Pourquoi le cuivre T2 et le laiton H62 sont difficiles à souder par fusion
La combinaison du cuivre T2 et du laiton H62 permet à un seul composant d'exploiter à la fois le comportement électrique et thermique du cuivre de haute-pureté, ainsi que la résistance supérieure et la meilleure usinabilité d'un laiton biphasé-. L'obstacle est métallurgique. Le cuivre T2 fond aux alentours de 1 085 degrés, le laiton H62 se solidifie à près de 900 degrés et le cuivre évacue la chaleur du joint beaucoup plus rapidement que le laiton. Lors du soudage à l'arc, au laser ou par faisceau d'électrons, le côté riche en zinc- atteint sa plage d'ébullition avant que le côté cuivre n'ait complètement fondu, de sorte que le zinc est perdu, des fumées sont générées et le joint souffre de porosité, de films intermétalliques grossiers et de fissures à chaud. La dilution peut à peine être contrôlée à l'intérieur du chevauchement étroit entre les deux plages de fusion, c'est pourquoi une voie à l'état solide - est préférée pour les fines plaques de cuivre et de laiton.
Le soudage par friction-malaxage (FSW) est un processus en phase solide- : un outil rotatif frotte contre la pièce, la friction et le travail plastique génèrent de la chaleur, et le métal ramolli est agité et forgé derrière l'outil sans jamais atteindre le point de fusion. L'alliage est plastifié par l'action combinée de l'épaulement et du pion, extrudé autour du pion et consolidé au bord de fuite. Pour les alliages de cuivre, l'outil doit être dimensionné de manière à ce que la goupille soit 0,2 à 0,3 mm plus courte que l'épaisseur de la plaque, de sorte que toute la section soit forgée plutôt que percée, et l'axe de l'outil soit incliné d'environ 2 degrés par rapport à la verticale pour maintenir la pression de forgeage derrière l'épaule.
Configuration expérimentale-Paramètres de processus et configuration
L'étude de processus a soudé du cuivre T2 de 2 mm et 4 mm d'épaisseur à une plaque de laiton H62 sur une machine de soudage par friction malaxage dédiée. Étant donné que le laiton fond à une température plus basse et conduit la chaleur moins facilement que le cuivre, la plaque de laiton a été placée du côté avance et la plaque de cuivre du côté retour, ce qui équilibre la température sur la ligne de soudure et réduit la surchauffe du laiton. La vitesse de rotation et la vitesse de soudage ont varié selon les fenêtres répertoriées ci-dessous, et la pression des épaules a été utilisée comme deuxième contrôle de la chaleur sur la plaque la plus fine.
| Paramètre | Gamme utilisée | Effet |
|---|---|---|
| Épaisseur de la plaque | 2 mm et 4 mm | La plaque mince est dominée par la chaleur générée par l'épaule- |
| Angle d'inclinaison de l'outil | environ 2 degrés | Maintient la pression derrière l'épaule |
| Longueur de la broche | 0,2 à 0,3 mm plus court que l'épaisseur de la plaque | Forgeage en section complète-sans perçage |
| Vitesse de rotation | 450-700 tr/min | Une vitesse plus élevée augmente l’apport de chaleur par unité de longueur |
| Vitesse de soudage | 55 mm/min et 80 mm/min | La fenêtre de sélection se rétrécit à mesure que la vitesse de rotation augmente |
| Situation matérielle | Laiton côté avance, cuivre côté retour | Compense l’inadéquation du point de fusion et de la conductivité |
| Agent d'attaque pour la métallographie | 10 g de FeCl3, 6 ml de HCl, 40 ml de H2O, 60 ml de C2H5OH | Côté cuivre gravé en premier, côté laiton ensuite |
Formation de surface de soudure et sensibilité des paramètres
Sur une plaque de 2 mm, la vitesse de rotation domine la qualité de la surface. À 700 tr/min, l'apport de chaleur par unité de longueur de soudure augmente fortement, le comportement d'écoulement du métal plastifié se détériore et les anneaux superficiels deviennent visiblement inégaux ; la plage de vitesses de soudage qui produit toujours un cordon sonore se contracte en même temps. Parce que la plaque est mince, la majeure partie de la chaleur provient du frottement de l’épaule plutôt que de la broche, la pression de l’épaule devient donc un deuxième contrôle tout aussi important. Maintenir la vitesse de rotation constante et augmenter la pression sur les épaules augmente l'apport de chaleur et rend à nouveau le motif de surface plus grossier, tandis qu'à pression constante, un changement de vitesse de soudage modifie l'équilibre entre la génération et l'évacuation de la chaleur.
La conséquence pratique est une fenêtre de processus plutôt qu'une recette unique : une vitesse de rotation comprise entre 450 et 600 tr/min avec une vitesse de soudage modérée produit une surface formée en continu et sans défauts-sur les deux épaisseurs de plaque.
