Academic literature on the topic 'Soudage par résistance SPR'

Les aciers ODS (Oxide Dispersion Strengthened) ferrito-martensitiques, font partie des matériaux candidats à la fabrication des pièces pour le gainage de combustible des réacteurs nucléaires de 4ième génération. L’assemblage type « bouchon-gaine » se fait par le procédé de soudage par résistance (SPR) en bout ; procédé de soudage en phase solide, connu pour avoir un impact limité sur la dispersion des nano-oxydes dans la zone soudée par rapport aux procédés de soudage par fusion. Un des objectifs de ces travaux est d’évaluer et de comprendre les effets du SPR sur la résistance mécanique finale de l’assemblage « bouchon-gaine » en acier 11Cr-ODS. Une approche couplant caractérisations microstructurales et mécaniques avec des simulations numériques (du procédé de SPR et des essais mécaniques) est adoptée. L’originalité de cette approche réside aussi dans le développement de deux géométries spécifiques d’éprouvettes de traction, permettant de localiser les sollicitations dans la zone soudée. En effet, les sollicitations thermomécaniques sévères induites par le SPR génèrent des hétérogénéités microstructurales au matériau avec des conséquences directes sur la résistance mécanique. Des microstructures complexes en termes de taille de grain, de texture locale, de phases en présence (ferrite, martensite, ferrite résiduelle) et de type de grain (recristallisé ou déformé) sont obtenues. Les essais mécaniques réalisés ont mis en évidence que la résistance mécanique de l’assemblage soudé peut être principalement associée à la zone interne du plan de joint, formant un angle d’environ 45° par rapport à l’axe de la gaine. Cette zone subit une déformation plastique significative, présente les valeurs de dureté les plus élevées et affiche un affinement plus prononcé de la microstructure. Un second objectif est l’évaluation des effets d’un traitement thermique post-soudage sur les propriétés microstructurales de la soudure et sur la résistance mécanique de l’assemblage soudé. Son effet est significatif s’il est réalisé au-dessus de la température de transformation de phase Ac3, tandis qu’il est limité, s’il est effectué en dessous d’Ac3. Lors d’essais de traction à température ambiante, la zone de rupture est déplacée de la zone soudée vers le métal à l’état de réception lorsque l’assemblage a subi un traitement thermique post-soudage adéquat
Oxide Dispersion-Strengthened (ODS) ferrito-martensitic alloys are among the candidate materials for the manufacture of fuel cladding parts for 4th generation nuclear reactors. The « plug-clad » assembly is carried out by the Pressure Resistance Welding (PRW) process; a solid phase welding process known to have a limited impact on the dispersion of nano-oxides in the welded zone compared with fusion welding processes. One of the aims of this work is to assess and understand the effects of PRW on the final mechanical strength of the 11Cr-ODS steel plug-clad assembly. An approach coupling microstructural and mechanical characterizations with numerical simulations (PRW process and mechanical tests) is adopted. The originality of this approach also lies in the development of two specific geometries for tensile samples, enabling the localization of stresses in the welded zone. Indeed, the severe thermomechanical loadings imposed on the material during the PWR process generate microstructural heterogeneities in the material with direct consequences on its mechanical resistance. Complex microstructures in terms of grain size, local texture, phases (ferrite, martensite, residual ferrite) and grain type (recrystallized or deformed) are obtained. The mechanical tests indicate that the mechanical resistance of the welded assembly is primarily associated with the internal zone of the joint plane, forming an angle of approximately 45° with respect to the axis of the clad. This area is submitted to significant plastic deformation, presents the highest hardness values, and exhibits a more pronounced refinement of the microstructure. A second objective is the evaluation of the effects of a post-welding heat treatment on the microstructural properties of the weld and on the mechanical strength of the welded assembly. Its effect is significant if it is carried out above the phase transformation temperature, Ac3, while it is limited if below Ac3. During tensile tests at room temperature, the fracture zone is moved from the welded area to the as-received metal when the assembly has undergone adequate heat treatments

