Fatigue behaviour of FSW assemblies for aeronautical applications

La course à l'allègement des aéronefs constitue aujourd'hui l'un des enjeux principaux de l'industrie aéronautique. Le remplacement des rivets par des soudures FSW sur les voilures permettrait de gagner jusqu'à 20% de la masse totale de la voilure. Ce travail réalisé en collaboration avec Dassault-Aviation s'inscrit dans le cadre du projet ADSAM (Assemblage de Structures Aéronautiques Métalliques) visant à fabriquer un démonstrateur de caisson de voilure soudé par FSW. Cette étude traite du comportement mécanique en traction monotone quasi-statique et en fatigue oligocyclique (10⁴ à 10⁵ cycles) d'alliages d'aluminium (séries 2000 et 7000) soudés par FSW. L'objectif est d'étudier l'effet des hétérogénéités microstructurales induites par le soudage sur les hétérogénéités de comportement mécanique dans les joints soudés. La corrélation d'images numériques a été utilisée pour définir la réponse mécanique (σnominale – εvraie) dans chacune des zones constituant ces soudures. En complément, des essais sur des mini-éprouvettes prélevées dans l'épaisseur des joints ont permis d'établir le comportement local (σvraie – εvraie) dans chacune des zones du joint. Sous chargement de traction monotone, la rupture des soudures FSW a été observée dans la zone de localisation des déformations anélastiques située aux minima des profils de microdureté. En revanche, les fissures de fatigue ne démarrent pas nécessairement dans ces zones de localisation. Des analyses microscopiques des faciès de rupture ont permis d'identifier deux mécanismes principaux d'amorçage de fissure : (i) rupture ou (ii) décohésion de particules intermétalliques. D'autre part, les essais cycliques montrent une adaptation élastique des matériaux dans les différentes zones du joint (noyau, ZAT et ZATM) après stabilisation autour d'une déformation moyenne non nulle. En terme de durée de vie, les résultats d'essais sur éprouvettes entaillées traitées OAC (représentative de zones critiques sur structure) montrent que le soudage par FSW réduit jusqu'à 50% la tenue en fatigue de ces alliages. L'amorçage des fissures de fatigue est dû aux piqûres créées par le traitement d'OAC. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ouvrent des perspectives intéressantes pour modéliser le comportement mécanique des joints soudés par FSW afin d'estimer leur durée de vie en fatigue oligocyclique.Mass reduction of aeronautic structures is an important challenge for aeronautic industries. FSW is an efficient joining process to replace rivets : the mass reduction using this welding process could reach 20% for aircraft wings. This work carried out in collaboration with Dassault-Aviation was done in the framework of ADSAM project. The FSW process significantly modifies the microstructure and the local material properties, the overall mechanical response of the joint is largely governed by the response of the different zones of FSW joint. In the present study, the global and local mechanical responses under monotonic quasi-static tension and cyclic tension-tension (R=0.1) in low cycle fatigue regime (10⁴ to 10⁵ cycles) were carried out on FSW joints made of aluminum alloys (2000 and 7000 series). Full field strain measurements were carried out on FSW welded specimens using digital image correlation techniques assuming an iso-stress configuration (σlocal = σnominal ). Additionally tension tests parallel to the welding direction have been performed on micro specimens machined in each representative zone of FSW joints. These tests allow us to determine the local mechanical response (σlocal − εlocal) of the joint. Local mechanical properties were determined for each representative weld zone (nugget, TMAZ and HAZ). The full field anelastic strain localization scenario prior to fracture shows a good correlation with the microhardness profile along the FSW joints. Under monotonic loading, fracture was observed at the strain localization zones unlike under cyclic loading. In fatigue, the fracture zones are very dispersed for each weld configuration. SEM observations led to the identification of two crack initiation mechanisms:(i) fracture of intermetallic particles or (ii) decohesion between intermetallic particles and the matrix. Digital image correlation under cyclic loading shows an elastic shakedown of the studied materials in each zone of the joint around a non null mean strain. In terms of number of cycles to failure, fatigue test results on ACO treated notched specimens (representative of structure critical locations) show that the FSW process reduce up to 50% the faigue life of the base materials. The crack initiation was associated to ACO pits. The results of this study open interesting prospects for modelling the mechanical behavior of FSW joints and to assess their fatigue life