Alliages d'aluminium traitables thermiquement vs non traitables thermiquement

Introduction

Les alliages d'aluminium sont souvent regroupés en deux grandes familles :

Alliages non traitables thermiquement, qui acquièrent leur résistance principalement par mise en solution solide et écrouissage, et alliages traitables thermiquement, qui acquièrent leur résistance grâce au durcissement par précipitation (traitement de mise en solution, trempe et vieillissement).

Du point de vue du soudage, il ne s'agit pas d'une distinction théorique. Cela influe directement sur la perte de résistance dans la zone affectée thermiquement, sur la possibilité de récupérer les propriétés d'origine, sur la conception des joints et sur le choix des métaux d'apport appropriés. Pour plus d'informations, consultez notre Guide pour choisir le métal d'apport approprié pour l'aluminium. 

Cet article examine d'abord, en se concentrant d'abord sur le soudage, les deux familles et leur comportement lors du soudage MIG/TIG de l'aluminium.

Aperçu des séries d'alliages d'aluminium

Le premier chiffre de la désignation d'alliage à quatre chiffres indique l'élément d'alliage principal et donne un indice immédiat sur son comportement.

Que signifie réellement « traitable thermiquement » ?

Dans le cas de l'aluminium, le terme « traitable thermiquement » désigne spécifiquement les alliages qui peuvent être renforcés par durcissement par précipitation.

Les alliages traitables thermiquement, tels que la plupart des 2xxx, 6xxx et 7xxx, sont traités thermiquement en solution afin que leurs éléments d'alliage entrent en solution solide, puis trempés et vieillis afin que de fins précipités se forment. Ces précipités bloquent les dislocations et augmentent la résistance. Lors du soudage de ces alliages, le cycle thermique local dans la zone affectée thermiquement (ZAT) modifie la structure des précipités, ce qui a souvent pour effet d'adoucir le matériau et de réduire son degré de trempe.

Les alliages non traitables thermiquement (1xxx, 3xxx, 4xxx à l'état forgé, 5xxx) reposent sur la solution solide et le durcissement par déformation. Le laminage, le formage et autres opérations de travail à froid augmentent la résistance ; le chauffage lors du soudage tend à relâcher cet écrouissage et à ramener la ZAT à un état recuit.

Dans les deux cas, la ZAT finit par être plus molle que l'état de trempe initial à haute résistance. La grande différence réside dans le fait que les alliages traitables thermiquement peuvent en principe retrouver leur résistance grâce à un traitement de mise en solution et au vieillissement, tandis que les alliages non traitables thermiquement nécessiteraient davantage d'écrouissage, ce qui est rarement pratique dans une structure finie.

Alliages non traitables par traitement thermique

Les alliages non traitables thermiquement sont principalement les séries 1xxx, 3xxx, 4xxx (à l'état brut) et 5xxx.

1xxx – Aluminium commercialement pur

Ces qualités sont proches de l'aluminium pur. Ils présentent une excellente résistance à la corrosion, une bonne ductilité et une bonne conductivité, mais une faible résistance mécanique. Le soudage est simple ; le ramollissement de la ZAT est faible car le matériau est déjà mou. Ce ne sont pas des choix structurels typiques où la résistance des joints est essentielle.

3xxx – Aluminium-Manganèse

Les alliages 3xxx acquièrent une résistance modeste grâce à la solution solide et, dans de nombreux produits, grâce à un certain écrouissage. Elles sont utilisées dans les tôles, les échangeurs de chaleur et les composants formés en général. La soudabilité est généralement bonne ; lors du soudage d'un matériau à l'état H, la ZAT perd un peu de son écrouissage, mais cela est souvent acceptable.

4xxx – Aluminium-silicium (à l'état brut)

En tant qu'alliages corroyés, les 4xxx ne sont pas traitables thermiquement, mais en soudage, ils sont principalement rencontrés comme métaux d'apport tels que 4043 et 4047. Une teneur élevée en silicium confère un point de fusion plus bas et une excellente fluidité, ce qui facilite l'écoulement dans le joint, le mouillage et la résistance à la fissuration. La résistance du métal fondu est généralement inférieure à celle des métaux d'apport 5xxx à haute résistance, mais la soudure est souvent plus tolérante.

5xxx – Aluminium–Magnésium

Les alliages 5xxx sont les chevaux de bataille de l'aluminium de structure non traitable par traitement thermique, notamment dans les secteurs maritime, des transports et de la fabrication lourde. Le magnésium en solution solide, combiné à un écrouissage à froid à l'état H, confère une résistance élevée et une très bonne résistance à la corrosion.

Pour le soudage, les alliages 5xxx sont généralement très faciles à souder : Les procédés MIG et TIG fonctionnent tous deux bien. Les principaux points à surveiller sont que la ZAT sera plus molle que le métal de base écroui, la conception des assemblages doit donc prendre en compte les propriétés de la ZAT, et que les alliages à haute teneur en Mg à des températures de service élevées peuvent être sensibles à la sensibilisation et à la fissuration par corrosion sous contrainte s'ils ne sont pas manipulés correctement.