Cette étude porte sur la modélisation du soudage par résistance par points de tôles nues et revêtues double face de faibles épaisseurs (0. 7 mm). Elle comporte d'une part une caractérisation mécanique de la phase d'accostage et d'autre part une étude électrothermique approfondie de la phase de soudage qui suit. Un couplage fort permet de tenir compte des interactions entre les phénomènes électrique et thermique. Le problème étant couplé par l'effet joule d'une part et la dépendance des propriétés physiques avec la température d'autre part. Il intègre également les non-linéarités importantes liées aux résistances électriques et thermiques de contact. Une approche expérimentale visant à mesurer les résistances électriques de contact en régime dynamique à ainsi été développée. Ces modélisations mécanique et électrothermique sont traitées par calcul éléments finis. Les résultats mécaniques obtenus mettent en évidence de fortes contraintes axiales périphériques. Dans certaines configurations d'assemblage ou le jeu initial entre les deux tôles est important, la formation des surfaces de contact électrode-tôle est annulaire. Ces deux phénomènes mécaniques favorisent alors la création de points expulsés. Les résultats du calcul électrothermique mettent en évidence le rôle important des résistances électriques de contact. Dans le cas des tôles nues, la résistance électrique de contact tôle-tôle, initialement très importante, impose une montée en température très brutale (27500°C/s). Pour les tôles revêtues double face, des intensités de soudage plus élevées (environ 30% supérieures à celles des tôles nues) sont nécessaires pour compenser la faible résistance de contact tôle-tôle et obtenir la fusion du métal. Dans ce cas, l'intensité de soudage élevée gouverne le procédé de soudage et provoque un emballement thermique dans la deuxième partie du cycle de soudage. La latitude de soudage est alors fortement réduite

Cette étude est réalisée dans le cadre d’une convention CIFRE en collaboration avec Schneider Electric et le Laboratoire de Génie Electrique de Paris-SUPELEC. Le but de cette étude est la compréhension des phénomènes physiques ayant lieu durant l’opération de soudage par résistance de matériaux de contact et le développement d’une simulation numérique du procédé. Un outillage de soudage innovant est développé. Les essais expérimentaux réalisés avec deux rivets en cuivre permettent de déterminer une zone de soudabilité. Ils montrent aussi que la résistance dynamique de contact permet de suivre le mode d’échauffement des pièces. De plus, les tests de caractérisation mis en œuvre (imagerie ultrasons, tests de cisaillement, macrographies) mettent en évidence d’autres phénomènes physiques. La simulation réalisée avec le logiciel de calcul par éléments finis ANSYS rend compte du couplage existant entre les phénomènes mécaniques, électriques et thermiques. Deux modèles complémentaires sont développés : un modèle macroscopique qui prend en compte l’évolution de la résistivité superficielle globale en fonction de la force et de la température et un modèle microscopique qui rend compte de manière découplée de la rugosité de la surface de contact et des impuretés isolantes superficielles. La comparaison entre les résultats calculés et mesurés expérimentalement montre une cohérence entre les deux types de résultats. Ces modèles cohérents avec l’expérience permettent en dernier lieu d’étendre l’étude au cas du soudage d’un rivet en aluminium avec un rivet en cuivre et d’étudier l’influence de la fréquence du courant redressé utilisé pour le soudage
This study is done in the frame of a CIFRE convention between Schneider Electric and the Laboratoire de Génie Electrique de Paris-SUPELEC. The goal is to understand the physical phenomena occurring during the resistance welding process of contact materials and the development of a numerical simulation of the process. An innovating welding device is developed. Experimental tests done with two rivets of copper allow to determine a weldability area. They also show that the dynamic contact resistance allow to follow the heating way in the pieces. Moreover the characterisation tests (ultrasonic images, shear tests, macrographies), that are supplementary, highlight other physical phenomena. The simulation done with the FEM software ANSYS takes into account the coupling between the mechanical, electrical and thermal phenomena. Two supplementary modellings are developed : a macroscopic modelling that takes into account the evolution of the global superficial resistivity versus the force and the temperature and a microscopic modelling that decouples the roughness and the superficial insulating impurities of the contact area. A comparison between the calculated and measured results shows a consistency of them. These modellings that are consistent with the experimental tests allow to extend the study for the welding of a rivet of aluminium with a rivet of copper and to study the influence of the frequency of the rectified current used during the welding

Parmi les procédés de soudage, la simulation numérique du soudage par résistance électrique par points offre l'avantage d'un calcul direct des sources de chaleur par couplage électro-thermique. En revanche, les données nécessaires pour décrire les contacts sont rares et difficiles à mesurer. Comme pour les autres procédés
de soudage, la difficulté principale en simulation numérique est la disponibilité de données d'entrée à toutes températures depuis l'ambiante jusqu'au-delà de la fusion. Le couplage des premiers modèles électrothermiques avec des modèles mécaniques permet un bon accord entre expérience et simulation. Une fois qu'un modèle a été validé selon tous les domaines physiques concernés, des résultats comme les cycles thermiques, la taille de soudure ou les contraintes, déformations et état métallurgique résiduels peuvent être utilisés pour mieux comprendre le procédé, pour le piloter ou pour modéliser le comportement des soudures.

