Top 10+ quel est le point commun entre l’acier et l’aluminium

Contexte En règle générale, les concepteurs de structures métalliques ont appris à concevoir avec de l’acier. Lors de la conception avec de l’aluminium, cependant, l’ingénieur ne doit pas baser la conception sur des expériences antérieures avec de l’acier ou tout autre matériau. Le choix de l’alliage, la conception appropriée du joint et le choix d’un procédé de soudage optimal peuvent tous être fonction du matériau de base. Alors que l’aluminium obéit évidemment aux mêmes lois de la mécanique que tous les autres matériaux, il doit être abordé différemment de l’acier lorsqu’il est soudé. Les structures en aluminium ne sont pas nécessairement plus difficiles à concevoir ou à souder que les structures en acier, elles sont simplement différentes.

Ne choisissez pas seulement l’alliage le plus résistant L’aluminium est souvent choisi comme matériau de structure pour les applications dans lesquelles les économies de poids sont importantes. Très souvent, le concepteur choisira l’alliage le plus résistant disponible. C’est une mauvaise pratique de conception pour plusieurs raisons. Premièrement, la limitation de conception critique pour de nombreuses structures est souvent la déflexion et non la résistance. Dans de tels cas, le module d’élasticité, et non les propriétés de traction, gouvernera la conception. Le module de la plupart des alliages d’aluminium, qu’ils soient faibles ou forts, est approximativement le même (un tiers du module d’élasticité de l’acier), donc aucun avantage ne résulte de l’utilisation de l’alliage le plus résistant. Deuxièmement, et c’est le plus important, bon nombre des alliages d’aluminium les plus résistants ne sont pas soudables en utilisant des techniques conventionnelles.

Lorsque nous parlons d’alliages d’aluminium «soudables» ou «non soudables», nous parlons généralement de la capacité de l’alliage à être soudé sans fissuration à chaud. Les alliages extrêmement sensibles à la fissuration à chaud ne sont pas considérés comme appropriés pour les applications structurelles (porteuses de charges) et sont généralement classés dans la catégorie des non soudables. La fissuration à chaud des alliages d’aluminium est principalement due à la chimie de l’alliage et du cordon de soudure. Pour pratiquement chaque ajout d’alliage, la sensibilité à la fissuration varie à mesure que la teneur en alliage augmente, comme le montre la figure 1. Les alliages soudables ont une composition qui tombe bien au-dessus ou bien en dessous de la sensibilité maximale à la fissuration. Dans certains cas, comme celui du 6061, qui est très sensible aux fissures s’il est soudé sans matériau de remplissage, la sensibilité à la fissuration de la soudure peut être réduite à des niveaux acceptables avec l’ajout d’un métal d’apport à haute teneur en silicium ou à haute teneur en magnésium. Le silicium ou le magnésium supplémentaire pousse le métal de soudure solidifiant au-dessous du niveau de sensibilité à la fissuration. Dans d’autres alliages, tels que 7075, il n’est pas possible de concevoir un alliage d’apport de soudure qui se traduit par une chimie résistante aux fissures. Ceux-ci sont considérés comme non soudables.

