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Démarche pour le choix et/ou la conception d’un moyen de soudage par FSW

ZIMMER, Sandra; LANGLOIS, Laurent; LAYE, Julien; GOUSSAIN, Jean-Claude; MARTIN, Patrick; BIGOT, Régis
Fonte: Association Française de Mécanique Publicador: Association Française de Mécanique
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Les travaux de recherches présentés concernent l'industrialisation du procédé de soudage par friction malaxage, également appelé Friction Stir Welding (FSW). L'objectif est de fournir des outils aux industriels pour choisir et qualifier une machine pour leurs applications de FSW. Cet article présente une méthodologie pour qualifier et / ou concevoir les moyens de soudage adaptés à une application donnée. La démarche de qualification repose sur l’étude géométrique des pièces et sur l’analyse des actions mécaniques transmises par l’outil au travers les domaines de soudabilités. La démarche globale est présentée à l’aide du formalisme IDEF0.; The objective of the presented research work is the industrialization of the friction stir welding process in order to provide tools to industrials to select and qualify a means of production for their FSW applications. This paper presents a methodology to determine the Friction Stir Welding means of production adequate to an application. The methodology is based on the analysis of the workpiece geometries and the analysis of the process forces and torqus generated during welding through the determination of the process windows. In this paper, the means of production determination method is presented thanks the IDEF0 formalism.

Potentiel du FSW pour la conception et réalisation de pièces moulées multimatériaux de forme complexe; Application aux pièces en alliages d’aluminium moulés

ZIMMER-CHEVRET, Sandra; LANGLOIS, Laurent; LAYE, Julien; GOUSSAIN, Jean-Claude; GUYOMARD, Claude; MARTIN, Patrick; BIGOT, Régis
Fonte: Association Française de Mécanique Publicador: Association Française de Mécanique
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Le soudage par friction malaxage (FSW) est un procédé de soudage de proche en proche à l’état solide. Ceci permet d’éviter la formation de certains défauts apparaissant lors de la solidification en soudage par fusion comme les fissures à chaud ou les soufflures. Dans le cas des alliages d’aluminium, ceci offre de grandes possibilités comme le soudage des alliages des séries 2000 (Al-Cu) et 7000 (Al-Zn) ainsi que les alliages de fonderie. En FSW, l’énergie de soudage est produite par le travail de l’interaction mécanique entre un outil et les pièces à assembler. La matière localement malaxée doit rester confinée autour de l’outil. Ces deux derniers points vont contraindre la conception des pièces à assembler et la gamme de soudage. Cet article présente les premiers résultats d’une étude du potentiel du FSW pour la réalisation de pièce de forme complexe, traditionnellement obtenue en fonderie. Ce travail n’aborde pas la reconception de produit mais traite des gammes de fabrication et de soudage en mettant en évidence les avantages et contraintes du procédé. Une démarche de conception de la gamme de soudage est proposée.

FSW : UN PROCEDE DE SOUDAGE POUR LES ALLIAGES D’ALUMINIUM DE FONDERIE

ZIMMER-CHEVRET, Sandra; LAYE, Julien; GUYOMARD, Claude; LANGLOIS, Laurent; BIGOT, Régis; MARTIN, Patrick
Fonte: Arts et Métiers ParisTech Publicador: Arts et Métiers ParisTech
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L’étude présentée concerne la réalisation d’un démonstrateur mettant en évidence le potentiel du procédé de soudage par friction malaxage ( FSW) pour la reconception et la réalisation de pièce en alliages d’aluminium de fonderie. Le potentiel du FSW vient en grande partie du fait que la matière n’atteint pas la fusion lors de l’élaboration de la soudure. Ceci permet notamment de souder des alliages sensibles à la fissuration à chaud et de réaliser des assemblages hétérogènes. La reconception du produit doit tenir compte des contraintes du FSW. Ces dernières ont été identifiées et correspondent à la nécessité de contenir la matière lors du malaxage. Ceci se traduit par une contrainte d’accessibilité de l’outil à la soudure, de celle d’une enclume à l’envers de la soudure et à la présence de matière en épaisseur suffisante autour du pion. Une autre contrainte vient des efforts générés lors du soudage. Les géométries conçues doivent permettre la réalisation d’un montage de soudage supportant les efforts de soudage. L’étude particulière de l’une des soudures du démonstrateur a permis de mettre en évidence la relative tolérance du FSW au défaut de mise en position des pièces à souder et de suivi de trajectoire.