En savoir plus sur la prévention du groupe de soufflures et des fissures dans l'aluminium . 

Alliages traitables thermiquement

Les alliages traitables thermiquement sont principalement des alliages corroyés des séries 2xxx, 6xxx et 7xxx.

2xxx – Aluminium-Cuivre

Les alliages 2xxx peuvent atteindre des résistances élevées et sont largement utilisés dans l'aérospatiale lorsque le poids et les performances sont essentiels. Leur teneur en cuivre réduit leur résistance à la corrosion et les rend plus sujets à la fissuration à chaud lors du soudage. Le soudage par fusion est possible dans certains cas, mais il est généralement pratiqué avec prudence, et une baisse de résistance dans la zone soudée est à prévoir à moins qu'un traitement thermique complet après soudage ne soit appliqué.

6xxx – Aluminium–Magnésium–Silicium

Les alliages 6xxx tels que 6061 et 6082 sont extrêmement courants dans les profilés structuraux, les cadres, les carrosseries de véhicules et la fabrication générale. La résistance provient des précipités de Mg₂Si après traitement en solution et vieillissement.

Pour le soudage, les alliages 6xxx sont généralement considérés comme soudables. Le point clé est l'adoucissement de la ZAT : Dans un état T6, la ZAT peut perdre considérablement de sa résistance, et cette zone ramollie détermine presque toujours la contrainte admissible de l'assemblage. Dans certaines structures de petite taille, un traitement thermique après soudage peut permettre de restaurer une grande partie de la trempe d'origine, mais dans les grandes fabrications, cela est souvent impraticable.

7xxx – Aluminium–Zinc–Magnésium (± Cuivre)

Les alliages 7xxx couvrent la partie très haute résistance du spectre. De nombreuses nuances classiques de la série 7xxx utilisées dans l'aérospatiale sont difficiles, voire imprudentes, à souder par des procédés de fusion conventionnels car elles sont sensibles aux fissures et perdent en résistance et en résistance à la corrosion dans la zone soudée.

Il existe des variantes 7xxx soudables spécialisées avec une chimie modifiée, mais elles nécessitent des procédures minutieuses et des attentes réalistes quant à la résistance après soudage. Dans de nombreux cas, les concepteurs choisissent la fixation mécanique ou des procédés à l'état solide tels que le soudage par friction thixotropique au lieu du MIG/TIG conventionnel lors de l'assemblage de la série 7xxx.

Comportement de soudage dans la ZAT

Du point de vue de la construction, c'est dans la zone affectée par la chaleur que tout se joue.

Dans les alliages non traitables thermiquement, le soudage local élimine l'écrouissage et peut légèrement modifier l'état de solution solide. Il en résulte une bande ramollie de part et d'autre de la soudure. Dans les états de trempe H 5xxx, par exemple, la Résistance de rupture de la ZAT est nettement inférieure à celle du matériau de base laminé. Les calculs relatifs aux joints doivent donc être basés sur les propriétés de la ZAT, et non sur la résistance indiquée dans le catalogue de l'état H d'origine.

Dans les alliages traitables thermiquement, le soudage perturbe la structure durcie par précipitation. En fonction de la température et du temps, la ZAT peut vieillir excessivement ou même se re-solutionner localement, puis refroidir à l'air pour atteindre un état beaucoup plus mou. Dans les alliages 6xxx T6, cela peut faire baisser la ZAT vers une résistance de type T4 ou O. Sans traitement thermique et vieillissement complets après soudage, la ZAT reste le maillon faible.

Pour les alliages à haute résistance 2xxx et 7xxx, la combinaison du ramollissement, des fissures possibles et de la sensibilité à la corrosion signifie que le soudage ne peut être justifié que lorsque les contraintes admissibles sont réduites et que l'environnement de service est bien compris.

Considérations relatives au métal d'apport

Le choix du métal d'apport est le point de rencontre entre la théorie métallurgique et les compromis du monde réel. La catégorie de l'alliage de base (traitable thermiquement ou non traitable thermiquement) est l'une des entrées clés.

Pour les alliages de base 5xxx, le soudage utilise couramment des métaux d'apport 5xxx tels que 5356, 5183 ou 5556. Ceux-ci maintiennent un bon comportement à la corrosion et une résistance raisonnable, notamment dans les travaux maritimes et de structure. La teneur en magnésium du métal d'apport et la température de service doivent être vérifiées afin d'éviter les risques de sensibilisation.