Les alliages sont divisés en deux groupes: les alliages à traitement thermique et les alliages non à traitement thermique. Une évaluation relative de la soudabilité est également donnée pour chacun d’entre eux. Les alliages non traitables thermiquement sont composés des séries 1XXX, 3XXX, 4XXX et 5XXX. Il n’est pas possible de renforcer ces alliages par traitement thermique. Ils ne peuvent être renforcés que par écrouissage à froid (également appelé écrouissage). Les alliages 1XXX, tels que 1100, 1188 ou 1350, sont essentiellement de l’aluminium pur (99 +% de pureté). Ils sont relativement souples et faibles, avec une bonne résistance à la corrosion, et sont généralement utilisés lorsqu’une conductivité électrique élevée est requise, comme pour les barres omnibus ou comme conducteurs électriques. Ils sont également utilisés dans certaines applications qui nécessitent une résistance élevée à la corrosion. Tous ces alliages sont facilement soudables. Les alliages de la série 3XXX ont divers niveaux de manganèse (Mn) ajoutés pour les renforcer et améliorer leur réponse au travail à froid. Ils ont une résistance moyenne, une bonne résistance à la corrosion et sont facilement soudables. Ils sont utilisés pour les systèmes de climatisation et de réfrigération, les garnitures de bâtiment non structurelles et d’autres applications. La série d’alliages 4XXX contient du silicium (Si) ajouté comme élément d’alliage pour réduire le point de fusion et augmenter leur fluidité à l’état fondu. Ces alliages sont utilisés pour le soudage et le brasage de matériaux d’apport et pour les moulages au sable et sous pression. Ils sont les moins sensibles aux fissures de tous les alliages d’aluminium. La série d’alliages 5XXX contient du magnésium (Mg) ajouté afin d’augmenter leur résistance et leur capacité d’écrouissage. Ils sont généralement très résistants à la corrosion et ont les résistances les plus élevées de tous les alliages non traitables thermiquement. L’augmentation de la teneur en magnésium de ces alliages entraîne une augmentation des niveaux de résistance. Ces alliages sont couramment disponibles sous forme de feuilles, plaques et bandes et sont les alliages d’aluminium structurels les plus courants. Ils ne sont généralement pas disponibles sous forme de profilés extrudés, car ils sont coûteux à extruder. Ils sont facilement soudables, dans la plupart des cas, avec ou sans métal d’apport. Cependant, il y a un pic de fissuration Al-Mg à environ 2,5% Mg, il faut donc faire attention dans les alliages de soudage tels que 5052. Il ne doit pas être soudé de manière autogène (c’est-à-dire sans ajouter de métal d’apport). Un métal d’apport à forte teneur en Mg, tel que le 5356, doit être utilisé pour réduire la sensibilité aux fissures.