Etude des tolérances du procédé vis-à-vis des défauts de position et d’orientation de l’outil pour la robotisation du FSW

ZIMMER-CHEVRET, Sandra; LANGLOIS, Laurent; HATSCH, Jonathan; JEMAL, Nejah; ABBA, Gabriel; BIGOT, Régis
Fonte: Association Française de Mécanique Publicador: Association Française de Mécanique
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Le FSW est un procédé de soudage innovant ayant démontré son aptitude à être industrialisé pour le soudage des alliages d’aluminiums. Afin de réduire les coûts d’investissement liés à l’achat de la machine et offrir une flexibilité en termes d’applications soudables, la robotisation du procédé apparait comme une opportunité. Les robots poly-articulés remplissent ces critères mais sous l’action des efforts de soudage appliqués sur l’outil, leur structure fléchit. Ceci conduit à une déviation de la position de l’outil par rapport à la trajectoire nominale. L’étude proposée porte sur l’analyse des tolérances du procédé FSW vis-à-vis des défauts de suivi de trajectoire. Une étude expérimentale est présentée pour évaluer l’influence du défaut d’inclinaison angulaire de l’outil sur la qualité de la soudure, l’évolution du couple et l’effort d’avance. L’intérêt est de cerner l’impact d’une désorientation sur le torseur des actions mécaniques qui peut survenir avec un robot polyarticulé.; Friction Stir Welding (FSW) is an innovative welding process increasingly used by industry for the welding of aluminum alloys. In order to reduce the high investment costs of a dedicated FSW’s machine and in order to offer more flexibility to weld complex geometry...

Influence de l'orientation de l'outil sur les forces générées en FSW

JEMAL, Nejah; LANGLOIS, Laurent; ZIMMER-CHEVRET, Sandra; HATSCH, Jonathan; ABBA, Gabriel; BIGOT, Régis
Fonte: Arts et Métiers ParisTech Publicador: Arts et Métiers ParisTech
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Friction Stir Welding (FSW) est considéré comme un procédé de soudage à l’état solide très demandé pour souder des alliages d'aluminium. Au cours des dernières années, les chercheurs se sont orientés vers l’industrialisation de ce procédé. L'utilisation des robots en FSW offre une grande souplesse pour ce procédé. En effet, cet équipement va permettre de réaliser plusieurs types de soudure en permettant d’élargir la gamme d’épaisseur et de la géométrie soudable. Cependant, les forces appliquées à l'outil pendant le soudage par friction malaxage génèrent des déformations élastiques de la structure du robot. Ces déviations affectent la trajectoire du robot ainsi que l’orientation de l’outil par rapport aux pièces à souder, ce qui provoque des défauts au sein du joint de soudure. Pour robotiser le FSW, le véritable défi est d'intégrer la déviation de l’outil et la dynamique des efforts dans le système de contrôle et la commande du procédé. Il est important alors de prendre en considération l'effet de l'orientation de l’outil sur les forces générées lors du FSW. Cette étude analyse l'effet de l'orientation de l'outil sur les forces générées en soudage par friction malaxage. Nous discuterons également l'influence de l'orientation de l'outil sur la qualité de la soudure.; Friction Stir Welding (FSW) is classified as a solid state joining process which is widely used to weld aluminium alloys. In the last few years...