Pour les alliages de base 6xxx, les apports 4xxx ou 5xxx sont typiques. 4043 (Al–Si) offre une excellente fluidité et une sensibilité aux fissures plus faible, avec une résistance du métal de soudure légèrement inférieure. 5356 (Al–Mg) peut fournir une résistance à l'état soudé plus élevée et une meilleure correspondance de couleur ou d'anodisation dans certains cas, mais peut avoir un comportement différent en matière de fissuration et de corrosion. Le choix reflète généralement ce qui compte le plus : Résistance à la fissuration et fluidité, ou résistance et aspect.

Les alliages de base 1xxx et 3xxx sont généralement tolérants et peuvent être assemblés avec des alliages d'apport de séries correspondantes, 4xxx ou 5xxx en fonction de la corrosion, de la résistance et des conditions de service.

Les alliages de base 2xxx et 7xxx nécessitent beaucoup plus d'entretien. Les soudures utilisent souvent des métaux d'apport 4xxx ou 5xxx choisis pour leur résistance à la fissuration et leur comportement acceptable à la corrosion plutôt que pour correspondre à la résistance du métal de base. Dans de nombreuses applications, la zone soudée est délibérément déclassée, voire le soudage est évité.

Pour les joints mixtes (par exemple, 5xxx à 6xxx), le choix du matériau de remplissage est souvent basé sur le côté le plus exigeant de la combinaison, généralement la performance en matière de corrosion et la résistance aux fissures, appuyé par un tableau de sélection de matériau de remplissage ou un guide technique formel.

Aperçu pratique de la sélection

Il s'agit davantage d'une carte mentale rapide que d'une procédure, mais elle permet de cadrer comment la capacité de traitement thermique influence les choix :

Points clés à retenir

La distinction entre matériaux traitables thermiquement et non traitables thermiquement n'est pas qu'une simple étiquette utilisée par les métallurgistes. Il s'agit d'un indicateur rapide de la façon dont la ZAT va se ramollir pendant le soudage, de la possibilité de récupérer la résistance par un traitement thermique après soudage, du niveau de prudence à adopter concernant les contraintes d'assemblage et des familles de métaux d'apport candidates.

Pour les alliages 5xxx non traitables thermiquement, attendez-vous à une excellente soudabilité, mais acceptez que la résistance de la ZAT sera inférieure à celle de l'état H d'origine. Pour les alliages 6xxx, attendez-vous à des structures soudables avec la ZAT comme zone de contrôle, et planifiez votre construction en fonction de cela. Pour les alliages plus exotiques 2xxx et 7xxx, le soudage s'accompagne souvent de compromis importants ou est évité au profit de méthodes d'assemblage alternatives.

Les stratégies de soudage de l'aluminium les plus robustes considèrent la famille d'alliages, le métal d'apport, le processus (MIG/TIG/impulsion) et l'apport de chaleur comme un seul système connecté, plutôt que comme quatre boutons indépendants à tourner.

FAQ

Existe-t-il un moyen rapide de déterminer si un alliage est traitable thermiquement ?

Oui. En règle générale : Les alliages corroyés 2xxx, 6xxx et la plupart des alliages 7xxx sont traitables par traitement thermique. Les séries 1xxx, 3xxx, 4xxx (à l'état corroyé) et 5xxx ne sont pas traitables thermiquement. La désignation du revenu (T vs H) indique également si c'est le durcissement par précipitation ou l'écrouissage qui confère la résistance.

Pourquoi les joints soudés en aluminium 6061-T6 sont-ils beaucoup plus faibles que le métal de base ?

Parce que la trempe T6 dans la ZAT a été perturbée par le cycle thermique de soudage. La zone affectée thermiquement ramollie se comporte davantage comme un état T4 ou O, et cette région contrôle la résistance de l'assemblage.

Les alliages non traitables thermiquement sont-ils toujours plus faciles à souder ?

Pas toujours, mais de nombreux alliages 5xxx et 3xxx sont très tolérants. Ils restent ramollis dans la ZAT, et dans les nuances 5xxx à haute teneur en magnésium, il faut respecter les limites de température de service pour éviter la sensibilisation.

Puis-je compter sur le traitement thermique après soudage pour tout corriger dans le cas des alliages traitables thermiquement ?

Uniquement si la structure entière peut être traitée thermiquement en solution, trempée et vieillie dans des conditions contrôlées. Pour les grandes structures ou les structures assemblées, cela s'avère souvent impraticable, c'est pourquoi les résistances de construction dans les zones soudées sont intentionnellement plus faibles.

Comment choisir le métal d'apport lorsque je ne suis pas sûr(e) ?

Démarrage avec un guide technique fiable sur l'aluminium ou un tableau de sélection de métal d'apport, et classez vos priorités : La qualité de la soudure et la résistance aux fissures d'abord, puis le comportement à la corrosion, puis la résistance et l'aspect. En cas de doute, discutez de la combinaison exacte d'alliages et des conditions de service avec votre fournisseur de métal d'apport ou votre ingénieur soudeur avant de valider un WPS.

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