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1 SOUDAGE DES ALLIAGES D'ALUMINIUM Claude PHILIP ENSAM (CER de Bordeaux) Object

1 SOUDAGE DES ALLIAGES D'ALUMINIUM Claude PHILIP ENSAM (CER de Bordeaux) Objectifs du cours : Le soudage de l'aluminium et de ses alliages nécessite la prise en compte des spécificités de ces matériaux, à savoir : les propriétés physiques et physico-chimiques, en particulier la bonne conductivité thermique, les propriétés mécaniques, les propriétés métallurgiques. Le but de ce cours est de donner : l'influence des propriétés de l'aluminium sur les opérations de soudage, la soudabilité métallurgique des principaux alliages d'aluminium, la soudabilité opératoire de ces alliages. Prérequis : Connaissances des matériaux Bases de métallurgie Métallurgie du soudage Version : 25/09/07 Soudages des alliages d'aluminium Claude PHILIP - ENSAM 2 SOMMAIRE Alliages d'aluminium p. 3 Fabrication de l'aluminium p. 3 Propriétés de l'aluminium P. 3 Les alliages d'aluminium P. 5 Soudage des alliages d'aluminium P. 11 Influence des propriétés physiques P. 11 Influence des propriétés physico-chimiques P. 12 Soudabilité de l'aluminium P. 14 Soudabilité des alliages d'aluminium P. 18 Lexique P. 23 Bibliographie P. 24 Soudages des alliages d'aluminium Claude PHILIP - ENSAM 3 1 Alliages d'aluminium 1.1 Fabrication de l'aluminium Les différentes étapes de fabrication de l'aluminium et de ses alliages sont : Minerai L'extraction de l'aluminium se fait à partir de roches riches en alumines (45 à 60%): les bauxites. Production d'alumine A partir du minerai, on extrait l'alumine par le procédé Bayer. La bauxite est attaquée à chaud, sous pression, par de la soude pour obtenir une liqueur d'aluminate de soude. Après décantation (élimination des oxydes de fer et de silicium), la liqueur restante est envoyée dans des décomposeurs pour précipitation de l'alumine. L'alumine est récupérée par filtration, puis est calcinée. Production de l'aluminium L'aluminium est produit par électrolyse de l'alumine dans de la cryolithe fondue, à environ 1000°C dans une cuve comportant un garnissage intérieur en carbone. L'aluminium se dépose au fond de la cuve avec un titre d'environ 99,7% (les principales impuretés étant le fer et le silicium). Plusieurs procédés de raffinage permettent d'obtenir un titre plus élevé. Transformation en semi-produits L'aluminium, éventuellement allié, est ensuite coulé : soit, par le procédé de coulée semi-continue sous forme de plaques pour laminage ou de billettes pour filage ou forgeage, soit, par coulée et laminage continu, soit, en lingotière. Les semi-produits sont ensuite obtenus par : Laminage à chaud (400 – 500°C) pour obtenir des tôles d'épaisseur supérieure à 2,5 mm. Laminage à froid pour obtenir des tôles de faible épaisseur jusqu'à 4 mm. Filage à chaud pour obtenir des barres, tubes et profiles. Ces demi-produits peuvent être ensuite étirés ou tréfilés à froid. Forgeage et matriçage pour obtenir des pièces de forme. Moulage Transformation en produits finis L'obtention de produits finis est réalisée par : assemblage (soudage, brasage, collage, rivetage,...), mise en forme à froid (pliage, emboutissage, filage par choc,...), usinage, traitement de surface (oxydation anodique, peinture,...). 1.2 Propriétés de l'aluminium 1.2.1 Propriétés physiques Atomiques et cristallines numéro atomique 13 masse atomique 26,98 structure cristalline Face centrée stable à toute température. Soudages des alliages d'aluminium Claude PHILIP - ENSAM 4 Masse volumique 2699 kg/m3 pour un titre de 99,95% Thermique Température de fusion 660°C pour un titre de 99,995% Chaleur de fusion 397 kJ/kg ou 2,56 kcal/mol Température d'ébullition 2500°C Coefficient de dilatation linéaire 23 10-6 /°C à 20°C Conductivité thermique 237 Wm-1°C-1 Capacité thermique massique 900 J kg-1°C-1 Electrique Résistivité 2,6548 10-8 Ωm pour un titre de 99,996 à 20°C Optique Fort pouvoir réflecteur de l'aluminium poli 85 à 95% dans le visible 1.2.2 Propriétés mécaniques Elastique Module d'élasticité 66,6 GPa Module de torsion 25 GPa Coefficient de poisson 0,33 à 0,35 Traction Nuance Etat R02 (MPa) Rm (MPa) A% 1050A O H14 H18 30 105 140 80 115 135 40 11 6 1080 O H14 25 95 75 105 42 11 Dureté Dureté Brinell mesurée sous 500 Kg avec une bille de 10 mm Nuance Etat Dureté 1050A O H14 H18 21 30 41 1080 O H14 19 27 Tenue à la fatigue Limite à 10-8 cycles Nuance Etat Limite (MPa) 1050A O H14 H18 28 55 1080 O H14 27 Soudages des alliages d'aluminium Claude PHILIP - ENSAM 5 1.3 Les alliages d'aluminium 1.3.1 Classification Les alliages d'aluminium peuvent être classés suivant plusieurs méthodes : Suivant leur composition chimique On distingue : En aluminium à divers degré de pureté, En alliages avec une classification à partie de l'élément d'alliage principal : Mn, Si, Mg, Cu, Zn. Suivant le mode de fabrication des demi-produits On distingue ; les alliages moulés, les alliages corroyés. Suivant la possibilité de