Добірка наукової літератури з теми "Soudage par impulsions électromagnétiques"

Les générateurs d'impulsions magnétiques sont de plus en plus exploités dans les applications de formage et soudage multi-matériaux. Ils permettent de réaliser une formabilité précise des pièces métalliques. Cette thèse a pour objectif de calculer, par des méthodes analytiques, le champ et la pression magnétiques ainsi que la force de Lorentz générés durant le magnétoformage d'un tube. Premièrement, nous proposons d'analyser le fonctionnement du générateur en utilisant une bobine massive et un concentrateur de champ magnétique. Ensuite, nous introduisons les modèles 3D de ces éléments, en utilisant les méthodes FEM et BEM, dans le but de déterminer les variations de la distribution du courant et de la température. Dans cette recherche, nous étudions expérimentalement, l'impact du concentrateur sur l'impulsion du courant, ensuite, nous mesurons par une caméra thermique la distribution de la température dans la bobine massive. Nous poursuivons avec le calcul de la répartition du champ magnétique autour de la bobine par une méthode analytique basée sur le calcul de l'inductance mutuelle entre deux bobines circulaires et coaxiales. Enfin, nous terminons par une étude analytique et numérique de la compression d'un tube métallique par impulsions magnétiques. La méthode analytique est basée sur le calcul de l'inductance propre et l'inductance mutuelle de la bobine et le tube en 3D afin de déterminer la force de Lorentz et la pression magnétique appliquée sur le tube
Magnetic pulse generators are being used more and more in multi-material forming and welding applications and produce a precise forming of metal parts. This PhD. thesis aims to calculate, using analytical methods, the magnetic field, the magnetic pressure, and the Lorentz force generated during electromagnetic forming of a metal tube. First, we propose to analyze the generator operation using a massive coil in interaction with a magnetic field shaper. Then, we develop the 3D models of these components using FEM and BEM methods in order to determine the evolution of the current and the temperature distributions. In this research work, we experimentally study the impact of the field shaper on the current pulse and then using a thermal camera we measure the temperature distribution in the massive coil. Afterwards, we calculate analytically the distribution of the magnetic field created around the coil based on the mutual inductance of two circular and coaxial coils. Finally, we develop an analytical and numerical study of a tube crimping by magnetic pulses. The used analytical method is based on the calculation of the self-inductance and the mutual inductance of the coil and the tube in 3D order to determine the Lorentz force and the magnetic pressure applied on the tube

Cette thèse porte sur l’assemblage de verres par impulsions laser femtosecondes. Une source laser femtoseconde à haute fréquence de répétition a été utilisée pour souder des lames de borosilicate de haute qualité de surface. La technique d’assemblage mise en œuvre diffère de la littérature par le système de focalisation utilisé. Un plan d’expériences a été réalisé afin de déterminer l’influence des différents paramètres laser sur les performances des soudures obtenues, démontrant que l’augmentation de la quantité d’énergie déposée améliore les performances mécaniques et thermiques. Les assemblages soudés peuvent atteindre une haute résistance mécanique supérieure à 25 MPa et supporter des chocs thermiques supérieurs à 300 ° C. L’adaptation des paramètres laser en fonction de la distance entre les lames de verre permet de souder des verres hors contact optique. Cette méthode a également été implémentée avec succès à l’assemblage de verre sur du silicium
This PhD thesis is about glass bonding by femtosecond laser pulses. A femtosecond laser source generating high repetition rate laser pulses has been used to weld borosilicate glass plates with high surface quality. The method presented in this work differs from the literature by the focusing system implemented. The influence of the laser parameters on the bonded samples performances has been studied implementing a design of experiments, demonstrating that the mechanical and thermal resistance of the samples can be improved by increasing the amount of deposited. Thebonded samples provide high mechanical resistance, higher than 25 MPa, can held high thermal shock above 300 °C and present high transparency above 90 %. Glass bonding with a distance between the glass plates has been performed by adapting the laser parameters. Bonding of glass on silicon has also been performed successfully

