Le soudage par friction malaxage a été inventé en 1992 par The Welding Institute, et le brevet est tombé dans le domaine public en 2015. Ce procédé représente donc à la fois une avancée récente pour les manufacturiers de l’industrie aluminium, et surtout une technique avantageuse pour l’assemblage de pièces de quelques centimètres à plusieurs mètres de long.
L’atelier d’usinage de SBB dispose de l’équipement nécessaire pour effectuer le soudage FSW, ainsi que l’usinage final dans une seule et même machine. Nous collaborons avec nos clients pour d’une part évaluer la faisabilité de leurs projets, et d’autre part leur faire bénéficier des atouts de ce nouveau mode de production.
Principe
Pour résumer le principe de fonctionnement, ce soudage consiste à effectuer une jonction entre deux composants à l’état solide, en exerçant conjointement une pression et un frottement intenses au point de contact entre deux surfaces adjacentes. L’outil spécifique utilisé pour ce faire, de par son mouvement rotatif, crée un échauffement qui « plastifie » la matière dans l’axe de soudage, pour ensuite mélanger les interfaces. La chaleur est toutefois particulièrement maîtrisée et relativement bien délimitée à la zone de la soudure. En effet, durant le soudage, la température de fusion du métal soudé n’est pas atteinte, mais reste à 60-80% par rapport au seuil de fusion.
La soudure par friction malaxage / FSW : une technologie innovante dans l’aluminium, mais pour quels avantages ?
Sans fusion ni apport de matière, la technique réduit sensiblement les pertes de résistance, ainsi que les phénomènes de retrait et de distorsion : le matériau se déforme peu, même pour les grandes longueurs. Puisque les soudures s’effectuent à l’état solide et donc à faible niveau de température, il n’y a pas de phase de solidification donc pas de fissuration possible. Contrairement aux soudures par fusion qui peuvent éventuellement requérir un traitement thermique après le soudage pour augmenter la résistance des pièces, ce traitement est optionnel en soudage FSW pour les séries 2000, 6000 et 7000.
Si SBB a choisi d’investir dans ce système innovant pour souder l’aluminium et dans ce nouvel équipement, c’est qu’il présente non seulement un excellent potentiel d’automatisation et de gains en productivité, mais également de nombreux avantages pour ses clients :
- Fiabilité et répétabilité améliorées, une fois que les paramètres de soudage ont été définis
- Procédé rapide en une passe
- Hautes résistance et étanchéité de la soudure, absence de porosités, inclusions, retassures ou soufflures
- Résultat esthétique du fait de la régularité du mouvement et de la planéité de la soudure qui ne nécessite pas d’usinage ni de nettoyage. Finalement, la finition de l'arrière du joint est tout à fait acceptable et son retraitement est facultatif.
- Au final, les propriétés mécaniques des assemblages s’en trouvent améliorées : traction, fatigue, tension, flexion.
- Avec une telle qualité et une telle propreté de finition, la phase d’inspection visuelle s’en trouve également accélérée.
La soudure par friction malaxage FSW permet donc de conserver des propriétés proches du matériau initial.
En conséquence, les dimensions des pièces avant assemblage sont quasiment identiques aux dimensions post-assemblage : elles s’additionnent tout simplement. Cela améliore la capacité à prévoir les mesures de la pièce finale : un atout non négligeable quand elle doit s’aligner parfaitement avec d’autres éléments, coulisser ou s’emboîter dans un ensemble pour former le produit final.
Une sécurité accrue pour les employés et un procédé plus écologique
La méthode offre aux employés un milieu de travail plus sécuritaire car exempt de radiations, de projections fondues, de poussières et de fumées toxiques qui accompagnent habituellement le soudage à l’arc ou par fusion (incluant le GMAW, GTAW, SMAW). Aucun produit chimique n’est utile pour accompagner le soudage. On peut par conséquent qualifier la production de « propre ». Le gaz de protection n’est plus nécessaire non plus, ce qui élimine toutes les problématiques liées à son usage et son entreposage.
Les techniciens ont simplement besoin de lunettes de sécurité pour s’approcher et surveiller leur machine. Même la chaleur (limitée) ne procure pas de gêne et une pièce en aluminium peut être saisie avec les mains peu après sa fabrication.
Sans oublier l’aspect silencieux de ce procédé qui constitue un dernier bénéfice pour les équipes d’usine !
Des possibilités nouvelles et multiples, notamment dans le secteur des transports
Ce procédé permet de souder efficacement des aluminiums d’extrusion à haute résistance, comme les alliages d’aluminium des séries 2000, 6000 et 7000. Ces derniers sont difficiles à souder par fusion conventionnelle en raison de leur sensibilité à la fissuration de solidification, et à la dégradation de leurs propriétés mécaniques par la chaleur.
Le FSW est également très bien adapté aux aluminiums de tôlerie (3000, 5000) et de fonderie (A356). Enfin, il est utilisé dans le cadre d’assemblages de matériaux dissimilaires, comme l’aluminium & le cuivre ou l’aluminium & l’acier.