Phases de microstructure et d'interface des nuggets de soudure
Le mélange des deux alliages est concentré dans la pépite de soudure, où les deux matériaux s'écoulent l'un vers l'autre et un motif de rondelles d'oignon-se forme. Le composant dominant de la pépite est le laiton avec du cuivre dispersé à travers lui, et par endroits, les deux apparaissent comme de grandes saillies en blocs verrouillées ensemble. Le laiton du côté qui avance est enfoncé dans le diamètre de l'épaulement et autour de la broche, de sorte que le métal plastifié du côté qui avance est posé sur le côté qui revient, tandis que le cuivre du côté qui revient traverse le centre de la pépite et monte vers le côté qui avance ; le métal proche de l'épaulement peut même atteindre la zone affectée thermo-mécaniquement du côté qui avance. Dans les joints de 2 mm, les deux matériaux se lient le long d'un plan incliné et le cuivre qui entre dans la pépite est complètement dispersé dans le laiton.
La structure des grains diffère d'une zone à l'autre. Les grains de cuivre adjacents au laiton grossissent sensiblement, car la chaleur arrivant du côté cuivre s'accumule dans la pépite et le cuivre proche du laiton subit un long séjour à température élevée. Du côté du laiton, l'excès de chaleur produit des grains grossiers équiaxes, tandis que les grains de laiton à l'intérieur de la pépite restent fins et uniformément répartis. La zone affectée thermo-mécaniquement sur le côté avancé en laiton est délimitée par deux lignes de démarcation claires, à peu près symétriques par rapport à la pépite. Entre les deux alliages, une couche de transition de 1 à 10 µm de large est présente ; La diffraction des rayons X-l'identifie comme étant l'intermétallique Cu5Zn8.
Microdureté et propriétés de traction du joint
Mesurée sur la section allant du cuivre au laiton, la trace de dureté suit les métaux de base : le métal-mère en cuivre est en moyenne de 95 HV et le métal-mère en laiton de 160 HV, de sorte que la microdureté grimpe fortement à travers la zone de transition. Chaque joint se ramollit par rapport à son propre métal de base, et le côté laiton se ramollit plus que le côté cuivre : le laiton perd 40 à 60 HV tandis que le cuivre ne perd que 10 à 20 HV, une différence qui découle directement du point de fusion plus bas du laiton et de sa plus grande susceptibilité au vieillissement excessif à haute température. Un joint soudé à 450 tr/min et 80 mm/min est plus dur qu'un joint réalisé avec une vitesse de rotation plus élevée combinée à une vitesse de soudage plus élevée, la différence étant la plus évidente du côté du laiton.
Les résultats de traction suivent la même logique. L'allongement et la résistance à la traction atteignent tous deux leur maximum à 600 tr/min avec une vitesse de soudage de 55 mm/min, et la résistance à la traction moyenne du joint se situe entre celle du laiton et celle du cuivre. La fracture se produit du côté du cuivre. L'augmentation de la vitesse de rotation à 700 tr/min élargit l'apport de chaleur et réduit la plage de vitesses de soudage utilisable, de sorte qu'une vitesse de soudage mal choisie entraîne une perte marquée de ductilité et de résistance à la traction ; la qualité du joint devient alors difficile à contrôler. Maintenir une vitesse de rotation comprise entre 450 et 600 tr/min avec une vitesse de soudage adaptée permet d'obtenir des joints offrant une combinaison idéale d'allongement et de résistance.
Foire aux questions
Q : Le cuivre T2 et le laiton H62 peuvent-ils être assemblés sans faire fondre l’un ou l’autre alliage ?
Oui. Le soudage par friction malaxage est un processus à l'état solide, de sorte que le joint se forme en dessous du point de fusion des deux alliages et que la perte de zinc, la porosité et la fissuration à chaud typiques du soudage par fusion sont évitées.
Q : De quel côté doit-on placer la plaque en laiton ?
Le laiton va du côté qui avance et le cuivre du côté qui revient. Cela compense le point de fusion plus bas et la conductivité thermique plus faible du laiton et équilibre la température sur toute la ligne de soudure.
Q : Quelles vitesses de rotation et de soudage donnent le meilleur joint ?
Des vitesses de rotation comprises entre 450 et 600 tr/min avec une vitesse de soudage adaptée sont recommandées ; 600 tr/min combinés à 55 mm/min ont produit l'allongement et la résistance à la traction les plus élevés lors des essais.
Q : Pourquoi le côté laiton se ramollit-il plus que le côté cuivre ?
Le laiton fond à une température plus basse que le cuivre et se ramollit plus facilement à température élevée, de sorte que le côté laiton perd 40 à 60 HV tandis que le côté cuivre ne perd que 10 à 20 HV.
Q : Quelle phase se forme à l’interface du cuivre et du laiton ?
La diffraction des rayons X-identifie une couche de transition de Cu5Zn8 entre les deux alliages. La couche n’a qu’une largeur de 1 à 10 µm et c’est la raison pour laquelle la dureté augmente fortement à travers la jonction.
Q : De quel côté une éprouvette de traction échoue-t-elle ?
La rupture se produit du côté du cuivre et la résistance à la traction moyenne du joint se situe entre la résistance à la traction du laiton et celle du métal de base en cuivre.