Les alliages ODS (Oxide Dispersion Strengthened) sont des matériaux candidats pour la réalisation du gainage combustible des réacteurs nucléaires de Génération IV de type RNR-Na. Leurs propriétés mécaniques à haute température sont assurées par une dispersion d'oxydes nanométriques qui peut être modifiée sous l'effet de la température et notamment lors du passage par l'état liquide. Les procédés d'assemblage en phase solide sont donc préconisés. La méthode de soudage étudiée dans cette thèse est le soudage par résistance en bout. Une double approche simulation numérique-expérimentation a été mise en place pour étudier l'influence des paramètres opératoires sur le soudage et la soudure. L'ensemble des essais (expérimentaux et numériques) est réalisé selon la méthode des plans d'expériences factoriels complets. Un alliage ODS base fer à 20 % de chrome a été utilisé comme alliage d'essai.L'analyse de l'influence des paramètres opératoires sur le soudage est réalisée dans un premier temps. Les résultats montrent que l'étape de soudage peut se découper en trois phases. Dans une première phase, la température augmente au niveau des interfaces. Dans une seconde phase, le procédé de soudage est gouverné par le changement de section macroscopique lorsque le courant passe du bouchon massif à la gaine plus étroite. La température augmente alors dans la partie de gaine dépassant de l'électrode. Lorsque la température atteint une valeur suffisamment élevée, la partie de gaine dépassant de l'électrode se déforme, entrainant un affaissement général des pièces et constituant la troisième phase de l'étape de soudage. L'influence des paramètres opératoires sur les phénomènes physiques lors de l'opération d'assemblage est évaluée. Il est alors possible d'influer sur les sollicitations thermiques et mécaniques à l'aide des paramètres opératoires. L'analyse de l'influence des sollicitations thermomécaniques sur la soudure est réalisée dans un second temps. Sur les plages de paramètres opératoires étudiées, les résultats révèlent sur certaines soudures la présence de défauts de compacité ainsi qu'une modification de la microstructure et de la dispersion des oxydes. Les défauts de compacité peuvent être liés à des phénomènes thermiques et mécaniques au contact entre pièces. Les modifications de la microstructure sont liées à des phénomènes de recristallisation dynamique ou de fusion locale et donc à des phénomènes thermiques mais aussi mécaniques avec la présence de déformations importantes. Les modifications de la microstructure sont alors reliées à une modification de la dispersion d'oxydes. A l'aide des paramètres opératoires il est possible d'influer sur les températures et les déformations afin de limiter les modifications de la structure de l'alliage ODS ainsi que l'apparition de défaut de compacité. A l'aide de l'ensemble de ces résultats, la procédure de soudage est adaptée sur un alliage ODS à 9 % de chrome, nuance envisagée pour la réalisation des futurs gainages combustibles. L'influence des propriétés matériaux sur le soudage et la soudure est alors discutée en comparant les deux nuances ODS de compositions différentes mais aussi en comparant les résultats obtenus sur l'alliage ODS à 20 % de chrome avec un alliage non renforcé de composition semblable.