SBB peut ainsi répondre à un large éventail de besoins en soudure de qualité supérieure, pour divers usages :
- Soudage d’extrusions
- Soudage de pièces moulées
- Soudage de pièces en matériaux non soudables par fusion, jusque 12mm d'épaisseur
Étant donné que les produits finaux gagnent en légèreté par rapport à la soudure classique (notamment alliages 2000, 6000 et 7000), certains secteurs, où le poids représente un défi, portent une attention particulière à toutes ces qualités de fabrication, dont le domaine des transports : ferroviaire, automobile, construction navale, aéronautique ou aérospatiale… mais aussi l’énergie ou la défense.
En effet, le soudage par friction malaxage FSW est une excellente alternative au rivetage et boulonnage. Typiquement, en aéronautique, les alliages d’aluminium de haute résistance utilisés pour le fuselage ne sont pas soudables par soudage conventionnel. C’est pourquoi des milliers, voire des millions de rivets sont utilisés par avion. Or, le FSW peut efficacement souder ces alliages et éliminer une grande partie des rivets (jusqu’à 60%), ce qui aboutit à des gains de poids importants.
L’utilisation des rivets réduit également l’intégrité des pièces : les trous créent des endroits propices à la dégradation et à la corrosion. Le FSW élimine cette problématique, et ainsi augmente la durée de vie des pièces concernées, ce qui peut s’avérer précieux sur un pont ou en construction navale par exemple.
La société SpaceX a rapidement compris tout l’intérêt de cette technologique et l’utilise déjà dans la fabrication des réservoirs en aluminium de sa fusée Falcon 9. Ces éléments subissent des pressions considérables et les soudures FSW, plus résistantes, permettent non seulement d’amincir les parois, mais également de garantir leur parfaite étanchéité tout en allégeant le poids global de la fusée.
Tesla et Honda destinent le FSW aux caissons de batteries de leurs voitures électriques. BRP, division des produits récréatifs de Bombardier, applique le FSW aux radiateurs des Skidoo.
On retrouve également l’usage de ce procédé pour souder des panneaux utilisés pour les superstructures des navires, des profilés creux et des extrusions pour la fabrication de trains à grande vitesse, des châssis automobiles, etc…
Dernier exemple : Les barres de cuivre qui transportent l’électricité nécessitent d’être collées à une pièce en aluminium pour évacuer correctement la chaleur. Cette jonction est habituellement effectuée par collage d’une pièce sur l’autre. Le FSW permet de fusionner les 2 matériaux pour obtenir un transfert thermique optimal.
Pour résumer, les 10 principaux avantages du soudage par friction malaxage FSW sont :
- Une vitesse de soudage élevée
- Aucun matériau de remplissage
- Des propriétés mécaniques supérieures : une soudure avec une résistance, une étanchéité et une durabilité améliorées
- Moins de distorsions, et donc des dimensions finales mieux maîtrisées
- Un résultat qui réduit le poids final de l’assemblage
- Une soudure esthétique
- Une durée de vie augmentée des produits concernés
- Un procédé adapté aux alliages d’aluminium, aux aluminiums de tôlerie, de fonderie et aux matériaux dissimilaires
- Une production plus écologique
- Un milieu de travail plus sécuritaire
SBB a été l’un des pionniers à utiliser la technologie FSW de soudage par friction malaxage dès 2015 au Québec
Pour la petite histoire, c’est à cette époque que l’entreprise a noué un partenariat avec l’Université du Québec à Chicoutimi (UQAC). Il ne s’agissait pas d’effectuer des tests pour concevoir des prototypes, mais bien de démarrer une production concrète de grandes pièces complexes avec plusieurs étapes de fabrication. Destinées à composer les toits de wagons de trains légers fabriqués par Alstom, ces structures aux gabarits hors normes ont forgé l’expérience FSW de SBB.
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Cette commande a galvanisé l’esprit avant-gardiste de nos équipes ingénierie et usinage qui se sont fortement impliquées dans la maîtrise de cette dernière génération de soudure.
A cela se sont ajoutés des participations fructueuses à des forums organisés par les principaux acteurs du marché, qui ont soutenu l’intérêt et l’engagement de SBB vis-à-vis de cette innovation : AluQuébec, CQRDA (Centre Québécois de Recherche et de Développement de l’Aluminium), Alcoa Innovation, CMQ (Centre de Métallurgie du Québec) et RTMQ (Réseau de la Transformation Métallique du Québec).
Désormais et depuis 2019, cet outil est installé sur l’un de nos centres d’usinage CNC de notre usine de Blainville. De nombreuses étapes ont forgé notre expérience, et nous sommes heureux de les avoir franchies avec succès pour internaliser cet outil et cette compétence qui ouvrent de nouvelles perspectives de fabrication.
Nos départements de la Production et de l’Ingénierie sont à votre disposition pour discuter de vos projets qui nécessitent une soudure innovante et un résultat performant, aussi bien en prototypage qu’en fabrication.
