Les assemblages soudés sont de plus en plus envisagés pour remplacer les assemblages par rivetage dans l’objectif d’alléger les structures aéronautiques. La technique de soudage par Friction Stir Welding (FSW) est la solution choisie pour souder sans apport extérieur de matière et en phase solide. Des assemblages soudés autogènes et hétérogènes d’alliages d’aluminium des familles 2XXX (Al-Cu-Mg et Al-Cu-Li) et 7XXX (Al-Zn-Mg) ont été étudiés. La sensibilité à la corrosion de ces soudures et leur tenue mécanique sous l’effet de l’environnement ont été évaluées avec une approche multi-échelle. Pour cela, des essais normalisés de corrosion ont d’abord été réalisés, suivis d’une analyse plus fine par des techniques électrochimiques locales qui a permis de quantifier la réactivité des différentes zones de la soudure. D’autre part, une analyse microstructurale a permis d’expliquer les comportements en corrosion de chacune de ces zones. Nous avons ainsi montré que, dans le cas des soudures autogènes, la microstructure était responsable des phénomènes de corrosion localisée tandis que, dans le cas des soudures hétérogènes, l’attaque était plus homogène sous l’effet de couplages galvaniques macroscopiques. / In order to lighten aircraft structures, welded joints are more and more considered to replace riveted joints. The Friction Stir welding process is the appropriate solution to join without addition of outer material and in semi-solid phase. Similar and dissimilar welded joints of 2XXX (Al-Cu-Mg and Al-Cu-Li) and 7XXX (Al-Zn-Cu) aluminium alloys were studied. Corrosion sensitivity of these welds and their stress corrosion cracking were evaluated with a multiscale approach. For this, first, normalized corrosion tests were performed; then, a finer analysis was carried out using local electrochemical techniques which allows to quantitate the reactivity of the different weld zones. In other hand, a microstructural analysis allowed to explain corrosion behaviours of each weld zone. We showed localized corrosion phenomena were restricted in the similar FSW joints because of microstructural heterogeneities whereas attack in dissimilar welds was more homogeneous under the effect of macroscopic galvanic coupling.

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.

La course à l'allègement des aéronefs constitue aujourd'hui l'un des enjeux principaux de l'industrie aéronautique. Le remplacement des rivets par des soudures FSW sur les voilures permettrait de gagner jusqu'à 20% de la masse totale de la voilure. Ce travail réalisé en collaboration avec Dassault-Aviation s'inscrit dans le cadre du projet ADSAM (Assemblage de Structures Aéronautiques Métalliques) visant à fabriquer un démonstrateur de caisson de voilure soudé par FSW. Cette étude traite du comportement mécanique en traction monotone quasi-statique et en fatigue oligocyclique (10⁴ à 10⁵ cycles) d'alliages d'aluminium (séries 2000 et 7000) soudés par FSW. L'objectif est d'étudier l'effet des hétérogénéités microstructurales induites par le soudage sur les hétérogénéités de comportement mécanique dans les joints soudés. La corrélation d'images numériques a été utilisée pour définir la réponse mécanique (σnominale - εvraie) dans chacune des zones constituant ces soudures. En complément, des essais sur des mini-éprouvettes prélevées dans l'épaisseur des joints ont permis d'établir le comportement local (σvraie - εvraie) dans chacune des zones du joint. Sous chargement de traction monotone, la rupture des soudures FSW a été observée dans la zone de localisation des déformations anélastiques située aux minima des profils de microdureté. En revanche, les fissures de fatigue ne démarrent pas nécessairement dans ces zones de localisation. Des analyses microscopiques des faciès de rupture ont permis d'identifier deux mécanismes principaux d'amorçage de fissure : (i) rupture ou (ii) décohésion de particules intermétalliques. D'autre part, les essais cycliques montrent une adaptation élastique des matériaux dans les différentes zones du joint (noyau, ZAT et ZATM) après stabilisation autour d'une déformation moyenne non nulle. En terme de durée de vie, les résultats d'essais sur éprouvettes entaillées traitées OAC (représentative de zones critiques sur structure) montrent que le soudage par FSW réduit jusqu'à 50% la tenue en fatigue de ces alliages. L'amorçage des fissures de fatigue est dû aux piqûres créées par le traitement d'OAC. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ouvrent des perspectives intéressantes pour modéliser le comportement mécanique des joints soudés par FSW afin d'estimer leur durée de vie en fatigue oligocyclique.

