L’Inconel 738 est un superalliage base nickel utilisé dans les turbines de moteurs aéronautiques. Le soudage engendre souvent l’apparition de fissures, ce qui constitue un handicap pour ce matériau car on ne peut ni le réparer par rechargement, ni concevoir de pièces assemblées par soudage. L'objectif de la thèse est de définir les conditions de soudage de ce superalliage, de manière à exclure tout risque de fissuration à la suite d’opérations de rechargement, de réparation ou d'assemblage par soudage.Une étude expérimentale a tout d’abord permis de comprendre et de relier les mécanismes de fissuration aux paramètres opératoires du procédé (intensité, tension…). Puis un modèle de simulation numérique du soudage a été développé sur la base d’un couplage entre aspects thermiques, métallurgiques et mécaniques. La corrélation entre les résultats expérimentaux et numériques a permis de déterminer des critères de fissuration pour ce superalliage et d’optimiser les paramètres de soudage. / Abstract

Le soudage par friction malaxage, ou FSW, est un procédé de soudage à l'« état solide » permettant d'éviter certains problèmes rencontrés en soudage par fusion comme la fissuration à chaud ou la création de soufflures. La soudure est réalisée par l'action d'un outil à l'interface de deux pièces à souder. Celui-ci a pour rôle de malaxer et d'échauffer par frottement la matière. Le cordon est réalisé de proche en proche. Les efforts générés à l'interface outil/matière doivent être repris par la machine et le montage de soudage. Ils sont donc un facteur important pour le choix des moyens de soudage. Ce travail de thèse consiste à mettre en place une démarche pour qualifier les moyens de production FSW, en identifiant la partie du domaine de soudabilité opératoire accessible par le moyen envisagé. Ce travail comporte trois phases. La première est l'identification des paramètres caractéristiques du procédé FSW. Cela aboutit à l'écriture de spécifications du cahier des charges pour le choix ou la conception d'un moyen de production. Une fois ces paramètres identifiés, la deuxième étape de la démarche est la caractérisation expérimentale des domaines de soudabilités opératoires (DSO). Les actions mécaniques appliquées sur l'outil ont été associées à chaque combinaison des paramètres opératoires de ces domaines. Cette étude expérimentale a mis en évidence l'influence des paramètres de conduite sur le torseur des efforts outil/matière. Ces derniers peuvent être réduits en agissant sur ces mêmes paramètres opératoires. Enfin, la dernière phase de la démarche est la validation du moyen de production FSW choisi, grâce à l'ensemble des données expérimentales recueillies. Ce moyen de production est modélisé dans le but de tester les capacités de la machine, de la broche et du porte-pièces pour réaliser l'opération de soudage. La démarche de qualification a été mise en œuvre à la réalisation de soudures FSW par un robot polyarticulé (6 axes). Cette structure « peu rigide » et de « faible » capacité en effort est très sensible aux actions mécaniques générées par le FSW. Le choix des paramètres opératoires de soudage s'appuie sur les DSO déterminés expérimentalement pour les phases de plongée et de soudage, bornées par les limites de la machine. Il est nécessaire, pour ce type de structure, de qualifier son aptitude à réaliser l'opération de soudage FSW, car ses capacités dépendent fortement de la position de l'outil dans l'espace de travail.

En soudage en phase solide, si la température peut avoir un rôle favorable, une sollicitation mécanique est également nécessaire pour s'affranchir de la couche d'oxyde recouvrant naturellement l'aluminium. Dans ce travail, on a ainsi cherché à comprendre l'importance de la sollicitation mécanique vis-à-vis de la création des jonctions métalliques. Dans ce but, 2 essais de soudabilité à froid ont été mis en place. L'essai de compression plane (CP) a pour but d'augmenter la surface à l'interface de soudage, de sorte à morceler la couche d'oxyde. Grâce à la microscopie, à une analyse par EF et à un modèle tensoriel de caractérisation de l'évolution des surfaces, les essais ont montré que, plus que l'importante déformation globale, le soudage se produit dans les zones de cisaillement maximum.Par conséquent, le second essai repose sur le cisaillement de l'interface de soudage : un tube sectionné est soumis à un effort de compression et de torsion alternée. Comme pour l'essai de CP, l'influence de divers paramètres a été étudiée. Parmi ceux-ci, l'état de surface (rugosités et propreté), l'angle de torsion (faible amplitude) et le nombre de cycles ont un rôle prépondérant. Les assemblages soudés ont ensuite été caractérisés mécaniquement et observés en microscopie (MEB-FEG, EBSD). Par rapport à l'essai de CP, on a pu constater une meilleure quantité et qualité des jonctions en compression-torsion alternée. De plus, un modèle thermodynamique a permis de conclure que les énergies mises en jeu sont trop faibles pour permettre un échauffement significatif : le soudage, sur environ 50% de l'interface en l'état actuel des choses, n'est réalisé que par des effets mécaniques locaux.