Influence de la géométrie de l’outil sur la robustesse du FSW robotisé; Influence of the tool geometry on the robustness of the robotized FSW process

JEMAL, Nejah; BEN ATTAR, Amarilys; LANGLOIS, Laurent; ZIMMER-CHEVRET, Sandra
Fonte: Arts et Métiers ParisTech Publicador: Arts et Métiers ParisTech
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En soudage par friction malaxage (Friction Stir Welding, FSW), l’outil est l’acteur principal de l’opération. Dans sa configuration conventionnelle, l’outil FSW n’est pas considéré comme un consommable lors du soudage des alliages d’aluminium. Sa partie active constituée d’un épaulement et d’un pion permet l’échauffement et le malaxage de la matière. Dans cette étude, on s’intéresse tout d’abord à analyser l’influence de la géométrie de l’outil sur la qualité du cordon. En effet, pour plusieurs géométries d’outil de soudage, les domaines de soudabilités opératoires sont définis et comparés. À partir de ces résultats, la robustesse des différentes géométries d’outil vis-à-vis de la qualité du malaxage lors d’une variation des paramètres de soudage est évaluée. D’autre part, pendant le soudage l’interaction outil/matière évolue suivant la géométrie des surfaces actives de l’outil FSW. Aussi, l’outil FSW a une influence sur les efforts engendrés au cours du soudage. Ces derniers sont donc également analysés afin de définir l’influence de la géométrie sur leurs variations. Dans un objectif de robotisation du procédé, cette étude est une première étape dans l’optimisation de l’outil en trouvant le bon compromis entre qualité du joint soudé et amplitude des efforts.; In FSW the welding tool is a process major player. In its conventional configuration the FSW tool is not consumable. Its active part is composed by a shoulder and a pin and these elements allow two fundamental phenomena for FSW process: material warm up and material stirring. In this study the influence of the FSW tool geometry is analyzed and put in relation with the weld quality. Indeed for several FSW tool geometries the process window is established and compared. From these results the FSW tool geometries robustness is evaluated with regard to the weld quality when the welding parameters are evolving. On the other hand during the welding operation material/tool interaction evolves depending on the active welding tool surfaces. Therefore FSW tool influences forces values created during welding operation. These forces are analyzed in order to define the influence of the FSW tool geometries on their evolution. This study is a first step in the FSW tool optimization in finding a compromise between weld quality and welding forces in the aim to develop robotized FSW.; Agence Nationale de la Recherche...

Caractérisation d'un alliage 2024-T3 assemblé par friction-malaxage

JEMAL, Nejah; MASSE, Jean-Eric; LANGLOIS, Laurent; TCHERNIAEFF, Serge; GIROT, Franck
Fonte: CSC Publicador: CSC
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Le procédé Friction Stir Welding qui peut se traduire en français par friction malaxage a été inventé par le TWI de Cambridge en 1991. La soudure est réalisée par apport de chaleur provoqué par le frottement d’un outil en rotation et mis en pression sur la pièce. Ce procédé intéresse les utilisateurs d’alliages légers car, sans passer par la fusion, il permet le soudage d’alliages à haute résistance, jusque là inutilisables en raison de leur soudabilité difficile avec les procédés traditionnels. Malgré son potentiel aujourd’hui démontré pour l’assemblage d’alliages d’aluminium ou de magnésium, un joint de soudure obtenu par friction malaxage peut contenir plusieurs types de défauts. Dans cet article nous présentons les différents défauts rencontrés au sein d’un cordon FSW réalisé sur un alliage d’aluminium-magnésium-cuivre à vocation aéronautique, et nous expliquons leurs origines. Pour améliorer la qualité de soudage et diminuer, voire éliminer, ces défauts, on réalise une étude paramétrique visant à l’optimisation des paramètres du procédé. D’un point de vue microstructural, un joint de soudure FSW peut être décomposé en différentes parties : le noyau, la zone affectée thermomécaniquement...

Modélisation des interactions mécaniques outil/matière en FSW

LANGLOIS, Laurent
Fonte: ABBA Gabriel Publicador: ABBA Gabriel
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Pour dimensionner les moyens de production en FSW, il est nécessaire de connaître les efforts résultant de l’interaction mécanique entre l’outil et la matière. Pour cela, un plan d’expériences a été construit et mis en œuvre. Celui-ci permet d’établir des lois statistiques reliant les principaux paramètres de conduite du procédé aux composantes du torseur des actions mécaniques outil/matière que sont le couple de soudage, l’effort d’avance et l’effort transverse. L’étude expérimentale a été menée dans le cas d’une soudure cout-à-bout de deux tôles d’épaisseur 6mm dans un alliage d’aluminium 6082 T651. Les modèles statistiques obtenus pour le couple et l’effort transverse présentent de bonnes caractéristiques. Par contre, celui de l’effort transverse n’est pas satisfaisant. La nature physique de cette composante d’effort, très liée au frottement, est sans doute à l’origine des difficultés de sa modélisation.; ANR

