Depuis 15 ans, le Friction Stir Welding (FSW) a suscité un intérêt grandissant tant dans le secteur industriel que dans celui de la recherche. Le procédé résulte d'un apport de chaleur par frottement entre l'outil et la pièce et d'une forte déformation plastique dans le matériau. Actuellement, malgré un nombre d'étude important, l'optimisation du procédé pour un matériau donné passe le plus souvent par des itérations expérimentales basées sur un couplage essais et observations. L'objectif de cette étude est donc de mettre en place un algorithme de calcul basé sur une modélisation thermique et géométrique du procédé, afin de pouvoir définir l'ensemble des paramètres de soudage permettant d'avoir une bonne soudure selon les besoins définis par l'utilisateur

GRATECAP, François

POITOU, Arnaud

RACINEUX, Guillaume

I-Revues

18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007 
1 
Choix et optimisation de l'outil et des paramètres de soudage 
en Friction Stir Welding 
 
François GRATECAP, Guillaume RACINEUX, Arnaud POITOU 
 
Institut de recherche en génie civil et mécanique (GeM) 
UMR CNRS 6183, Centrale Nantes, Université de Nantes 
1, rue de la Noë – 4321 Nantes Cedex 3 
françois.gratecap@ec-nantes.fr ; guillaume.racineux@ec-nantes.fr  
 
 
 
 
Résumé : 
 
Depuis 15 ans, le Friction Stir Welding (FSW) a suscité un intérêt grandissant tant dans le secteur 
industriel que dans celui de la recherche. Le procédé  résulte d'un apport de chaleur par frottement entre 
l'outil et la pièce et d'une forte déformation plastique dans le matériau. Actuellement, malgré un nombre 
d'étude important, l'optimisation du procédé pour un matériau donné passe le plus souvent par des 
itérations expérimentales basées sur un couplage essais et observations. L'objectif de cette étude est donc 
de mettre en place un algorithme de calcul basé sur une modélisation thermique et géométrique du 
procédé, afin de pouvoir définir l'ensemble des paramètres de soudage permettant d'avoir une bonne 
soudure selon les besoins définis par l'utilisateur. 
 
Mots-clefs : FSW ; Outil ; Optimisation 
 
Abstract : 
 
For 15 years, Friction Stir Welding (FSW) has known an increasing interest in both industry and 
academia. The process results from a heat generation by friction between the tool and the base metal and 
from an important plastic deformation in material. Currently, in spite of a significant number of studies, 
the process optimization for a given material generally passes by experimental iterations based on tests 
and observations. The objective of this study is thus to set up a calculation algorithm based on a thermal 
and geometrical modelling, in order to be able to define all  the welding parameters making it possible to 
have a good welding according to user needs'. 
 