Le soudage par point est utilisé par l’industrie automobile pour assembler des tôles minces en acier. L’accumulation des points de soudage entraîne une usure des faces actives des électrodes surtout dans le cas du soudage de tôles galvanisées à haute limite d’élasticité. Cette étude, expérimentale et numérique, porte sur la compréhension des mécanismes de dégradation des électrodes en CuCr1Zr, avec une attention particulière portée à l’influence de l’adoucissement lié à l’état de précipitation du matériau. Le comportement thermomécanique de l’alliage et ses propriétés thermo-physiques ont été caractérisés dans différents états microstructuraux. Des essais de soudage par point instrumentés, sur tôles nues et revêtues, ont permis de préciser le rôle de l’adoucissement dans la dégradation des électrodes. Ces essais fournissent par ailleurs des données pour valider les simulations numériques réalisées avec le code SYSWELD®. Un modèle couplé électro-thermo-métallurgique permet une simulation correcte du champ de températures dans les électrodes et d’évaluer la contribution respective des paramètres de soudage et des conditions aux limites qui influencent l’adoucissement. Un second modèle électro-thermo-métallurgique-mécanique, intégrant une loi de comportement élastoviscoplastique avec une variable de vieillissement, permet de calculer la déformation de l'électrode au cours d'une dizaine de cycles de soudage. Même si le nombre de points simulés est insuffisant, les premiers résultats sont très satisfaisants en thermique et encourageants pour la mécanique
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Le soudage par point est utilisé par l'industrie automobile pour assembler des tôles minces en acier. L'accumulation des points de soudage entraîne une usure des faces actives des électrodes surtout dans le cas du soudage de tôles galvanisées à haute limite d'élasticité. Cette étude, expérimentale et numérique, porte sur la compréhension des mécanismes de dégradation des électrodes en CuCr1Zr, avec une attention particulière portée à l'influence de l'adoucissement lié à l'état de précipitation du matériau. Le comportement thermomécanique de l'alliage et ses propriétés thermo-physiques ont été caractérisés dans différents états microstructuraux. Des essais de soudage par point instrumentés, sur tôles nues et revêtues, ont permis d'étudier la cinétique de dégradation des électrodes. Ces essais fournissent par ailleurs des données pour valider les simulations numériques réalisées avec le code SYSWELD®. Un modèle couplé électro-thermo-métallurgique permet une simulation correcte du champ de température dans les électrodes et d'évaluer la contribution respective des paramètres de soudage et des conditions aux limites qui influencent l'adoucissement. Un second modèle électro-thermo-métallurgique-mécanique, intégrant une loi de comportement élastoviscoplastique avec une variable de vieillissement, permet de calculer la déformation de l'électrode au cours d'une dizaine de cycles de soudage. Bien que le nombre de points simulés soit insuffisant, les premiers résultats sont satisfaisants en thermique et encourageants pour la mécanique.

Dans l’industrie automobile, les exigences en matière d’émissions polluantes conduisent à alléger les véhicules, notamment en réduisant l’épaisseur des tôles. Ce travail en partenariat avec ArcelorMittal porte sur le soudage par résistance par point de tôles fines d’acier. L’objectif est d’identifier les phénomènes qui induisent les difficultés de soudabilité opératoire rencontrées avec une combinaison dissymétrique de trois tôles revêtues, incluant une tôle très mince galvanisée de moins de 0,6 mm, une tôle de DP600 et une tôle en Usibor® emboutie à chaud. Des observations par caméra infrarouge montrent que les échauffements initiaux se produisent principalement au niveau des interfaces avec la tôle d’Usibor®1500, et que le noyau se forme du côté de cette tôle, loin de la tôle mince. Les valeurs très élevées des résistances de contact électrique et thermique, mesurées aux interfaces avec la tôle d’Usibor®, sont imputables au revêtement Alusi® et sont à l’origine des forts échauffements initiaux observés à ces interfaces. Un modèle numérique, limité aux aspects électrothermiques et développé sur COMSOL Multiphysics®, a permis de montrer que la zone fondue s’initie très rapidement dans la tôle d’Usibor® 1500 sous l’effet des fortes résistances de contact adjacentes, et que son développement en épaisseur et diamètre est piloté par les évolutions des rayons de contact électrode-tôle. Les résistances de contact entre électrode et tôle mince, le profil du courant de soudage et les rayons de courbure des faces actives des électrodes sont les paramètres prépondérants à optimiser pour améliorer la pénétration du noyau dans la tôle mince