Dans le domaine des matériaux métalliques, les techniques d’assemblage par soudageconduisent à des réductions de masse et de coûts importantes susceptibles d’intéresserles industries aéronautiques. Néanmoins, les procédés de soudage classiquespar fusion ne s’appliquent pas aux dernières générations d’alliages d’aluminium aéronautiques.Dans ce contexte, le procédé de soudage Friction Stir Welding présentedes atouts considérables, de nature à rendre compétitives les structures métalliquesface à la montée en puissance des matériaux composites.L’objectif de cette thèse est double. Il s’agit d’une part d’améliorer notre compréhensiondu procédé de soudage Friction Stir Welding Bobbin Tool puis dans undeuxième temps de proposer une méthodologie visant à prédire les paramètres desoudage optimaux.Afin de mener à bien ces objectifs, des essais de soudage ont été menés pour troisalliages d’aluminium aéronautique, incluant deux alliages d’aluminium-lihtium, etdeux épaisseurs, représentatives d’une jonction de peau de fuselage. Les résultatsd’essais ont par la suite été exploités et ont permis de mettre en évidence des corrélationsentre paramètres de soudage, température, puissance et malaxage du noyausoudé.Dans un troisième temps, afin de supporter la démarche expérimentale, des outilsde simulation ont été utilisés. Un modèle thermo-fluide local a été développé afinde simuler les phénomènes de malaxage dans le noyau soudé. A l’échelle globale, unmodèle thermique a permis de reproduire fidèlement les phénomènes de diffusion dela chaleur dans la structure. Enfin, le couplage des deux modèles a montré qu’il étaitpossible de simuler puis de prédire un domaine de soudabilité. / In the field of metallic materials, welding technologies can provide significantmass reductions and cost savings to aircraft industries. Nevertheless, classical fusionwelding processes can not be applied to last generations of aeronautical aluminiumalloys. In this context, Friction Stir Welding offers many advantages and can helpmetallic parts to face the build up of composite materials.This thesis has mainly two objectives. We aim first at improving our understandingof Friction Stir Welding with Bobbin Tool and then at proposing a kind ofmethodology able to predict optimal welding parameters.Welding trials were carried out using three aeronautical aluminium alloys includingtwo aluminium lithium and two thicknesses representative of a fuselagejunction. Results were analyzed and some correlations were found between weldingparameters, temperature and stirring of the weld nugget.This work was also supported by several modeling tools. A local thermo-fluidapproach has been used to simulate stirring of the material in the weld nugget. Aglobal thermal model has been used to simulate heat diffusion in the structure. Then,a coupled approach of these previous modeling tools shows that it was possible tonumerically predict a processing window.

En soudage en phase solide, si la température peut avoir un rôle favorable, une sollicitation mécanique est également nécessaire pour s’affranchir de la couche d’oxyde recouvrant naturellement l’aluminium. Dans ce travail, on a ainsi cherché à comprendre l’importance de la sollicitation mécanique vis-à-vis de la création des jonctions métalliques. Dans ce but, 2 essais de soudabilité à froid ont été mis en place. L’essai de compression plane (CP) a pour but d’augmenter la surface à l’interface de soudage, de sorte à morceler la couche d’oxyde. Grâce à la microscopie, à une analyse par EF et à un modèle tensoriel de caractérisation de l’évolution des surfaces, les essais ont montré que, plus que l’importante déformation globale, le soudage se produit dans les zones de cisaillement maximum.Par conséquent, le second essai repose sur le cisaillement de l’interface de soudage : un tube sectionné est soumis à un effort de compression et de torsion alternée. Comme pour l’essai de CP, l’influence de divers paramètres a été étudiée. Parmi ceux-ci, l’état de surface (rugosités et propreté), l’angle de torsion (faible amplitude) et le nombre de cycles ont un rôle prépondérant. Les assemblages soudés ont ensuite été caractérisés mécaniquement et observés en microscopie (MEB-FEG, EBSD). Par rapport à l’essai de CP, on a pu constater une meilleure quantité et qualité des jonctions en compression-torsion alternée. De plus, un modèle thermodynamique a permis de conclure que les énergies mises en jeu sont trop faibles pour permettre un échauffement significatif : le soudage, sur environ 50% de l’interface en l’état actuel des choses, n’est réalisé que par des effets mécaniques locaux. / In solid-state welding, if the temperature generally has an important role (diffusion, recrystallization, etc.), a mechanical load is also necessary to override the oxide layer which naturally covers aluminium alloys. This work aims to understand the influence of the mechanical load on the formation of metallic bonds. To this end two cold weldability tests have been introduced. Firstly the plane strain channel-die compression of two cuboids sample aims to increase the surface at the welding interface in order to break up the oxide layer. Thanks to microscopy, a FEA model and a tensorial model of surfaces evolution, those results showed that, more than the important global deformation, welds were created in areas with maximum shear. Subsequently the second test aims to shear the welding interface: a tube is cut through its section and undergoes both a compression and a cyclic torsion load. As for our first weldability test, the influence of some parameters has been studied. Among them, the surface condition (roughness and cleanliness), the torsion angle (low amplitude) and the number of cycles are the most influential. Then the welded joints have been mechanically tested and microscopically observed (FEG-SEM and EBSD). In comparison with our first test, a higher quality and quantity of the joining has been showed. Moreover, a thermodynamic model concludes that the energies involved in this experimental process are too low to imply any local heating: the joining, on 50% of the welding interface as things stand, is only achieved thanks local mechanical effects.