Etat de l’art des procédés d’assemblage acieraluminium et présentation des configurations process associées

A travers ce chapitre, un état de l’art de l’assemblage de l’acier et de l’aluminium est effectué. Tout d’abord, la complexité de réalisation de l’assemblage due à l’incompatibilité métallurgique des deux matériaux est présentée. Dans un second temps, les techniques d’assemblages étudiées dans la littérature ainsi que les performances mécaniques atteintes sont résumées. Celles-ci sont suivies d’une présentation des procédés physiques en jeu ainsi que des critères macroscopiques et microscopiques de la conformité. Finalement, les connaissances présentes sur l’étude du cycle thermique à l’interface acier/aluminium par mesures physiques et numériques sont présentées. L’assemblage de l’acier et de l’aluminium par procédé thermique a été largement étudié par l’intermédiaire de nombreux process et technologies d’assemblage. Le soudage et le soudo- brasage laser, CMT ou MIG en sont quelques exemples. Toutes ces études se sont néanmoins confrontées à deux grandes difficultés qui sont les conséquences de l’incompatibilité métallurgique de l’acier et de l’aluminium. Les températures de fusion de ces matériaux sont très différentes, 1500°C pour l’acier et 650°C pour l’aluminium ainsi que la formation de composés intermétalliques fragiles à l’interface acier/aluminium. La forte différence de température de fusion rend les procédés classiques d’assemblage, impliquant une fusion des deux matériaux comme le soudage, complexes. Le procédé de soudo-brasage acier/aluminium permet de contourner cette difficulté en autorisant un assemblage des deux métaux sans passage à l’état liquide de l’acier. Il ne permet cependant pas de se dédouaner de la formation de composés intermétalliques à l’interface acier (solide) / aluminium (liquide). Ceux-ci pouvant notamment fortement dégrader les propriétés mécaniques de l’assemblage.

Lors du process d’assemblage, la mise au contact des deux métaux provoque la formation d’une fine couche de composés intermétalliques Fed’aluminium. Cette couche croît pendant l’interaction générée par l’apport d’énergie issue de la source de chaleur et se fige lors de la phase de solidification. Les observations de la zone de réaction, post opération d’assemblage, mettent en perspective une morphologie des composés intermétalliques constitués d’une couche principale et d’aiguilles orientées vers le cordon. La couche de réaction pouvant présenter des fissures lorsque son épaisseur est élevée. La figure I.1 représente un cliché de la couche de composés intermétalliques. Le principal inconvénient de ces différentes phases intermétalliques sont leurs hautes duretés, fortement supérieures à celles de l’acier (200 HV) et de l’aluminium (90 HV). Celles-ci sont listées avec les autres propriétés des composés intermétalliques dans le tableau I.1 :

Ces très hautes duretés engendrent la dégradation mécanique par rupture fragile des assemblages lorsque les intermétalliques sont présents en trop grande quantité [14, 18 et 23]. Les fissures observées dans la couche de réaction sont notamment une manifestation de ce phénomène d’apparition et de propagation des ruptures. La littérature fixe la limite de 10 µm comme épaisseur de couche principale maximale à ne pas dépasser afin d’éviter ces ruptures fragiles dues aux intermétalliques [7, 9, 13, 19-20 et 31]. Cependant, bien que le diagramme de phase révèle l’existence de plusieurs composés Fe-Al, il a été observé que la couche principale et les aiguilles sont en réalité quasi-monophasées respectivement de FeLa cause de cette composition provient des premier et second principes de la thermodynamique. Selon ces deux principes, lors d’une transformation l’énergie est conservée et l’entropie S augmente. Cette entropie est inversement proportionnelle à l’enthalpie libre G° de la réaction. Il en découle qu’une réaction évolue dans le sens diminuant l’enthalpie libre de la réaction. L’enthalpie libre de chacun des composés intermétalliques met en avant les inégalités suivantes [15 et 21].L’apparition et la croissance de la couche de réaction sont basées sur un mécanisme de diffusion interatomique [14, 18 et 35]. Les atomes de fer quittant la structure de l’acier migrent et réagissent avec les atomes d’aluminium dans la recherche d’un équilibre chimique. La figure I.3 présente le processus en quatre étapes établi par Jia et al. en 2015 [35].