Modèle de l’influence des variations des conditions de soudage sur les interactions mécaniques outil/matière

ZIMMER-CHEVRET, Sandra; LANGLOIS, Laurent; JEMAL, Nejah
Fonte: ABBA Gabriel Publicador: ABBA Gabriel
FR
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Ce document s’intéresse à l’évolution des efforts associée aux écarts entre le cas de soudures sur coupon et une soudure réelle. Les résultats présentés concernent le passage d’une soudure rectiligne à une soudure avec courbure, l’évolution au cours de soudage de l’orientation de l’outil, une variation de l’effort de forge et de la vitesse de soudage, l’apparition d’un défaut d’accostage. L’étude de l’influence de la nature de l’enclume et de la structure métallurgique initiale de l’alliage fait également l’objet de ce document. Les principaux résultats montrent que la réponse du procédé à une variation de conditions opératoires se fait en deux temps. Le premier temps correspond à la réponse instantanée de l’outil aux nouvelles conditions opératoires dans une matière dont l’état est issu des conditions antérieures. Le deuxième temps correspond à l’évolution plus lente du procédé vers un nouveau régime permanent associé aux nouvelles conditions. La thermique du procédé semble avoir un effet prépondérant sur la valeur et l’évolution des efforts de soudage.; ANR COROUSSO

Modèle exploitable pour la définition de la commande du robot

ZIMMER-CHEVRET, Sandra; LANGLOIS, Laurent; BEN ATTAR, Amarilys
Fonte: ABBA Gabriel Publicador: ABBA Gabriel
FR
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37.21%
Ce document traite de la modélisation des actions mécaniques entre l’outil et la matière. L’objectif est de définir un modèle exploitable pour la définition de la commande du robot. Dans un premier temps, le rapport présente une synthèse bibliographique des modèles des interactions mécaniques développés à ce jour. Pour un modèle choisi, les paramètres constituant ce dernier ont été calculés à partir de données expérimentales. Puis, la validité du modèle a été étudiée. Pour une même configuration de soudage, une campagne expérimentale a été menée avec un outil de soudage différent afin de valider la transposition du modèle. Malheureusement, la transposition du modèle n’a pu être démontrée. Enfin, pour terminer, le modèle des actions mécaniques implémenté dans la commande du robot est présenté ainsi que sa validation expérimentale.; ANR COROUSSO

Robot comparison based on local and global indices proposed and related to FSW welding and machining; Comparaison de robots en fonction des indices locaux et globaux proposés et liés aux opérations de soudage FSW et d’usinage de pièces métalliques et composites

CARO, Stéphane; PASHKEVICH, Anatol; ABBA, Gabriel
Fonte: Arts et Métiers ParisTech Publicador: Arts et Métiers ParisTech
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This deliverable deals with the comparison of robots as a function of local and global indices related to machining operations of metallic and composite parts and friction stir welding. Some typical industrial operations are first presented. Then, some local and global performances indices are to machining operations of metallic and composite parts and friction stir welding are presented. A new method for the stiffness modeling of serial and parallel manipulators is also introduced. As a matter of fact, some performance indices depend on the stiffness of the manipulator under study. Finally, the proposed technique is illustrated by means of the comparison of three degrees of freedom translational manipulators.; ANR COROUSSO

Simulation results using a robot with flexibilities for machining and welding; Résultats en simulation de l’utilisation d’un robot avec flexibilités pour l’usinage et le soudage

