difficilement soudable par voie classique. Le soudage par friction malaxage (FSW) est un nouveau procédé permettant l'assemblage à l'état solide et donc de supprimer les défauts liés à la solidification. A travers cette étude, les microstructures de soudures FSW de cet alliage ont été finement caractérisées par SAXS, DSC, MET, MEB, EBSD et microscopie optique. Afin de mettre en évidence les interactions entre la déformation, la précipitation et la recristallisation qui ont lieu durant le soudage de l'alliage 2024, des expériences modèles ont été menées ainsi qu'une étude comparative entre l'alliage 2024 et l'alliage 5251. L'ensemble de la caractérisation des soudures et des expériences modèles permet de dégager les phénomènes métallurgiques pertinents contrôlant la résistance mécanique des joints soudés et leur microstructure. Par ailleurs, une caractérisation détaillées du comportement mécanique des joints soudés a été menée, validée par une modélisation aux éléments finis.

En raison de la faible densité des alliages de magnésium, un intérêt grandissant est apparu pour leur application dans l'industrie aéronautique. De ce fait, il s'est avéré nécessaire de développer l'assemblage de ces matériaux, notamment par des procédés de soudage innovants, tels le soudage par Friction malaxage (FSW) et le soudage laser. Le but de ce projet est d'étudier les relations entre les paramètres de soudage, les températures et les déformations générées et enfin la microstructure et le comportement mécanique des joints soudés. Ce projet fait partie du projet européen AEROMAG qui a pour objectif de promouvoir l'utilisation des alliages de magnésium corroyés dans l'industrie aéronautique. Les alliages étudiés sont l'AZ31, l'AZ61 et le WE43 sous forme de tôles de 2mm d'épaisseur. Le matériau de base présente une forte texture de fibre par rapport au plan basal. Les soudures ont été effectuées par FSW par laser Nd:YAG et par laser CO2. Le domaine de soudabilité opérationnel (DSO) a été déterminé pour chacun des procédés. Ensuite, l'analyse des joints soudés s'est plus spécialement focalisée sur les soudures optimisées d'AZ31. Une relation entre les paramètres de soudage et la microstructure des joints soudés a pu être trouvée. Le procédé de FSW entraîne une évolution de la microstructure et de l'état de contraintes résiduelles qui ont montré une influence déterminante sur le comportement mécanique des joints soudés. En ce qui concerne le soudage laser, l'influence prépondérante se situe dans l'évolution des textures et de l'état de précipitation. Des localisations de déformation assimilables à des bandes de cisaillement ont été identifiées dans chacun des procédés. Une comparaison a été menée en vue d'établir le procédé le mieux adapté à l'assemblage de tôles de magnésium laminées. Le FSW provoque une diminution très importante des propriétés mécaniques et l'utilisation de traitements thermique n'a pas permis de recouvrer les propriétés du matériau de base; tandis que les propriétés mécaniques des joints soudés laser après traitement thermique sont proches de celles du matériau de base. Une comparaison a été effectuée avec les propriétés mécaniques des joints soudés d'alliages de magnésium à durcissement structural (AZ61 et surtout WE43). Enfin, leur potentialité pour remplacer les alliages d'aluminium a été étudiée.