Key words: FSW; Tool; Optimization 
 
1 Introduction 
 
Le FSW (Friction Stir Welding) est un procédé de soudage en phase solide qui a été 
développé dans les années 90 par TWI (The Welding Institute, Cambridge, UK). Le procédé 
consiste à chauffer et à malaxer la matière dans la zone à souder, pour cela, on utilise un outil 
cylindrique qui comprend un épaulement et un pion. L'épaulement frotte à la surface des pièces 
à souder échauffant ainsi la matière tandis que le pion malaxe la matière à l'état pâteux réalisant 
ainsi une liaison à l'échelle atomique. Le FSW présente de nombreux avantages : vitesse de 
soudage élevée, pas de porosités, peu de contraintes résiduelles, pas de métal d'apport, pas de 
fumée, soudage hétérogène possible etc.  Il peut être utilisé dans de multiples positions et pour 
de nombreuses géométries de pièces Tretyak (2002). Cela fait du FSW un procédé dors et déjà 
utilisé dans bon nombre d'applications industrielles tels que le transport maritime, ferroviaire ou 
aérien Mishra (2003). 
Bien qu'il s'agisse d'un procédé dont le principe est simple, il met en jeu des phénomènes 
complexes (couplages thermomécanique, changements métallurgiques...) qui sont à l'origine 
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d'un grand nombre d'études. On peut noter des travaux  concernant la prévision de l'influence 
des paramètres de soudage des paramètres de soudage et de la géométrie de l'outil sur la 
génération de chaleur Mishra et al. (2005), sur l'écoulement de la matière Krishnan (2001) sur la 
formation des défauts Chena et al. (2006) Kim et al. (2006). De nombreuses modélisations 
thermomécaniques plus ou moins raffinées permettent de mieux comprendre et de reproduire les 
phénomènes physiques observés Ulysse (2002) Song et al. (2003) Schmidt et al. (2004) 
Colegrove et al. (2002). Parallèlement à l'amélioration des connaissances concernant la 
cinématique d'écoulement de la matière la géométrie des outils a beaucoup évolué. On est 
progressivement passé d'un pion conique fileté à un pion WhorlTM, puis à un pion MX 
triflutesTM. Brown (2001) a montré que l'emploi de telles géométries permet de réduire les 
efforts de soudage tout en augmentant la génération de chaleur et le malaxage de la matière. De 
nouvelles évolutions ont récemment eu lieu avec l'A-skew Tool pour améliorer encore la vitesse 
de soudage maximum Dubourg et al. (2006). 
Toutefois, on constate que bon nombre d'auteurs se posent toujours des questions sur la 
façon d'optimiser la géométrie des outils ou les paramètres de réglage. Dans une étude 
bibliographique récente, Dubourg et al. (2006) fait une régression linéaire sur la valeur du 
diamètre de l'épaulement et sur la taille du pion en fonction de l'épaisseur des tôles. Il en ressort 
une tendance non expliquée qui lie les paramètres entre eux. On constate que les géométries 
utilisées sont obtenues de façon empirique sans fondement théorique. 
Dans cette étude nous proposons une méthodologie qui permet de définir, a priori, les 
paramètres de soudage, les paramètres géométriques et les paramètres de réglage d'un outil 
conique pour un matériau donné dans le cas d’un soudage en position. Les paramètres de 
soudage sont : la vitesse de rotation (ω) et vitesse d'avance (Vf). La géométrie est définie par le 
diamètre de l'épaulement (Ds), par l'angle de dépouille (γ), par le diamètre du pion (Dp), son 
angle (β), sa hauteur sous l'épaulement (h) et son rayon de raccordement (R). Le réglage de 
l'outil est défini par son inclinaison (α) et la distance entre le bas du pion et le dessous des tôles 
(δ). 
 
FIG. 1 - a. Définition géométrique de l'outil - b. Paramètres de mise en position de l'outil 
 
L'algorithme d'optimisation mis en place dans cette étude est présenté dans la section (3) et 
s'appuie sur une modélisation thermique et géométrique du procédé qui sont présentées dans la 
section (2). La démarche proposée est ensuite discutée dans la section (3). Finalement nous 
terminons en proposant un certain nombre de perspectives à cette étude. 
 
2 Modélisation 
 
2.1 Modèle thermique 
 
En utilisant un modèle simplifié Gratecap et al. (2005) (source mobile ponctuelle + modèle 
de chaleur + influence de la température sur les propriétés matériau) on montre logiquement, 
que la température de soudage diminue lorsque l’on augmente la vitesse d’avance (pour une 
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vitesse de rotation donnée) et que la température  augmente lorsque l’on augmente la vitesse de 
rotation (pour une vitesse d’avance donnée) : 
 0
1
exp exp
2 2 2
f fs V VQT T
k a a
ξ ψ
pi ψ
− =
   
− −   
   
           (0) 
où T0 est la température initiale, k la conductivité thermique, a la diffusivité thermique, Ψ la distance à la 
source et ξ la coordonnée dans la direction de soudage. On montre également qu’il est possible 
d’optimiser la vitesse d’avance, tout en conservant la température de soudage constante, si l’on augmente 
en conséquence la vitesse de rotation. Sur la figure 2 nous avons tracé plusieurs isothermes dans le cas 
d’alliages d’aluminium de la série 6061 T6. En effectuant de nombreuses expériences, Okamura (2000) a 
défini une zone de soudabilité (en grisé sur la figure 2). Nous pouvons constater que cette zone se situe 
approximativement entre les isothermes à 500°C et à 550°C ce qui paraît tout à fait raisonnable par 
rapport aux températures généralement mesurées. Finalement, dans le cas de plaques minces, il est 
possible d’évaluer très simplement un ordre de grandeur raisonnable des vitesses de rotation et d’avance 
de l’outil pour un matériau donné en fonction de la température de soudage souhaitée. Ce résultat peut-
être généralisé au cas des plaques épaisses par une simulation par éléments finis. 
 