Les procédés de traitement de surface tels que le grenaillage sont utilisés pour introduire des contraintes résiduelles de compression dans les matériaux métalliques. Cela permet de prévenir l'initiation et la propagation des fissures afin d'augmenter la durée de vie en fatigue des pièces mécaniques. Les limites et inconvénients des procédés actuels généralement utilisés pour cette fin sont connus et ont été mis en avant dans plusieurs études. Il s'agit d'une modification importante de l'état de surface (rugosité), une profondeur traitée limitée, des difficultés de mise en œuvre, etc. Aussi, de nouveaux procédés permettant d'obtenir des résultats équivalents voire meilleurs tout en évitant ces problèmes suscitent un intérêt grandissant. Le traitement de surface par cavitation (cavitation peening) et la mise en compression par impulsions électromagnétiques font partie de ces procédés innovants dont la modélisation a fait l'objet de cette thèse. Le traitement de surface par cavitation consiste à générer un jet d'eau submergé contenant des bulles de cavitation et dirigé vers la surface à traiter. La principale difficulté dans la modélisation du cavitation peening est la détermination du chargement mécanique sur la surface provenant de l'implosion des bulles de cavitation. L'effondrement des bulles peut se faire de manière sphérique ou non-sphérique suivant leur proximité de la paroi solide. Des modèles analytiques et numériques ont donc été élaborés pour étudier la dynamique des bulles et déterminer l'onde de pression due à une bulle sphérique d'une part, et la pression d'impact du micro-jet (bulle asphérique) d'autre part. Ces deux types de sollicitations ont été comparés et un modèle macroscopique pour le traitement par cavitation a été dérivé, en s'appuyant sur une simulation numérique du jet de cavitation. Une comparaison avec des résultats expérimentaux a été effectuée et a montré la pertinence du modèle proposé. En ce qui concerne le traitement par impulsions électromagnétiques, il consiste à générer un puissant champ magnétique transitoire par induction dans la pièce de matériau conducteur. Les contraintes résiduelles proviennent de la déformation plastique créée par les forces de Laplace à l'intérieur du matériau. Un modèle numérique couplant l'électromagnétisme et la mécanique des solides a été mis en place pour la simulation du procédé. Grâce à une étude d'optimisation, ce modèle a permis d'obtenir les paramètres électriques nécessaires pour arriver à mettre en compression des matériaux de type alliage de base nickel ou d'aluminium par cette méthode. Les profondeurs de la mise en compression calculées sont théoriquement par calcul plus élevées que celles obtenues avec les méthodes classiques de traitement de surface. Une étude de l'influence des différents paramètres a été faite et a montré que le procédé peut être contrôlé de manière relativement aisée en variant l'intensité et la pseudo-fréquence du courant traversant l'inducteur
Surface treatments methods like shot peening are used to introduce compressive residual stresses in metallic materials. The compressive stresses prevent the initiation and growth of cracks and hence improve the fatigue life of mechanical parts. The drawbacks and limitations of the existing processes generally used for this purpose are known and have been highlighted in many studies. These are, among others, an important surface modification (roughness), a limited compressive depth, difficulties in execution, debris and contamination problems, etc. Therefore, the interest in new surface treatment methods, which permit to obtain equivalent or even better compressive results while avoiding the previous problems, are growing. Cavitation peening and electromagnetic pulse peening are part of these innovative processes which modeling is the aim of this PhD thesis. Cavitation peening is a process of surface treatment which acts by the generation of cavitation bubbles near the workpiece surface. The modeling of this process is challenging because of the complexity of cavitation phenomenon and the main problematic point is the determination of the mechanical loading on the material due the bubbles collapse. In this thesis, an approach of modeling for cavitation peening based on the study of the dynamics of cavitation bubbles is proposed. Spherical and aspherical collapse of bubbles near a solid surface are studied by some numerical and analytical models. These two sources of loading pressures have been compared and a macroscopic model for cavitation peening have been derived by associating the numerical simulation of the cavitation jet and the localization of the cavitation zone. The comparison between the final residual stress profile calculated with the proposed model and the experimental results were satisfactory. Electromagnetic pulse peening (EMP) is a contactless process of surface treatment which could be used to introduce compressive residual stresses in conductive materials, by the generation of a high transient electromagnetic field. Laplace forces induced in the material by magnetic induction are the source of the material plastic deformation and compressive residual stresses introduction. To predict the EMP results, a numerical model have been built for the process simulation. The model, based on finite element method, coupled successfully electromagnetic and mechanical phenomena by using a sequential-coupled approach. It was proven theoretically, by the study of a reference case, that compressive residual stresses could be induced in metallic materials like nickel-based (Inconel) or aluminum alloys by the means of the present process. It was also shown by the calculations that much higher compressive depths than those of conventional peening processes could be achieved. The parametric study exhibited the influence of the maximum current intensity and frequency which affect both the compressive depth and the maximum residual stress

