Joining hot-rolled magnesium alloys using friction stir welding and laser beam welding : experimental approach for mechanical properties understanding
Assemblage des alliages de magnésium laminés à chaud par soudage friction malaxage et soudage laser : approche expérimentale vers une compréhension des propriétés mécaniques
Résumé
The challenges of weight reduction in aerospace industry have drawn considerable interest in magnesium alloys technologies. Assessing the efficiency of new joining techniques, such as Laser Beam Welding and Friction Stir Welding is then required. The aim of this study is to investigate the relationship between welding parameters and the resulting microstructure and mechanical properties. It was part of the AEROMAG European Project whose objective was the use of wrought Magnesium alloys in aeronautics. Friction Stir Welds and Laser Beam (Nd:YAG and CO2) Welds were processed using 2 mm thick hot rolled plates of AZ31, AZ61 and WE43 Magnesium alloys. The process window for LBW and FSW was determined. The weld characterisation was focused on AZ31 alloy. A relationship between welding parameters, the temperatures undergone and the weld microstructure was established for each process. FSW induced microstructural changes and complex residual stress distribution, which have a primary influence in FSW mechanical properties. The influence of texture evolution and precipitation evolution on LBW mechanical properties was also determined. Localisation features similar to shear bands were observed in both LBW and FSW. FSW resulted in a dramatic loss in mechanical properties, which could not be recovered after heat treatments, whereas LBW presented after heat treatment mechanical properties similar to those of the base metal. A comparison was made with precipitation hardenened alloys (AZ61 and WE43) mechanical properties. Finally, the potentiality of replacing aluminium alloys with these magnesium alloys was studied.
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.
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Sciences de l'ingénieur [physics]
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