Conception en fatigue de joints soudés par friction malaxage dans les tabliers de pont en aluminium

L’énorme potentiel de l’aluminium est sous-exploité pour la réhabilitation et même la construction rapide de ponts, en raison d’un manque de connaissance et d’expérience, ainsi que d’un manque d’outils de conception appropriés. En effet, les concepteurs pensent rarement à l’utilisation de l’aluminium comme matériau structural lors de projets de réhabilitation ou de remplacement de ponts routiers existants. Pourtant, le haut rapport résistance/densité de l’aluminium, sa durabilité et sa recyclabilité font de lui un matériau de choix par rapport aux autres matériaux traditionnels comme l’acier et le béton. De plus, la capacité à extruder des pièces de formes variées offre aux concepteurs la flexibilité nécessaire à l’optimisation des profilés, et ainsi, avoir un meilleur contrôle sur les déformations et les vibrations pendant la durée de vie de la structure. Bien souvent, l’élément d’un pont le plus susceptible de se détériorer rapidement est le tablier, car il est le plus affecté par les sels de déglaçage, le passage des véhicules et les variations de température. Une solution durable et innovante dans des projets de réhabilitation de ponts routiers est l’utilisation d’un platelage en aluminium. Cela facilite la construction rapide en plus de permettre une meilleure réponse au trafic actuel et de fournir une durée de vie prolongée. Cette avenue a été adoptée dans quelques cas réels en Amérique du Nord et témoigne de la vitesse et de l’efficacité de remplacement d’un tablier de pont existant par un en aluminium. Ce tablier en aluminium est assemblé en usine en soudant des profilés extrudés par friction malaxage (ou au MIG). Le soudage par friction malaxage (FSW) est un procédé d’assemblage à l’état solide parfaitement adapté pour les alliages d’aluminium. Cette singularité, en plus de la production automatisée du procédé, donne de meilleures propriétés mécaniques comparées au soudage par fusion. Les industries de l’automobile, de l’aéronautique et plus récemment du génie civil utilisent cette technologie. Malgré tout, le comportement dynamique et en fatigue est peu réglementé dans les normes et règles de conception, notamment dans le Code canadien sur le calcul des ponts routiers (CSA S6), pour des applications structurales du FSW. Actuellement, les normes de conception existantes pour le soudage à l’arc sont utilisées, ce qui n’avantage pas le soudage FSW. Pour surmonter cette situation, l’objectif principal de ce travail est de développer des bases de conception pour le contrôle qualité et pour le dimensionnement en fatigue des joints FSW dans les tabliers de pont en aluminium. Une caractérisation en fatigue de soudures bout à bout en alliage 6061-T6 a été menée sous des essais de chargement à amplitude constante et à amplitude variable. Les résultats obtenus montrent qu’un joint FSW optimisé donne des résultats en fatigue bien supérieurs aux courbes de conception existantes de l’ADM. Aussi, un défaut de type décalage axial des pièces inférieur à 1,0 mm réduit quelque peu la vie en fatigue. Finalement, un défaut de type trou de ver (vide interne) d’une taille inférieure à 0,9 mm a un effet négatif sur la vie en fatigue, sans toutefois être dramatique. Les critères de fatigue et les tolérances de défauts de soudage proposés dans cette étude permettront de contribuer à promouvoir l’utilisation de l’aluminium dans l’industrie du génie civil. Le procédé d’assemblage FSW n’est toutefois pas à l’abri des défauts de soudage. En effet, des paramètres de soudage non optimisés risquent de générer par exemple un vide interne, un manque de pénétration ou une bavure excessive et des stries de surface. Ces stries peuvent aussi être influencées par la rigidité de l’équipement de soudage. L’objectif secondaire est donc d’étudier l’effet de la rigidité d'un équipement de soudage sur la qualité des soudures pour ainsi évaluer leur impact et minimiser les défauts. Deux types d’alliages ont été utilisés dans le cadre de ce travail, soit l’alliage 6061-T6 et l’alliage 1375-50. Pour chacun d’eux, des échantillons de 6,35 mm d’épaisseur ont été soudés bout à bout avec trois types d’équipements à rigidité et à coût d’acquisition différents : un portique rigide, une fraiseuse universelle et un robot polyarticulé. Des comparaisons ont été faites entre les trois équipements sur les propriétés en traction du joint soudé, le fini de surface, la géométrie des stries ainsi que la répétabilité de soudage par un équipement et la constance de la soudure. Il a été conclu qu’un travail d’optimisation des paramètres