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Vf(m/s)
N
 
(rp
m
)
550°C
500°C
450°C
300°C
 
FIG. 2 - Conditions de soudage en fonction de la 
vitesse d’avance et de la vitesse de rotation pour 
des plaques de 5 mm d’épaisseur en 6061 T6. 
 
 
 
 
 
FIG. 3 - Règle des volumes 
 
 
2.2 Modèle géométrique 
 
Le FSW est un procédé de soudage sans apport extérieur de matière, ce qui signifie qu'il 
faut, autant que possible, limiter la perte de matière lors du pointage (par expulsion hors de 
l'épaulement), et pendant le soudage (par formation de bavures). D'autre part, pour que l'apport 
de chaleur par cisaillement soit optimal, il faut que l'espace compris entre l'épaulement et les 
tôles soit plein. Pour cela nous montrons qu'il faut vérifier trois règles que nous appellerons : la 
règle des volumes, la règle des surfaces et la règle des débits. 
(i) Règle des volumes - Dans la phase de pointage, l'outil descend progressivement dans la 
tôle jusqu'à ce que le pion atteigne la distance de réglage δ. Les paramètres géométriques et de 
réglages (α, δ) de l'outil doivent permettre de conserver, entre l'épaulement et la tôle, le volume 
de matière refoulé par le pion. Par ailleurs, il ne faut pas surdimensionner cet espace pour 
assurer un cisaillement sur la totalité de l'épaulement. Finalement il faut que le volume du pion 
"immergé" dans la tôle (Vi) soit égal au volume  "de stockage" disponible entre l'épaulement et 
la tôle (Vs) (voir figure 3) : 
 i sV V= . (1) 
(ii) Règle des débits - Dans la phase de soudage, le pion entraîne de la matière par 
cisaillement en amont et la refoule (respectivement Qp et Qr sur la figure 4). Il faut ensuite la 
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replacer dans la tranchée ouverte en aval. La rotation de l'outil permet de reboucher cette 
tranchée. Si l'on néglige le débit d'entraînement du pion (Qp) par rapport au débit de refoulement 
(Qr) alors, l'essentiel de la matière déplacée par le pion passe entre l'épaulement et la tôle. Dans 
ces conditions, il faut, à la fois, que l'espace libre entre l'épaulement et la tôle et la vitesse de 
rotation de l'outil, soit suffisants pour que le débit de matière refoulé (Qr) par le déplacement du 
pion à la vitesse d'avance Vf soit compensé par le débit d'entraiment de l'épaulement (Qs). 
Suivant ce raisonnement nous définissons la règle des débits : 
 s pQ Q≥ . (2) 
 
FIG. 4 – Ecoulements 
 
 
(iii) Règle des surfaces - Pour consolider la matière après le passage du pion, il est 
nécessaire d'appliquer un effort de forgeage F (figure 5). Pour cela, l'outil doit être incliné d'un 
angle α et avoir un engagement verticale az dans la tôle. Afin de ne pas trop diminuer l'épaisseur 
de la soudure par rapport à l'épaisseur initiale des tôles, seule une largeur lf de l'outil est engagée 
dans la matière. Dans ces conditions, il demeure nécessairement un bourrelet sur les bords du 
cordon de soudure. Si l'on ne veut pas vider le volume de matière stocké entre l'épaulement et la 
tôle, la perte de matière due à la formation de ces bourrelets doit être compensée par l'apport de 
matière provoqué par l'engagement vertical de l'outil az. Cette condition est vérifiée si et 
seulement : 
 i eS S=  (3) 
où Si est la section immergée et Se la section du bourrelet. Nous appellerons, règle des surfaces, 
cette condition. 
 
