Soudage par friction-malaxage : souder à faible coût des matériaux à point de fusion élevé comme les tôles d'acier

Date de publication :

2025-06-11

Honda a mis au point une technique applicable à la production en série pour souder l'acier et les alliages d'aluminium par soudage par friction-malaxage, tandis que l'Université du Tōhoku et Hitachi ont développé un outil de malaxage en alliage de cobalt capable de souder l'acier et des métaux à point de fusion élevé comme le titane. Le soudage par friction-malaxage (FSW : Friction Stir Welding), qui se limitait jusqu'ici, au niveau de la production en série, aux métaux à bas point de fusion tels que les alliages d'aluminium, les alliages de cuivre et les alliages de magnésium, commence à s'étendre à des métaux à point de fusion plus élevé comme l'acier*1.

*1 À la pression atmosphérique standard, le point de fusion de l'aluminium est de 660℃, celui du cuivre de 1083℃ et celui du magnésium de 651℃. Le fer, lui, atteint 1539℃ et le titane 1727℃.

La chaleur de friction ramollit le métal jusqu'à un état visqueux

Le soudage par friction-malaxage désigne une technique qui utilise un outil de malaxage dont l'extrémité cylindrique est munie d'une saillie (le pion), appliqué depuis le dessus de la zone à souder de deux plaques bout à bout (métal de base) ou de deux plaques se chevauchant, en le faisant tourner tout en le pressant, afin de souder les deux plaques ensemble.

La chaleur de friction générée entre l'outil rotatif (pion) et la tôle ramollit le métal autour du pion jusqu'à un état pâteux, ce qui permet au pion rotatif de pénétrer dans la tôle. Ainsi, le métal ramolli autour du pion se mélange (écoulement plastique), de sorte que les deux tôles métalliques fusionnent en un seul ensemble, ou qu'une liaison métallique se forme à l'interface des deux tôles, les unissant en un tout.

Auparavant, il n'y avait pas de pion de soudage-malaxage résistant aux hautes températures

Le soudage par friction-malaxage présente les quatre avantages suivants : (1) comme il permet de souder sans fondre le métal de base (soudage à l'état solide), les déformations et les défauts de soudage sont très limités, ce qui permet d'améliorer la qualité des produits et de réduire les coûts ; (2) il consomme moins d'énergie que le soudage par fusion ; (3) il ne nécessite pas de gaz de protection ; (4) il est peu bruyant et ne produit pas de poussière. En outre, cette technique est aussi très efficace pour le soudage de matériaux dissemblables ; elle suscite donc un vif intérêt dans l'industrie, et l'on espère obtenir des effets tels que l'allègement en choisissant le matériau approprié pour chaque partie*2. Mais, comme indiqué au début de l'article, les matériaux pour lesquels le soudage par friction-malaxage pouvait auparavant être utilisé à l'échelle de la production de série se limitaient aux métaux à bas point de fusion.

*2 Comparé au soudage en phase liquide par fusion du métal de base, c'est-à-dire le soudage par fusion, le soudage par friction-malaxage s'effectue à une température plus basse, et il est facile de contrôler l'apport de chaleur en réglant les conditions de soudage. On peut donc réduire aisément la formation de composés intermétalliques, principaux responsables de la baisse de la résistance de la soudure. En réduisant l'épaisseur de la couche de composés intermétalliques, on peut améliorer la résistance de la zone soudée. Lors du soudage par friction-malaxage, un malaxage excessif génère également une grande quantité de composés intermétalliques.

Si l'usage du soudage par friction-malaxage était auparavant limité aux métaux à bas point de fusion, c'est faute d'outils de malaxage résistants aux hautes températures, peu coûteux et adaptés à la production de série. Pour le soudage par friction-malaxage des alliages d'aluminium, on utilise généralement des outils fabriqués en matériaux ferreux tels que l'acier à outils. Lorsqu'on soude avec un tel outil des métaux à point de fusion élevé comme l'acier ou les alliages de titane, l'outil se ramollit lui aussi dans la zone de haute température où ces métaux se ramollissent, ce qui entraîne une usure sévère et le rend inutilisable. Bien que des outils en matériaux non ferreux, tels que la céramique ou les alliages tungstène-rhénium, aient été mis au point, leur prix est très élevé et ils ne conviennent pas à la production de série.

