Fatigue des joints soudés par friction-malaxage dans les tabliers de ponts en aluminium d’alliage AA6061-T6

Au Canada, les ponts sont conçus pour une durée de vie de 75 ans. L’élément subissant le plus de dégradation et nécessitant le plus d’entretien est le tablier, car il est exposé aux éléments agressifs comme le passage des véhicules et camions, les intempéries, les sels de déglaçage et les variations de température. L’aluminium est un matériel très peu utilisé en ingénierie civile pour la réfection ou la construction des tabliers de pont en raison des connaissances peu développées, mais aussi à cause du manque d’expérience pratique dans ce domaine. Dans la plupart des projets de conception de ponts, l’aluminium n’est pas le matériau du premier choix à cause du coût de construction élevée par rapport à une dalle de béton, pourtant, il possède de nombreuses propriétés avantageuses autant structurales qu’environnementales comparativement aux matériaux conventionnels couramment utilisés tels l’acier et le béton. De plus, sa capacité à être extrudé selon diverses formes permet d’avoir des profilés plus optimisés selon l’usage voulu. Les structures réalisées en béton ou en acier nécessitent des coûts d’entretien importants et récurrents afin de pérenniser l’ouvrage. Un platelage en aluminium serait une alternative durable, économique, plus légère et écologique sur le long terme pour la réhabilitation ou la construction de nouveaux tabliers. En effet, cela permettra une réduction des coûts d’entretiens, une facilité de mise en place lors de la construction et ainsi qu’un gain de longévité. Il existe plusieurs méthodes d’assemblage efficaces pour l’aluminium tels les joints mécaniques, les adhésifs structuraux et le soudage. Le soudage par fusion est bien connu, mais le soudage par friction-malaxage (SFM) est mieux adapté pour l’assemblage de profilés épais sur de grandes longueurs. C’est un type de soudage qui permet d’assembler les pièces à l’état solide sans que ces dernières n’atteignent leur point de fusion. C’est un procédé mécanisé et automatisé qui permet d’obtenir de meilleures propriétés mécaniques que le procédé de soudage conventionnel par fusion. Il existe deux variantes de soudage par friction malaxage dont le soudage par friction malaxage standard et celui avec le pion à double épaulement. C’est une technologie beaucoup plus utilisée dans les domaines de l’aéronautique, de l’aérospatial et de l’automobile que dans le domaine du génie civil. En effet, les normes actuelles ne traitent pas des règles de conception ni du comportement en fatigue des joints assemblés par ce procédé. Il existe des normes et règlements sur l’aspect qualitatif des joints comme la norme ISO 25239 et la norme AWS D17.3. Les normes de conception existantes sont celles du soudage par fusion. Néanmoins, plusieurs études sur la fatigue portent sur le soudage par friction malaxage standard et démontrent de meilleurs résultats par rapport au soudage conventionnel par fusion. Pour le soudage par friction-malaxage avec le pion à double épaulement, il y a très peu d’études qui portent sur le comportement en fatigue des joints assemblés par cette méthode. De ce fait, l’objectif principal de cette étude est de démontrer que les joints soudés à l’aide du pion à double épaulement donnent des résultats en fatigue supérieurs à ceux du soudage conventionnel et de pouvoir établir une courbe de fatigue qui pourrait servir de lignes directrices pour la mise en oeuvre du SFM dans les codes de conception du génie civil. La méthodologie est basée sur les normes qualificatives en vigueur afin de valider et d’optimiser les paramètres de soudage qui permettront d’obtenir des soudures sans défaut. L’optimisation des paramètres est une étape importante, car elle permet d’éviter des défauts qui affectent le comportement en fatigue. De ce fait, plusieurs essais qualificatifs ont été réalisés, dont les analyses par ultrasons, des essais de pliage, des essais de traction, et des analyses métallographiques. Dans le cadre de ce travail, il été question de souder une longue extrusion avec des paramètres optimisés au préalable et d’extraire des échantillons pour l’évaluation des propriétés mécaniques. De ce fait, une extrusion de 3,3 m (10 pieds) d’alliage AA6061-T6 d’épaisseur 8 mm a été soudée avec des paramètres optimisés (850 rpm et 650 mm/min). Des gains de propriétés mécaniques en traction et en fatigue ont pu être obtenus. Les essais de fatigue ont été réalisés pour des amplitudes de contraintes comprises entre 100 MPa et 150MPa pour des cycles visés de 500 000 à 25 000 000 de cycles qui correspond approximativement à une durée de vie de 75 ans. \n \nIn Canada, bridges are designed to last 75 years. The element that suffers the most degradation and requires the most maintenance is the deck, as it is exposed to aggressive elements such as vehicle and truck traffic, weather, de-icing salts and temperature variations. Aluminum is a material that is rarely used in civil engineering for bridge deck refurbishment or construction, due to a lack of knowledge and practical experience in this field. In most bridge design projects, aluminum is not the material of first choice because of its high construction cost compared with a concrete slab, yet it has many advantageous properties, both structural and environmental, compared with conventional materials such as steel and concrete. What's more, its ability to be extruded into a variety of shapes means that profiles can be optimized to suit the intended use. Structures made of concrete or steel require significant and recurring maintenance costs to ensure the longevity of the structure. Aluminum decking would be a sustainable, economical, lighter and more environmentally friendly alternative for the long term, whether for refurbishment or new construction. This would reduce maintenance costs, make it easier to install during construction, and save time. There are several effective joining methods for aluminum, such as mechanical joints, structural adhesives and welding. Fusion welding is well known, but friction stir welding (FSW) is better suited to joining thick sections over long lengths. This type of welding enables parts to be joined in a solid state without reaching their melting point. It's a mechanized, automated process that delivers better mechanical properties than conventional fusion welding. Friction stir welding comes in two variants: standard friction stir welding and double-shouldered pin welding. This technology is much more widely used in the aerospace and automotive industries than in civil engineering. Indeed, current standards do not address the design rules or fatigue behaviour of joints assembled using this process. There are standards and regulations on the qualitative aspect of joints, such as ISO 25239 and AWS D17.3 The existing design standards are those for fusion welding. Nevertheless, several fatigue studies have been carried out on standard friction stir welding, demonstrating better results than conventional fusion welding. In the case of friction stir welding using the double-shouldered stud, very few studies have been carried out on the fatigue behaviour of joints assembled using this method. As a result, the main objective of this study is to demonstrate that joints welded using the double-shouldered stud give fatigue results superior to those of conventional welding, and to be able to establish a fatigue curve that could serve as a guideline for the implementation of FSW in civil engineering design codes. The methodology is based on current qualification standards, in order to validate and optimize the welding parameters required to obtain defect-free welds. Parameter optimization is an important step, as it helps avoid defects that affect fatigue behaviour. For this reason, several qualifying tests were carried out, including ultrasonic analysis, bending tests, tensile tests and metallographic analysis. This work involved welding a long extrusion with previously optimized parameters and extracting samples for mechanical property evaluation. A 3.3 m (10 ft) extrusion of 8 mm thick AA6061-T6 alloy was welded using optimized parameters (850 rpm and 650 mm/min). Improvements in both tensile and fatigue mechanical properties were achieved. Fatigue tests were carried out at stress amplitudes ranging from 100 MPa to 150MPa for target cycles of 500,000 to 25,000,000 cycles, corresponding to a service life of approximately 75 years.

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