Les alliages pouvant être traités thermiquement sont contenus dans les familles d’alliages 2XXX, 6XXX et 7XXX. La famille d’alliages 2XXX est constituée d’alliages Al-Cu à haute résistance utilisés principalement pour les applications aérospatiales. Dans certains environnements, ils peuvent présenter une faible résistance à la corrosion. En général, la plupart des alliages de cette série sont considérés comme non soudables. Un excellent exemple d’alliage non soudable de cette série, qui attire les concepteurs en raison de sa haute résistance, est l’alliage 2024. Cet alliage est couramment utilisé dans les cellules d’aéronef, où il est presque toujours riveté. Il est extrêmement sensible aux fissures et presque impossible à souder avec succès en utilisant des techniques standard. Seuls deux alliages structurels courants de la série 2XXX sont soudables: le 2219 et le 2519. L’alliage 2219 est très facilement soudable et a été largement soudé dans la fabrication des réservoirs externes de la navette spatiale américaine. Cet alliage obtient sa bonne soudabilité en raison de sa teneur en cuivre plus élevée, environ 6%. Un alliage étroitement apparenté, qui est également très soudable, est le 2519. Il a été développé pour la fabrication de véhicules blindés. Bien qu’il existe des exceptions détaillées à cette règle, le concepteur devrait probablement considérer tous les autres alliages de la série 2XXX comme non soudables. Les alliages de la série 6XXX sont probablement les alliages les plus fréquemment rencontrés en gros œuvre. Ils sont relativement solides (bien que moins solides que les séries 2XXX ou 7XXX) et ont une bonne résistance à la corrosion. Ils sont le plus souvent fournis sous forme d’extrusions. En fait, si le concepteur spécifie une extrusion, elle sera presque certainement fournie sous forme d’alliage 6XXX. Les alliages 6XXX peuvent également être fournis sous forme de tôles, de plaques et de barres et sont les alliages structurels traitables thermiquement les plus courants. Bien que tous les alliages de cette série aient tendance à être sensibles aux fissures, ils sont tous considérés comme soudables et sont en fait soudés tous les jours. Cependant, le métal d’apport de soudure approprié doit être utilisé pour éliminer les fissures. De plus, ces alliages se fissureront généralement s’ils sont soudés sans ou avec des ajouts de métal d’apport insuffisants. Les alliages 7XXX sont ceux qui font généralement décevoir les concepteurs. Ce sont des alliages Al-Zn ou Al-Zn-Mg-Cu à très haute résistance qui sont souvent utilisés dans la fabrication aérospatiale, et sont fournis sous forme de tôles, plaques, pièces forgées et barres, ainsi que des extrusions. À quelques exceptions près notées ci-dessous, le concepteur doit supposer que les alliages 7XXX ne sont pas soudables. Le plus courant de ces alliages est le 7075, qui ne doit jamais être soudé pour des applications structurelles. De plus, ces alliages souffrent souvent de mauvaises performances de corrosion dans de nombreux environnements. Quelques-unes des séries 7XXX défient la règle générale et sont soudables. Ce sont les alliages 7003 et 7005, qui sont souvent considérés comme des extrusions, et 7039, qui sont le plus souvent considérés comme des tôles ou des plaques. Certaines utilisations courantes de ces alliages sont aujourd’hui les cadres de vélo et les battes de baseball, tous deux soudés. Ces alliages sont faciles à souder et peuvent parfois offrir des avantages de résistance à l’état brut par rapport aux alliages 6XXX et 5XXX. Il existe une autre exception à la règle générale selon laquelle les alliages 2XXX et 7XXX ne sont pas soudables. Il existe un certain nombre d’alliages de plaques épaisses coulées et / ou forgées conçus comme matériau de plaque de moule pour l’industrie du moulage par injection. Ces alliages, qui incluent Alca Plus, Alca Max et QC-7, sont tous très proches en chimie du 7075 ou du 2618. Le concepteur doit absolument éviter les soudures structurelles sur ces alliages. Cependant, des soudures sont souvent effectuées sur ces alliages pour corriger les erreurs d’usinage, l’érosion des matrices, etc. Ceci est acceptable car il n’y a que de faibles contraintes sur ces soudures et, en fait, la soudure est souvent en compression. Cette discussion a tenté de faire quelques remarques: Premièrement, lorsque vous concevez une structure de quelque type que ce soit, ne faites pas défiler la liste d’alliages d’aluminium la plus proche et choisissez le plus solide Sachez que certains alliages, souvent les plus solides, ne sont pas soudables. Assurez-vous que l’alliage sélectionné est facilement soudable Reconnaître que certains alliages ou familles d’alliages conviennent mieux à certaines applications qu’à d’autres Encore une mise en garde: lors du soudage de l’aluminium, le concepteur ne doit pas supposer que les propriétés du matériau de départ et les propriétés de la soudure sont équivalentes.

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Pourquoi la soudure n’est-elle pas aussi solide que le métal de base original? Un concepteur de structures en acier suppose généralement qu’une soudure est aussi solide que le matériau d’origine, et l’ingénieur en soudage qui est responsable de la fabrication de la structure s’attend à faire une soudure aussi solide que l’acier utilisé. Il serait tentant de supposer que la situation est la même lors de la conception et de la fabrication de structures en aluminium, mais ce n’est pas le cas. Dans la plupart des cas, une soudure dans un alliage d’aluminium est plus faible, souvent à un degré significatif, que l’alliage à souder.