In the automotive industry, the requirements for polluting emissions lead to light vehicles, especially in decreasing the steel sheet thickness. This work in partnership with ArcelorMittal focuses on resistance spot welding of steel sheets. The aim is to identify the phenomena that induce operating weldability difficulties encountered with an asymmetrical stack of three coated steel sheets, including a very thin galvanized sheet of less than 0.6 mm, a sheet of DP600, and a hot stamped Usibor® sheet. Infrared camera observations show that the initial heating takes placeat the interfaces with the Usibor®1500 sheet, and that the nugget appears inside this sheet, away from the thin sheet. The very high values of the electrical and thermal contact resistances, measured at the interfaces with the Usibor®1500 sheet, are due to the Alusi® coating and are at the origin of the strong initial heating at these interfaces. A numerical model, limited to the electro- thermal aspects and developed with COMSOL Multiphysics®, shows that the nugget is initiated very quickly in Usibor®1500 sheet under the effect of adjacent contact resistances, and that its development is driven by the evolutions of the electrode-sheet contact areas. The contact resistances between the electrode and the thin sheet, the welding current evolution, and the curvature radius of electrode tips are the most efficient parameters to be optimized to improve the penetration of the nugget in the thin sheet

Les aciers renforcés par dispersion d’oxydes (ODS) sont des matériaux candidats pourconstituer les gaines de combustibles des réacteurs nucléaires de IVème génération refroidis au sodium(RNR-Na). Le soudage par résistance en bout de ces gaines est étudié dans ce travail, avec pourobjectif la détermination et la compréhension des effets du procédé sur l’évolution de la microstructuredes aciers ODS à 9 % et 14 % de chrome à l’échelle des grains et des oxydes nanométriques. Uneapproche couplant caractérisations microstructurales sur soudures, simulation numérique et simulationphysique du procédé, à l’aide d’un simulateur thermomécanique Gleeble 3500, est adoptée. Le soudagepar résistance en bout impose localement des conditions de sollicitations sévères en termes dedéformation, vitesse de déformation et température. Ces sollicitations induisent un affinement de lamicrostructure dont l’origine peut être attribuée à un mécanisme de recristallisation dynamique (acier à14 % de chrome) ou à l’association de la recristallisation dynamique et des transformations de phase(acier à 9 % de chrome). Les conditions d’occurrence de la recristallisation dynamique sont étudiéessur ces matériaux. On montre notamment la possibilité d’une transition entre recristallisation dynamiquecontinue et discontinue sur l’acier à 14 % de chrome en fonction des conditions de sollicitation. Il estégalement observé que ces sollicitations thermomécaniques sévères induisent une augmentation de lataille des oxydes nanométriques associée à une diminution de leur fraction volumique
Oxide dispersion strengthened (ODS) steels are considered as candidate materials for thedevelopment of fuel cladding for sodium-cooled fast reactors (SFR). Resistance upset welding of thecladding is studied in this work. The aim is to determine and to understand the process effects on themicrostructure of ODS steels with 9% and 14% of chromium at the scales of the grains and thenanometric oxides. An approach coupling microstructural characterization of welds, numericalsimulation and physical simulation of the process, using a thermomechanical simulator Gleeble 3500,is proposed. Resistance welding locally imposes severe thermomechanical conditions in terms of strain,strain rate and temperature. Refinement of the microstructure is noted and correspond to a dynamicrecrystallization mechanism (14 % Cr steel) or the combination of dynamic recrystallization and phasetransformations (9 % Cr steel). The conditions of occurrence of dynamic recrystallization are studied.The possibility of a transition between continuous and discontinuous dynamic recrystallization is shownfor the 14 % Cr steel according to the loading conditions. Such severe thermomechanical conditionsinduce an increase in the size of nanoscale oxides associated with a decrease of their volume fraction