La course à l'allègement des aéronefs constitue aujourd'hui l'un des enjeux principaux de l'industrie aéronautique. Le remplacement des rivets par des soudures FSW sur les voilures permettrait de gagner jusqu'à 20% de la masse totale de la voilure. Ce travail réalisé en collaboration avec Dassault-Aviation s'inscrit dans le cadre du projet ADSAM (Assemblage de Structures Aéronautiques Métalliques) visant à fabriquer un démonstrateur de caisson de voilure soudé par FSW. Cette étude traite du comportement mécanique en traction monotone quasi-statique et en fatigue oligocyclique (10⁴ à 10⁵ cycles) d'alliages d'aluminium (séries 2000 et 7000) soudés par FSW. L'objectif est d'étudier l'effet des hétérogénéités microstructurales induites par le soudage sur les hétérogénéités de comportement mécanique dans les joints soudés. La corrélation d'images numériques a été utilisée pour définir la réponse mécanique (σnominale – εvraie) dans chacune des zones constituant ces soudures. En complément, des essais sur des mini-éprouvettes prélevées dans l'épaisseur des joints ont permis d'établir le comportement local (σvraie – εvraie) dans chacune des zones du joint. Sous chargement de traction monotone, la rupture des soudures FSW a été observée dans la zone de localisation des déformations anélastiques située aux minima des profils de microdureté. En revanche, les fissures de fatigue ne démarrent pas nécessairement dans ces zones de localisation. Des analyses microscopiques des faciès de rupture ont permis d'identifier deux mécanismes principaux d'amorçage de fissure : (i) rupture ou (ii) décohésion de particules intermétalliques. D'autre part, les essais cycliques montrent une adaptation élastique des matériaux dans les différentes zones du joint (noyau, ZAT et ZATM) après stabilisation autour d'une déformation moyenne non nulle. En terme de durée de vie, les résultats d'essais sur éprouvettes entaillées traitées OAC (représentative de zones critiques sur structure) montrent que le soudage par FSW réduit jusqu'à 50% la tenue en fatigue de ces alliages. L'amorçage des fissures de fatigue est dû aux piqûres créées par le traitement d'OAC. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ouvrent des perspectives intéressantes pour modéliser le comportement mécanique des joints soudés par FSW afin d'estimer leur durée de vie en fatigue oligocyclique. / Mass reduction of aeronautic structures is an important challenge for aeronautic industries. FSW is an efficient joining process to replace rivets : the mass reduction using this welding process could reach 20% for aircraft wings. This work carried out in collaboration with Dassault-Aviation was done in the framework of ADSAM project. The FSW process significantly modifies the microstructure and the local material properties, the overall mechanical response of the joint is largely governed by the response of the different zones of FSW joint. In the present study, the global and local mechanical responses under monotonic quasi-static tension and cyclic tension-tension (R=0.1) in low cycle fatigue regime (10⁴ to 10⁵ cycles) were carried out on FSW joints made of aluminum alloys (2000 and 7000 series). Full field strain measurements were carried out on FSW welded specimens using digital image correlation techniques assuming an iso-stress configuration (σlocal = σnominal ). Additionally tension tests parallel to the welding direction have been performed on micro specimens machined in each representative zone of FSW joints. These tests allow us to determine the local mechanical response (σlocal − εlocal) of the joint. Local mechanical properties were determined for each representative weld zone (nugget, TMAZ and HAZ). The full field anelastic strain localization scenario prior to fracture shows a good correlation with the microhardness profile along the FSW joints. Under monotonic loading, fracture was observed at the strain localization zones unlike under cyclic loading. In fatigue, the fracture zones are very dispersed for each weld configuration. SEM observations led to the identification of two crack initiation mechanisms:(i) fracture of intermetallic particles or (ii) decohesion between intermetallic particles and the matrix. Digital image correlation under cyclic loading shows an elastic shakedown of the studied materials in each zone of the joint around a non null mean strain. In terms of number of cycles to failure, fatigue test results on ACO treated notched specimens (representative of structure critical locations) show that the FSW process reduce up to 50% the faigue life of the base materials. The crack initiation was associated to ACO pits. The results of this study open interesting prospects for modelling the mechanical behavior of FSW joints and to assess their fatigue life.