durcissement par traitement On distingue : les alliages susceptibles de durcissement structural, les alliages non susceptibles de durcissement structural. Le tableau 1 donne un résumé de ces classifications. Classification de l'aluminium et de ses alliages TABLEAU 1 1.3.2 Désignation conventionnelle Pour les alliages corroyés, la désignation des alliages d'aluminium est définie par la norme NF A 02 104. Les alliages d'aluminium sont désignés par un nombre de quatre chiffres pouvant être précédé d'une lettre préfixe X ou suivi d'une lettre suffixe. Signification des chiffres Le premier chiffre indique le groupe auquel appartient l'alliage 1 désigne l'aluminium dont le titre est supérieur à 99,00% les chiffres de 2 à 8 désignent les alliages et identifient l'élément d'alliage principal et le groupe 2 aluminium-cuivre 3 aluminium-manganèse 4 aluminium-silicium 5 aluminium-magnésium 6 aluminium-magnésium-silicium 7 aluminium-zinc 8 autres alliages d'aluminium Soudages des alliages d'aluminium Claude PHILIP - ENSAM 6 Le second chiffre Dans le groupe 1, identifie des variantes (impuretés à teneur contrôlée), Dans les autres groupes, est réservé aux modifications successives de l'alliage. Les deux autres chiffres Dans le groupe 1, indiquent le pourcentage en aluminium au-delà de 99,00%, Dans les autres groupes, servent à identifier l'alliage. Signification des lettres La lettre préfixe X est réservée à la désignation d'un alliage expérimental. La lettre suffixe indique une variation nationale de l'alliage. Le tableau 2 donne quelques désignations avec les correspondances avec les anciennes désignations. Le tableau 3 donne les compositions chimiques des principaux alliages. Il est à noter que les alliages de fonderie continuent à être désignés de façon alphanumérique selon la norme NF A 02-004. Désignation de l'aluminium et de ses alliages TABLEAU 2 Soudages des alliages d'aluminium Claude PHILIP - ENSAM 7 Composition chimique de l'aluminium et de ses alliages TABLEAU 3 1.3.3 Désignation des états de livraison Alliages corroyés La désignation de l'état de livraison des alliages corroyés fait l'objet de la norme NF A 02-006. L'état de livraison est défini par une lettre définissant l'état de base : F Fabriqué à chaud Les opérations de forgeage, filage, laminage effectué à chaud conduisent à l'état F. O Recuit ou recristallisé Les mêmes opérations effectuées à chaud ou à froid suivies d'un recuit conduisent à l'état O. H Ecroui par une opération de travail à froid T Traité thermiquement W Trempe fraîche C'est un état métallurgique instable et donc ce n'est pas un état d'utilisation. Les états F, O et W ne comportent pas de subdivision Etat H La désignation des états écrouis se fait par 3 chiffres Le premier chiffre indique le type de traitement subi par l'alliage 1 Ecrouissage seul 2 Ecrouissage suivi d'un recuit de restauration (adoucissement partiel) 3 Ecrouissage suivi d'une stabilisation Le deuxième chiffre indique la nuance de dureté 2 nuance 1/4 dure 4 nuance 1/2 dure 6 nuance 3/4 dure 8 nuance dure 9 nuance extra-dure Le troisième chiffre est réservé à des variantes de fabrication Soudages des alliages d'aluminium Claude PHILIP - ENSAM 8 Etat T La désignation des états durcis par traitements se fait également par 3 chiffres selon le tableau 4. Désignation des états durcis par traitements thermiques TABLEAU 4 Alliages de fonderie La désignation de l'état de livraison des alliages de fonderie fait l'objet des normes NF A 57-702, NF A 57-703. L'état de livraison est défini par la lettre Y suivie de deux chiffres indiquant le mode d'élaboration et le traitement thermique (Tableau 5). Désignation des états de livraisons des alliages de fonderie TABLEAU 5 Soudages des alliages d'aluminium Claude PHILIP - ENSAM 9 1.3.4 Propriétés des alliages d'aluminium Les propriétés des alliages d'aluminium dépendent : de leur composition, de leur mode d'élaboration, de leur état de livraison. A titre indicatif les tableaux 6 et 7 indiquent les principales propriétés physiques et mécaniques de quelques alliages. Le tableau 8 indique leurs aptitudes technologiques. Propriétés physiques des alliages d'aluminium TABLEAU 6 Propriétés mécaniques des alliages d'aluminium TABLEAU 7 Soudages des alliages d'aluminium Claude PHILIP - ENSAM 10 Aptitudes technologiques des alliages d'aluminium TABLEAU 8 Soudages des alliages d'aluminium Claude PHILIP - ENSAM 11 2 Soudage des alliages d'aluminium 2.1 Influence des propriétés physiques Le tableau 9 donne les principales caractéristiques physiques de l'aluminium en comparaison avec le fer et le cuivre. Plusieurs propriétés propres à l'aluminium ont une influence déterminante sur les conditions de soudage. Propriétés physiques de l'aluminium TABLEAU 9 Chaleur spécifique - Chaleur latente Malgré un point de fusion faible, la chaleur spécifique et la chaleur latente élevées conduisent à un faible rendement thermique du chauffage lors de uploads/Industriel/ soudage-alu.pdf