Alliages non traitables thermiquement Les alliages de cette catégorie (c’est-à-dire les familles 1XXX, 3XXX, 4XXX et 5XXX) sont produits par un processus d’écrouissage: laminage, étirage, etc. Après le processus d’écrouissage, l’alliage reçoit la désignation d’un état F fabriqué). Les alliages subissent alors souvent un traitement thermique de recuit ultérieur, après quoi ils sont classés comme un état O (recuit). De nombreux alliages sont vendus dans cet état. Ainsi, la désignation correcte pour une plaque de 5083 qui a été recuite après le laminage est 5083-O. Une des propriétés intéressantes de ces alliages est qu’ils peuvent être considérablement augmentés en résistance s’ils sont écrouis à froid après le recuit. La figure 2 montre ce qui arrive à plusieurs alliages avec des quantités variables de travail à froid. Par exemple, l’alliage 5086 augmente sa limite d’élasticité d’environ 18 ksi (125 MPa) à 40 ksi (275 MPa) et est maintenant dit durci sous contrainte. Une désignation complète pour cet alliage serait 5056-H36. La désignation de l’état H peut être quelque peu compliquée, car elle est utilisée pour désigner un certain nombre de variables de traitement. Cependant, le dernier chiffre désigne le niveau de travail à froid dans l’alliage, 9 désignant le plus élevé.

Une erreur courante dans la conception de structures soudées en utilisant des alliages non thermo-traitables est de consulter une liste de propriétés, de ne pas tenir compte du matériau de trempe O et de choisir un alliage du plus haut revenu car il est significativement plus résistant. Cela semble logique, mais ce n’est souvent pas le cas, car la chaleur de soudage agit comme une opération de recuit local, affaiblissant considérablement la zone affectée thermiquement (HAZ) de la soudure. Si l’on trace la limite d’élasticité ou de traction en fonction de la distance de la soudure, une courbe telle que celle vue sur la figure 3 est obtenue. Si la conception est basée sur les propriétés de durcissement par déformation, la contrainte de conception admissible sera généralement supérieure à la limite d’élasticité réelle de la HAZ. Bien que cela puisse sembler contre-intuitif, le fait est le suivant: quel que soit l’état de départ, les propriétés de la HAZ seront celles du matériau recuit à l’état O en raison de l’opération de soudage. Par conséquent, la conception doit être basée sur les propriétés de recuit, et non sur les propriétés de trempe. Pour cette raison, il n’a généralement pas de sens d’acheter les revêtements trempés plus chers pour les fabrications soudées. Il faut concevoir avec et spécifier l’alliage à l’état O et au calibre supérieur si nécessaire. Une question évidente est de savoir si quelque chose peut être fait pour restaurer les propriétés du matériau après le soudage d’un matériau durci sous contrainte. Malheureusement, la réponse est presque toujours non. La seule façon de durcir ces matériaux est la déformation mécanique, ce qui n’est presque jamais pratique pour les structures soudées.