KLIMCHIK, Alexandr; PASHKEVICH, Anatol; GARNIER, Sébastien; CARO, Stéphane; LEONARD, François; ABBA, Gabriel; QIN, Jinna
Fonte: ABBA Gabriel Publicador: ABBA Gabriel
EN
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The objective of this report is to detail the models used in simulation and the results obtained in simulation for both machining and FSW process. This report contains in a first part the details of modeling flexibilities of serial robots primarily through a model of localized flexibilities. The flexibilities are expressed both in Cartesian space and in the joint space and taking into account possible couplings. The second part deals with the dynamic model used in the simulator and the simulation environment. A significant work was to also model the company Kuka robot controller. Machining processes and FSW are modeled by simple models but reflecting the reality of the behavior.; L’objectif de ce rapport est de détailler les modèles utilisés en simulation et les résultats obtenus en simulation aussi bien pour le procédé d’usinage que pour le procédé FSW. Ce rapport contient donc dans une première partie les détails sur la modélisation des flexibilités des robots essentiellement par le biais d’un modèle de flexibilités localisées. Les flexibilités sont exprimées aussi bien dans l’espace cartésien des robots que dans l’espace articulaire et en tenant compte des éventuels couplages. Une seconde partie traite du modèle dynamique utilisé dans le simulateur et de l’environnement de simulation. Un travail non négligeable a été de modéliser également le contrôleur de robot de l’entreprise Kuka. Les procédés d’usinage et de soudage FSW sont modélisés par des modèles simples mais traduisant bien la réalité du comportement.; ANR COROUSSO

Rapport de définition de l’ensemble des essais

GARNIER, Sébastien; FURET, Benoît; ZIMMER-CHEVRET, Sandra; LANGLOIS, Laurent; ABBA, Gabriel; JEMAL, Nejah
Fonte: ABBA Gabriel Publicador: ABBA Gabriel
FR
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37.65%
Ce rapport contient la définition des pièces d’essais utilisées pour la validation des tâches, d’une part en soudage FSW et d’autre part en usinage, qu’il soit de pièces aluminium ou de pièces en matériaux composites. La robotisation du FSW est envisagée pour les soudures complexes pouvant occuper un volume de travail conséquent. La déformation du robot, à efforts de soudage équivalent, peuvent donc évoluer tout au long de la soudure. Les pièces de démonstration doivent permettre de valider ou d’estimer l’efficacité des corrections de trajectoires pour des soudures : Générant par leur géométrie des variations d’effort de soudage (avance et transverse) et des positions du robot différentes conduisant à des sollicitations de ces axes également différentes. Pour la validation du potentiel d’usinage à l’aide de robots, nous avons choisi de mener les tests sur des pièces composites de grandes dimensions. Il s’agit de pièces qui rentrent dans le cadre d’une nouvelle approche en termes de construction aéronautique, concernant la conception, la fabrication et la validation d’un démonstrateur de caisson d’avion d’affaires en composite. Ce projet avait permis, pour ce qui concerne le détourage des pièces composites...

Contraintes et potentialités du procédé innovant FSW pour la reconception de produit

LANGLOIS, Laurent; CROUE, Jean-Baptiste; DELAMEZIERE, Arnaud; MARTIN, Patrick; ZIMMER-CHEVRET, Sandra
Fonte: AIP PRIMECA Publicador: AIP PRIMECA
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Le procédé de soudage FSW est un procédé relativement récent dont le premier brevet date de 1991. Ses principaux avantages proviennent du fait qu’il permet de réaliser des soudures à l’état solide de proche en proche. Ceci lui permet d’assembler des pièces de géométrie complexes dans des alliages difficiles à souder par fusion. Toutefois le principe physique et technologique du procédé est très différent de celui des procédés de soudage par fusion. Notamment, la soudure est obtenue par l’action mécanique d’un outil en interaction avec la matière à souder. Pour évaluer la pertinence et le gain potentiel d’une soudure FSW par rapport à une soudure conventionnelle à l’arc une étape de reconception détaillée des pièces en intégrant les potentialités et lescontraintes du FSW est nécessaire. Dans cet article est présentée une première contribution à la mise en place d’un processus de reconception de produit en intégrant le potentiel du FSW. Ce travail, à partir d’une étude de cas s’appuie sur l’identification des contraintes et des potentiels du FSW et leur intégration dans le processus de fabrication de la pièce et l’évaluation des performances et du coût de la pièce.