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.

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.

Le procédé de soudage par friction malaxage ou Friction Stir Welding (FSW), est un procédé récent utilisé pour le soudage de pièces métalliques avec différentes applications dans les industries aéronautique, automobile, spatiale et ferroviaire. Les robots industriels sériels peuvent être utilisés comme moyen de soudage FSW mais, à cause de leur rigidité, ils se déforment sous l’effet des forces générées par le procédé. Ceci entraîne une déviation de trajectoire de l’outil de soudage en position et en orientation qui induit des défauts dans le cordon de soudure. Dans ce travail, deux méthodes de correction de déviations ont été développées. La première méthode est basée sur l’estimation des déviations en position et en orientation dans l’espace cartésien à partir des modèles du robot et de déformation élasto-statique des corps et transmissions. Les déviations estimées permettent de développer une approche de programmation de trajectoires adaptées au soudage FSW robotisé. Contrairement aux méthodes d’interpolation linéaire généralement envisagées, cette approche utilise des approximations de trajectoires par des courbes de Bézier ou B-splines. Les validations expérimentales pour des trajectoires complexes, avec un robot Kuka KR500-2MT, ont permis d’obtenir une déviation résiduelle moyenne de l’ordre de 0,3 mm et des cordons de soudure sans défauts. Cette précision de trajectoire atteinte pour le FSW permet de considérer une exploitation industrielle de la solution développée. La deuxième méthode de correction des déviations utilise un asservissement de position en temps réel avec un capteur de profil laser 2D dans la boucle de retour. Deux synthèses de lois de commande ont été explorées pour cet asservissement. Malgré les perturbations externes liées aux contraintes du procédé, les résultats expérimentaux sur des trajectoires de soudage rectilignes et curvilignes montrent une bonne stabilité de l’asservissement et conduisent à une déviation résiduelle moyenne de l’ordre de 0,1 mm. Les intérêts et les difficultés de la mise en œuvre de cette deuxième méthode ont également été mis en exergue. / Friction Stir Welding (FSW) is a recent process used for welding metallic parts in aerospace, automotive, and railway industries. Serial industrial robots may be used as FSW welding machines, but because of their lack of stiffness, they undergo elastic deformation under the effect of stresses produced by the process. This causes a welding tool path deviation both in position and orientation, which induces defects in the weld seam. In this work, two path correction methods were developed. The first method is based on the prediction of the position and orientation deviations in the cartesian space from robot models and stiffness model of the links and the joints. The knowledge of tool deviations enabled the synthesis of a path programming approach adapted for robotic FSW. Unlike linear interpolation methods often used, this approach is based on approximations of the adapted path by Bézier or B-splines curves. Experimental validations on a Kuka KR500-2MT robot welding complex paths showed an average residual deviation of 0.3 mm and weld seams without defects. The path accuracy achieved makes it possible to consider an industrial exploitation of the developed solution. The second proposed correction method uses position feedback with a 2D laser profile sensor in the feedback loop for real-time measurement of deviations. Two controllers were designed to correct the deviations. In spite of the external disturbances related to the constraints of the process, experimental results obtained on straight and curvilinear welding paths showed the stability of the feedback loop and a mean residual deviation of 0.1 mm was achieved. The interests and difficulties of deploying this second method were also highlighted.