A procura cada vez mais intensa por redução de peso e consequente diminuição do consumo de combustível dos veículos automotores e aeronaves, tem proporcionado um crescimento constante na utilização do alumínio e suas ligas nos diversos setores da indústria de manufatura. No entanto, a dificuldade de união em juntas de alumínio que atendam requisitos de alta resistência à fratura e à fadiga, tem intensificado as pesquisas por novas tecnologias em seu processo de soldagem. Neste contexto, o processo de soldagem denominado Friction Stir Welding (FSW), vem ganhando espaço nas pesquisas e também na indústria. Neste processo, uma ferramenta não consumível é projetada especialmente para ser introduzida nas juntas das chapas a serem soldadas, gerando calor e misturando mecanicamente o material da junta, consolidando a solda. Este trabalho teve como objetivo avaliar os efeitos dos parâmetros de soldagem FSW, na consolidação das propriedades mecânicas das soldas produzidas, na microestrutura, além de buscar a otimização do processo para a liga em estudo. Para tanto, a geometria da ferramenta foi projetada, fabricada e testada, de forma a definir os parâmetros ideais para obtenção de juntas soldadas sem defeitos. Uma máquina fresadora CNC foi utilizada para a execução dos testes. As soldas foram produzidas em chapas de alumínio da liga Al 5182-O com espessura de 3,25mm, com velocidade rotacional da ferramenta mantida constante em 500 rpm e velocidades de soldagem de 50, 100, 150, 200 e 250 mm/min. A ferramenta foi inclinada em um ângulo de 1º, todas as soldas foram realizadas com sentido horário de rotação, após a realização dos testes as juntas soldadas foram submetidas a uma série de ensaios destrutivos e não destrutivos caracterizando cada teste realizado. Juntas de topo com penetração completa e livre de defeitos foram produzidas com velocidades de soldagem de 100, 150, 200 e 250 mm/min, enquanto com a velocidade de soldagem de 50 mm/min resultou em defeito do tipo vazio na zona da mistura no lado do avanço, defeito este caracterizado através de inspeção por microtomografia, o que fez com que as soldas produzidas com esta velocidade de soldagem rompessem na junta soldada. Em todas as velocidades de soldagem a caracterização através de microscopia óptica na seção transversal das soldas revelou um refino microestrutural, obtido pelo fenômeno de recristalização dinâmica, que resultou em um aumento nos valores de dureza na zona da mistura. Os resultados obtidos demostram que soldas de boa qualidade podem ser produzidas com este processo. Além disso, foi estabelecida uma correlação entre a história térmica associada ao processo de FSW, a microestrutura produzida e o desempenho mecânico das juntas soldadas. / The increasingly intense demand for weight reduction and consequent reduction of the fuel consumption of motor vehicles and aircraft , has provided a steady growth in the use of aluminum and its alloys in various sectors of the manufacturing industry , but the difficulty in joining together aluminum that meet high fracture resistance and fatigue , has intensified the research for new technologies in the process of welding. In this context , the welding process called Friction Stir Welding ( FSW ) has been gaining ground in research and also in industry . In this process , non-consumable tool is specially designed to be inserted in the joints of the plates to be welded, generating heat and mechanically mixing the gasket material, consolidating the weld. This study aimed to evaluate the effects of welding parameters FSW , the consolidation of the mechanical properties of the welds produced, microstructure, and seek to optimize the process for the alloy under study. For this, the geometry of the tool is designed, manufactured and tested in order to define the optimal parameters for obtaining welded joints without defects. A milling machine CNC was used for the tests. The welds were produced in sheets of aluminum alloy Al 5182-O with a thickness of 3,25mm with rotational speed of the tool maintained constant at 500 rpm and welding speeds of 50, 100, 150, 200 and 250 mm / min, the tool was tilted at an angle of 1°, all welds were performed with clockwise direction of rotation, after the tests the welded joints were subjected to a series of destructive testing and nondestructive characterizing each test performed. Butt welding with full penetration and free defects were produced with welding speeds of 100, 150, 200 and 250 mm / min, while with the welding speed 50 mm / min resulted in failure of the void type in the zone of the mixture side of the advance, this defect characterized by inspection by microtomography, which has meant that the welds produced with this welding speed would break the joint weld. In all welding speeds characterization by optical microscopy in cross section of welds revealed a microstructure refining, obtained by dynamic recrystallization phenomenon, for which resulted in an increase in the hardness values in the mixing zone. The results demonstrate that good quality welds can be produced with this process. Moreover, a correlation between the thermal history associated with the process produced the microstructure and mechanical performance of welded joints was established.