Development of friction stir welding techniques for multi-axis machines

Le soudage par friction et malaxage (SFM) est un procédé d’assemblage innovant à l’état solide qui a été inventé en 1993 et qui présente des avantages significatifs par rapport aux techniques de soudage par fusion. En raison des grandes forces appliquées sur l’outil et la nécessité de maintenir un angle constant sur tout le chemin de soudage (angle d’inclinaison), ce processus est normalement effectué sur des machines coûteuses conçues spécifiquement à cette fin. La présente thèse est une tentative de faciliter l’application de soudage par friction malaxage sur les centres d’usinage CNC très communément rencontré en industrie. Une variante peu connue et peu développée de ce processus, à savoir le soudage par friction et malaxage à angle droit dans lequel l’axe d’outil est toujours perpendiculaire à la surface de la pièce a été étudié de près dans cette thèse. Des outils spéciaux pour le soudage par friction et malaxage qui sont appropriées pour cette nouvelle orientation ont été développés et les paramètres de fonctionnement de ces outils ont été mis en place. En outre, des techniques ont été investiguées pour réduire la force axiale par optimisation de la conception de l’outil et des paramètres de soudage. De plus, l’une des principales difficultés qui pourraient survenir durant les applications industrielles du soudage par friction et malaxage est l’alignement horizontal et vertical des pièces pour le soudage de joints aboutés. Une méthodologie est aussi proposée pour effectuer le soudage par friction et malaxage sur des contours 3D. La Méthode Taguchi a été utilisée pour la conception d’expériences et des modèles de réseaux neuronaux artificiels ont été formés pour l’analyse des résultats des expériences et pour l’optimisation. Il a été démontré que le soudage par friction et malaxage à angle droit a la capacité de faire des soudures saines avec limites ultimes acceptables en utilisant des valeurs plus basses de force axiale d’environ 50% par rapport au soudage par friction et malaxage typique. En outre, les plages utilisables des paramètres de conception de l’outil et des paramètres de fonctionnement ont été trouvées. Elles conduisent à la réduction de la force axiale du soudage par friction et malaxage à angle droit. Les erreurs de placement de pièces dans des joints aboutés ont aussi été investiguées conduisant à une définition des plages acceptables d’erreur avec la méthode de soudage à angle droit. Les techniques développées ont aussi été validées dans la mise en œuvre du soudage par friction et malaxage pour les joints 2D et 3D. De plus, la méthodologie proposée pour le soudage sur contours 3D a été validée avec succès en soudage sur une pièce particulière en utilisant une machine CNC à 5 axes dans les deux configurations de joints aboutés et superposés.Friction stir welding (FSW) is an innovative solid state joining method invented at the end of twentieth century and having significant advantages over fusion welding techniques. Due to the high amount of forces applied on the FSW tool and the need to keep a constant angle all over the welding path (tilt angle), this process in normally performed on costly machines designed specifically for it. The present thesis is an attempt to facilitate the implementation of friction stir welding on common CNC machining centers. A less considered variant of this process, namely right angle FSW in which the tool axis is always perpendicular to the surface of workpiece has been closely studied and investigated. Special FSW tools which are appropriate for this new orientation have been developed and operating parameters for these tools have been established. In addition, techniques were developed to reduce the axial force through optimization of tool design and welding parameters. Moreover, one of the major difficulties which could be encountered during industrial applications of FSW, joint fit-up issues have been explored and attempts were made to manage these issues. A methodology has been proposed for FSW over 3D contours. Taguchi method has been used for design of experiments and artificial neural network models have been trained for analysis of results of experiments and optimization. It has been shown that the right angle FSW have the capacity of making sound welds with acceptable UTS employing lower values of axial force in comparison to typical FSW. Furthermore, workable ranges of tool design and welding parameters were found that leads to reduction of axial force within right angle FSW. To tolerate for joint fit-up issues, regions of operating parameters were established that could manage typical values of gap and mismatch. The developed techniques have also been validated and implemented for joining on 2D and 3D paths. In addition, the 3D methodology has been successfully validated in welding a complex part using a 5 axis CNC machine in both butt and lap configurations