Faire apparaître une surface vive de l'acier sans le malaxer

La technique mise au point par Honda pour souder l'acier et les alliages d'aluminium par friction-malaxage sert à assembler des matériaux de base en acier et en alliage d'aluminium superposés. Sa principale caractéristique est de ne malaxer que l'alliage d'aluminium, sans malaxer l'acier (figure du bas de la figure 1). Cela permet d'empêcher que la température de l'outil de malaxage ne devienne trop élevée.

L'acier et l'alliage d'aluminium peuvent être soudés ensemble sans malaxer l'acier parce qu'une liaison métallique se forme entre l'acier et l'alliage d'aluminium. Autrement dit, cette technique ne malaxe pas l'acier, mais élimine le film de revêtement et le film d'oxyde présents à la surface de l'acier. Par cette méthode, la surface vive de l'acier est mise à nu et forme une liaison métallique avec l'alliage d'aluminium dont l'activité a été accrue par le malaxage. Grâce à cette liaison métallique, l'acier et l'alliage d'aluminium ne forment plus qu'un seul ensemble*3.

*3 Lorsque de l'eau ou un autre liquide pénètre entre l'acier et l'alliage d'aluminium, une corrosion bimétallique (corrosion galvanique) se produit ; cette technologie empêche ce phénomène en insérant un film de silicone entre l'acier et l'alliage d'aluminium.

Honda a adopté cette technique pour le faux-châssis avant de la nouvelle « Accord » destinée au marché nord-américain et en a tiré plusieurs bénéfices (figure 2). Concrètement, non seulement le poids est réduit de 25 % par rapport à l'ancien faux-châssis en acier, mais la consommation électrique lors du soudage est aussi diminuée d'environ 50 %. En outre, cette technique a également été utilisée pour modifier la structure des points de fixation de la suspension sur le faux-châssis, ce qui a augmenté de 20 % la rigidité de ces points de fixation et contribué à améliorer les performances dynamiques du véhicule.

Élargir les domaines d'application grâce aux nouveaux matériaux

D'autre part, l'Université du Tohoku, Hitachi, Ltd. et Hitachi Metals Precision Instruments ont mis au point un outil de malaxage (pion) résistant aux hautes températures et d'un prix relativement bas, élargissant ainsi le champ d'application du soudage par friction-malaxage (figure 3). Le matériau de cet outil a été développé conjointement par l'Université du Tohoku et Hitachi, Ltd., et la technologie de production en série de ce matériau et de l'outil (pièce moulée) a été mise au point conjointement par Hitachi, Ltd. et Hitachi Metals Precision. Cet outil permet de souder par friction-malaxage des métaux à point de fusion élevé tels que l'acier, les alliages de titane et les alliages de zirconium ; sa commercialisation est prévue à l'automne 2013. Bien que Hitachi Metals Precision Instruments indique que « le prix sera discuté ultérieurement », on estime qu'il sera fixé dans une gamme de prix utilisable pour la production en série.

Le matériau développé notamment par l'Université du Nord-Est pour les outils de soudage par friction-malaxage est un alliage de cobalt, dans lequel sont répartis des composés intermétalliques qui conservent une résistance élevée à haute température. Plus précisément, du Co3（Al，W） est réparti dans l'alliage à base de cobalt. L'essentiel est de parvenir à une répartition fine et uniforme du Co3（Al，W），et de rapprocher la quantité répartie et la forme des joints de grains de l'état souhaité. Pour cela, une composition et une méthode de traitement thermique plus adaptées ont été adoptées.

Les matériaux actuellement envisagés pour cet outil de malaxage (pion de soudage) sont l'acier au carbone, l'acier à haute résistance, les alliages de titane (Ti-6Al-4V, etc.), le titane pur et les alliages de cuivre. Bien que certains matériaux soient difficiles à souder avec cet outil en raison de leur résistance, de leur épaisseur, etc., d'une manière générale, les matériaux à souder sont ceux dont la température de l'outil (température de liaison) lors du soudage par friction-malaxage atteint au maximum environ 1000℃.

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