Alliages traitables thermiquement La situation est quelque peu différente lors du soudage des alliages pouvant être traités thermiquement. Les alliages sont traités thermiquement en chauffant initialement le matériau à environ 1000 ° F (540 ° C), en maintenant la température pendant une courte période, puis en le trempant dans l’eau. Cette opération a pour but de dissoudre toutes les additions d’alliage en solution et de les y maintenir à température ambiante. On dit que les alliages dans cet état sont à l’état T4 et ont des résistances significativement plus élevées que le même alliage à l’état O. En fonction de l’alliage, le «vieillissement naturel» à température ambiante peut conduire à une augmentation supplémentaire de la résistance au fil du temps. Cela se déroule sur quelques jours ou, tout au plus, sur quelques semaines. Après cela, les propriétés resteront stables pendant des décennies. Si l’on achète du matériau T4, il est stable et les propriétés ne changeront pas au cours d’une vie. Cependant, la plupart des alliages subissent un traitement thermique supplémentaire pour obtenir les meilleures propriétés mécaniques. Ce traitement thermique consiste à maintenir le matériau à environ 400 ° F (205 ° C) pendant quelques heures. Pendant ce temps, les additions d’alliage qui ont été dissoutes dans le traitement thermique antérieur précipitent de manière contrôlée, ce qui renforce l’alliage. Le matériau dans cet état est appelé état T6 (vieilli artificiellement), l’état d’alliage traité thermiquement le plus courant. Encore une fois, le système complet de désignation de l’état est en fait beaucoup plus complexe que cela, mais la compréhension des états T4 et T6 aidera à surmonter certaines des erreurs les plus courantes commises lors de la conception de soudures en aluminium. Il est important de noter que les alliages pouvant être traités thermiquement peuvent également être durcis sous contrainte après traitement thermique, ce qui peut compliquer davantage la désignation de l’état. N’oubliez pas que le traitement de vieillissement est effectué à environ 400 ° F (205 ° C). Tout processus de soudage à l’arc rend le HAZ beaucoup plus chaud que cela. Par conséquent, le soudage constitue un traitement thermique supplémentaire pour le HAZ. Certains alliages subissent un traitement thermique en solution supplémentaire, tandis que d’autres alliages deviennent trop vieux dans la zone HAZ. Cela entraîne une dégradation des propriétés du matériau, en particulier si les propriétés soudées sont comparées aux propriétés T6. Par exemple, la résistance à la traction minimale spécifiée dans ASTM B209 pour 6061 – T6 est de 40 ksi (275 MPa). La plupart des codes de fabrication exigent une résistance minimale à la traction soudée de 24 ksi (165 MPa), ce qui constitue une dégradation importante. Comme lors de la conception des alliages non traitables thermiquement, le concepteur ne doit pas utiliser les propriétés du matériau parent dans la conception. Des propriétés réalistes telles que soudées doivent être utilisées. Il est difficile de généraliser ces propriétés. Ils changent d’alliage en alliage et dépendent fortement de l’état de départ de l’alliage. La plupart des codes de conception contiennent des propriétés telles que soudées pour les alliages d’aluminium et celles-ci doivent être utilisées. Cependant, avec les alliages pouvant être traités thermiquement, il existe des moyens de récupérer certaines des propriétés du matériau du parent. La figure 4 montre un graphique de la contrainte de traction en fonction de la distance de la soudure pour 6061, révélant des courbes pour les matériaux T4 et T6 à la fois dans les conditions comme soudé (AW) et post-soudé (PWA). L’état PWA représente une soudure qui est ensuite vieillie pendant une heure à environ 400 ° F (205 ° C). Le vieillissement après soudage améliore les propriétés mécaniques des matières de départ T4 et T6. En fait, il est souvent préférable de souder dans l’état T4 et après l’âge du soudage après le processus de soudage.

Il y a une dernière alternative à discuter. Si, après le soudage, la structure reçoit un traitement thermique complet (c.-à-d. Traitement en solution à 1000 ° F [540 ° C], trempe, vieillissement à 400 ° F [205 ° C]), toutes les propriétés du matériau (même dans le soudure) seront récupérés et les propriétés T6 seront obtenues. Cette pratique est fréquemment suivie sur les petites structures telles que les cadres de vélos, mais elle n’est pas pratique pour les structures plus grandes. De plus, la trempe provoque généralement une distorsion suffisante de la structure pour qu’une opération de redressage soit nécessaire avant vieillissement.

Conclusions Dans la conception de structures en aluminium soudées, trop souvent les différences entre l’acier et l’aluminium ne sont pas prises en compte. Pour récapituler, les erreurs courantes incluent: Tous les alliages d’aluminium ne sont pas soudables. En général, les alliages les moins soudables sont aussi les alliages les plus résistants La soudure sera rarement aussi solide que le matériau d’origine Le HAZ aura des propriétés recuites à l’état O pour les alliages non traitables thermiquement, quel que soit l’état initial du matériau Pour les alliages pouvant être traités thermiquement, les propriétés telles que soudées seront nettement inférieures aux propriétés de l’état de l’alliage T6 Le traitement thermique après soudage peut aider à restaurer les propriétés mécaniques des soudures dans les alliages pouvant être traités thermiquement

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