adapté à l’équipement permettrait d’obtenir des soudures sans défauts. Un équipement non spécialisé tel qu’une fraiseuse demande un travail d’optimisation plus rigoureux, mais peut donner des soudures de qualité comparable aux autres équipements. Selon les besoins et le budget, une PME pourrait implanter cette technologie avec un investissement relativement faible en adaptant une fraiseuse au soudage FSW. \n \nIn rehabilitation of existing bridge structure, or even in new construction, aluminum is underemployed because of a lack of knowledge and experience, as well as a lack of appropriate design tools. Designers hardly think of using aluminum as a structural material in rehabilitation or retrofit of an existing vehicular bridge. Yet, high strength/density ratio of aluminum, its durability and its recyclability make this material attractive compared to more traditional material such as steel and concrete. Furthermore, creating pieces of variable shape is possible with aluminum because of its extrudability capacity. This offers flexibility for the designers to optimize the structural components, and then reduce excessive deformation and vibration during service life of a vehicular bridge. Most of the time, bridge deck is the structural element most affected by de-icing salt, passage of vehicles and temperature variations. A durable and innovative solution for vehicular bridge rehabilitation is to use an aluminum bridge deck. Construction is quick and the bridge capacity of responding actual traffic load is better, which increases the structure service life. Some cases in North America testify of the speed and effectiveness of retrofitting an old existing bridge deck by a new one in aluminum. This aluminum deck is made by joining extruded profiles using friction stir welding process and is factory-built. Friction stir welding (FSW) is a solid-state joining process perfectly adapted for aluminum alloys. This character, among with process automatization, gives an excellent quality joint, even better than conventional fusion welding processes. Automotive industry aviation and, more recently, civil engineering have adopted this technology. However, dynamic and fatigue behaviour is barely regulated in design codes and standards, Aluminum design manual (ADM) for instance, in structural applications of FSW joints. To overcome this situation, the principal aim of this project is to develop performance-based criteria for quality control and fatigue design of FSW joints in aluminum bridge decks. Fatigue tests under constant and variable amplitude loading have been performed on 6061-T6 FSW butt joint. Results show that optimized FSW joints fatigue life is above existing design curves in the ADM. Also, axial misalignment under 1,0 mm between the two welded pieces slightly decreases fatigue life. Finally, subsurface defect known as wormhole decreases fatigue life, but is not dramatic when its size is under 0,9 mm. Fatigue criteria and welding defect tolerances proposed in this study will contribute promoting the use of aluminum in the civil engineering projects. FSW is, however, as discussed before, not a defect proof joining process. In fact, non-optimized welding parameters could create subsurface defects such as wormhole and lack of penetration as well as surface defects such as excessive flash and striations. Those surface striations can also be influenced by the welding equipment rigidity. The second aim of this project is then to study the effect of a welding equipment rigidity on the quality of a weld, which will evaluate its impact and then minimize welding defects. In this work, two aluminum alloys have been used, which are 6061-T6 and 1375-50. For every one of them, 6,35 mm thick plates have been welded in a butt joint configuration with three types of equipment: a stiff gantry, a universal milling machine and a polyarticulated robot. Those equipment have different rigidity and purchase value. FSW joints made by these three equipment have been compared on tensile properties, surface finish, surface striation geometry, repeatability of welding equipment and weld constancy. Optimization work of the welding parameters is obviously important when it comes to create defect-free joints. A non-specialized equipment such as a universal milling machine requires stricter optimization work, but can generate comparable quality joints to the other equipment. According to a company’s requirements and budget, a small industrial could implement FSW technology without overinvestment by simply adapting a milling machine to friction stir welding.

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