FIG. 5 - Règle des surfaces 
 
3 Optimisation 
 
Le point de départ de l'optimisation est le modèle thermique présenté dans la section (2). 
On a montré que pour le cas des tôles minces, il est possible, connaissant le diamètre de 
l'épaulement et du pion de l'outil ainsi que l'évolution de la limite d'élasticité en fonction de la 
température, de déterminer les vitesses d'avance et de rotation de l'outil pour avoir une 
température de soudage appropriée. Généralement dans la littérature on montre qu'il faut souder 
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à une température proche de 0,7 Tf , où Tf est la température de fusion du matériau exprimée en 
Kelvin. 
Nous avons également montré dans la section 2 que la géométrie de l'outil devait respecter 
trois règles indépendantes pour qu'il puisse fonctionner dans les meilleures conditions. Partant 
de la nous définissons un algorithme de calcul comportant deux étapes (figure 6). Les 
paramètres d’entrée sont soulignés et les paramètres d’optimisation entre barres. La première 
étape thermique permet de définir les vitesses d’avance et de rotation pour obtenir la 
température visée. La vitesse de rotation doit être compatible avec celle de la broche. La 
seconde étape permet d’ajuster les paramètres géométriques de l’outil afin de respecter les trois 
règles géométriques. 
 
FIG. 6 - Algorithme de calcul 
 
 
Nous avons appliqué cet algorithme pour différents paramètres d’entrées, la figure 7 
récapitule les principaux résultats obtenus. Chaque ligne du tableau correspond à un paramètre. 
L'outil 1 correspond à un outil de référence et les outils de 2 à 9 sont obtenus en faisant varier 
un des paramètres d'entrées de l'outil de référence (représenté en gris foncé). Les outils 1.2 à 1.5 
ont la même géométrie que l’outil 1, mais des réglages différents. Les paramètres en gris clair 
sont ceux calculés et les autres sont fixés en entrée et identiques à ceux de l'outil de référence. 
Les trois dernières lignes sont des indicateurs du respect des règles des volumes, des débits et 
des surfaces. 
 
 
FIG. 7 - Influence des différents paramètres sur la géométrie de l'outil. 
 
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6 
Le tableau ci-dessus permet de mettre en évidence un certains nombre de points : (i) une 
diminution de l’angle de tilt engendre une diminution de l’angle de dépouille du diamètre de 
l’épaulement et du diamètre du pion, (ii) une diminution du diamètre de l’épaulement engendre 
une augmentation de l’angle de dépouille et une diminution importante du diamètre du pion 
(pion élancé), (iii) une diminution de la vitesse d’avance engendre une diminution du diamètre 
du pion ainsi que de l’angle de dépouille. On peut également constater la qualité d’une soudure 
pour un outil donné, va être extrêmement sensible au réglage en hauteur. Par ailleurs, il est 
possible d’utiliser une géométrie donnée pour un rapport N/Vf supérieur au rapport optimal lié à 
cette géométrie. 
 
4 Conclusion 
 
Dans cette étude nous avons proposé, pour une opération de soudage en position par FSW, 
une méthodologie qui permet d’optimiser les conditions de soudage (vitesse d'avance, vitesse de 
rotation), la géométrie d’un outil conique et ses paramètres de réglages. Nous montrons que la 
géométrie optimale d’un outil conique dépend à la fois des conditions de soudage et du matériau 
à assembler. Pour compléter cette étude, nous envisageons de valider la méthodologie 
d’optimisation sur différents alliages métalliques. 
 
Références 
 
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Colegrove, P.A. & Shercliff , H.R. 2005 3-Dimensional CFD modelling of flow round a 
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Tretyak, N.G. 2002 Friction stir welding of aluminium alloys. Paton Welding Journal. Vol. 83, 
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Ulysse, P. 2002 Three-dimensional modeling of the friction stir-welding process. International 
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