L'objectif de ce travail est une meilleure compréhension du comportement à la rupture de points de soudure par résistance sur tôles d'acier extra doux ou d'acier biphasé d'épaisseur 1. 5 mm. L'étude bibliographique montre la difficulté de caractériser la qualité des assemblages réalisés en aciers à haute limite d'élasticité, et, en conséquence celle de la définition des conditions de soudage pour ces nouveaux aciers. Une analyse théorique de la rupture d'un point de soudure peut être faite, dans deux cas extrêmes, à l'aide de modèles simplifiés qui tendent à rendre compte du comportement global du point : pour les ruptures par déboutonnage, il s'agit d'un calcul de charge limite, y compris par la méthode des éléments finis dans le cas des sollicitations de traction ; pour les ruptures d'interface, par contre, c'est la mécanique élastique linéaire de la rupture qui est utilisée. Les éprouvettes sont assemblées par point de soudure par résistance selon quatre modalités de soudage : un cycle "industriel" classique, un cycle à temps de soudage long, un cycle avec recuit et un cycle utilisant une électrode de gros diamètre. Les examens métallographiques des points de soudure montrent la variation de structure à travers le point et permettent de comparer les configurations des points pour les différentes modalités de soudage et nuances d'acier. Ces examens permettent aussi le relevé de caractéristiques géométriques qui seront utilisées dans l’ analyse de la rupture du point. L'examen des extrémités soudées montre que celles-ci sont plus ou moins riches en oxydes et qu'elles sont de deux types : un type aigu et un type plus émoussé. Des filiations de microdureté à travers le point de soudure montrent l'existence d'un fort gradient dans la zone affectée thermiquement à l'endroit justement où se trouve le fond d'entaille. Ces variations de la microdureté permettent de comparer, entre elles, les différentes modalités de soudage et mettent aussi en évidence l'influence de la nuance d'acier. Les essais mécaniques sont des essais de traction et des essais de torsion. Ils sont conduits jusqu'à la rupture totale ou interrompus à différents niveaux de la sollicitation (une éprouvette par niveau). Les résultats obtenus pour les différentes modalités de soudage et nuances d'acier sont comparés entre eux et à ceux obtenus par l'étude théorique à partir de l'analyse des surfaces de rupture et de la prise en compte des modifications des propriétés mécaniques locales. Les essais mécaniques sont des essais de traction et des essais de torsion. Ils sont conduits jusqu'à la rupture totale ou interrompus à différents niveaux de la sollicitation (une éprouvette par niveau). Les résultats obtenus pour les différentes modalités de soudage et nuances d'acier sont comparés entre eux et à ceux obtenus par l'étude théorique à partir de l'analyse des surfaces de rupture et de la prise en compte des modifications des propriétés mécaniques locales. Les essais ont montré que la rupture commence par la séparation des interfaces dans la zone de diffusion et se termine soit par rupture d'interface, soit par déboutonnage. Pour les deux modes de ruine, la plasticité est très étendue. L'influence de la forme du noyau et de la propreté de l'interface dans la zone ddiffusion sur le type de rupture et le niveau correspondant de la sollicitation de traction ou de torsion a été mise en évidence. Les essais ont par ailleurs montré une nette amélioration de la tenue du point pour l'acier biphasé par rapport à l'acier extra doux. L'étude met en évidence l'intérêt de l'essai de torsion qui conduit à une dispersion moindre des résultats que l'essai de traction. Elle montre par ailleurs qu'il faut être prudent vis-à-vis des critères classiques de qualité d'un point de soudure : taille de zone fondue importante, indentation du point de soudure et rupture par déboutonnage. Pour les points bruts de soudage, la connaissance du couple à rupture en torsion permet d'avoir une idée de la charge â rupture en traction à l'aide de droites de corrélation, fonction du carbone équivalent.

Ce chapitre illustre les méthodes et connaissances qui ont été développées pour assurer la capacité des aciers à haute résistance à être assemblés par soudage. L’optimisation simultanée de la soudabilité métallurgique, des défauts et de la tenue en service des parties soudées est illustrée pour différentes microstructures à haute résistance et procédés de soudage.