Le travail de la thèse concerne les impulsions de téléphonie mobile GSM (900MHz, 217Hz, 576µs) de DAS (débit d'absorption spécifique) jusqu'à 4. 6W/kg, agissant sur l'endocytose et la mitose cellulaires. Les résultats montrent que l'endocytose en phase fluide des cellules en culture est stimulée de 1. 4 fois environ sous GSM, pour des DAS moyens au-dessus de valeurs seuil entre 1. 3 et 2. 6W/kg, sans augmentation de température du milieu, dans deux systèmes d'exposition: une cellule fil-plaque et une cellule TEM, à 30°C. L'endocytose dépendante de la clathrine est la voie d'incorporation endocytaire stimulée par les GSM. La composante électrique des GSM est à l'origine de cette stimulation. La durée totale de la mitose cellulaire et les durées des différentes phases mitotiques, aussi bien que la cinétique de succession de ces étapes ne sont pas modifiées par l'exposition pendant 1h aux GSM à DAS local de 2. 2W/kg
This thesis reports the effects of electromagnetic GSM mobile phones pulses (900MHz, 217Hs, 576µs) with SAR (specific absorption rate) up to 4. 6 W/kg on cellular endocytosis and mitosis. The results here presented report that the fluid phase endocytosis of different cells in culture is stimulated 1. 4 fold under GSM exposure to average SARs above treshold values from 1. 3 to 2. 6W/kg without any bulk temperature increase. The effect was revealed using two exposure setups: a wire patch cell and a TEM cell, at 30°C. The clathrin-mediated endocytosis is the endocytotic pathway perturbed by the GSM exposure. A similar stimulation was observed under exposure to electrical pulses comparable to GSM electrical component suggesting that this electrical component is at the origin of endocytosis perturbation. The GSM exposure of 2. 2W/kg local SAR applied for 1h did not affect the mitosis progression, the total mitosis duration or each mitotic phase duration in our experimental conditions

Récemment, l'utilisation des impulsions Ultra Large Bande (ULB) s'est finalisée vers les applications liées à la détection et l'identification d'objets enfouis. De tels signaux présentent un ensemble de paramètres caractéristiques de la cible : haute résolution en distance, résonnances et phénomènes de dispersion. Notre travail a porté ç la fois sur la modélisation électromagnétique de la diffraction et sur l'extraction des paramètres caractéristiques. Nous avons développé une méthode de différences finies dans le domaine temporel (FDTD) qui permet de prendre en compte des objets de forme générale, éventuellement hétérogènes et pouvant être enterrés dans un milieu semi-infini, en l'adaptant au cas des impulsions ULB. Nous proposons une méthode originale d'initialisation du champ incident qui permet de s'affranchir de difficultés liées à la dispersion numérique et développons la possibilité de raffiner localement le maillage par puissances de deux. Nous avons pris en compte la dispersivité des matériaux. Enfin, nous avons assemblé les différents outils développés et calculé la réponse de cibles en espace libre ou enterrées. La seconde partie du travail porte sur la mise en évidence des caractéristqiues des cibles utilisables pour l'identification, via la méthode de Prony aux moindres carrés, qui extrait les pôles de résonance. Nous proposons une solution originale à la séparation des points diffractants et des résonances dans la réponse temporelle.

Grâce à leurs très bonnes propriétés mécaniques et leur faible poids, les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans l’industrie. Ce travail se concentre sur les composites à fibres de carbone longues et matrice thermoplastique (CFRP). Pendant le cycle de vie de ces matériaux, un apport de chaleur est nécessaire. Les fibres de carbones étant conductrices, il est possible d’utiliser l’induction pour chauffer les composites. L’objectif de cette thèse est la modélisation 3D d’un système de chauffage par induction de CFRP. Cette modélisation nécessite la compréhension de la circulation des courants induits à l’échelle des fibres. Les CFRP sont des matériaux anisotropes, hétérogènes, avec un positionnement aléatoire des fibres et possèdent un facteur d’échelle important. Pour s’affranchir de cette dernière contrainte, il est nécessaire de passer par une phase d’homogénéisation. Cette homogénéisation se divise en deux étapes. Dans la première étape, les courants induits microscopiques sont étudiés de manière à obtenir le tenseur de conductivité homogène d’un pli de CFRP. Pendant cette étape, le placement aléatoire des fibres dans la section du composite est prise en compte. Dans la deuxième étape, grâce à un modèle éléments finis 3D, ce tenseur est utilisé pour étudier la circulation du courant induit à l’échelle macroscopique. Par la suite, le modèle électromagnétique est couplé à un modèle thermique pour obtenir la distribution des températures dans un CFRP. Ce couplage prend en compte la variation des propriétés physiques en fonction de la température. Les modèles développés ont servi pour l’étude de faisabilité d’une nouvelle technique d’assemblage des CFRP
Due to their excellent mechanical properties and their light weight, the composite materials have a growing range of applications in industry. This work focuses on long Carbon Fiber Reinforced Polymer composites (CFRP). During the different steps of life cycle of this material, a heating procedure is necessary. Since carbon fibers are conductive, it is possible to use induction to heat the composite. The purpose of this thesis is to establish a model of induction heating of composites. To model this system, it is necessary to understand the eddy current path in the composite. A CFRP is non homogeneous and highly anisotropic. Furthermore, the fibers are randomly distributed in the matrix and there is an important scale factor between the diameter of fibers which is 7 μm and the size of the composite sheet which may be several meters. To overcome these difficulties, a two scales homogenization method is introduced. The composite is divided into elementary bricks which are statically representative of the whole material. In elementary bricks, the microscopic impedances are calculated to obtain the tensor of electrical conductivities along the 3 axes taking into account the different orientations of fibers in different layers. In the macroscopic scale, these conductivities are introduced in a FEM model to determine the current circulation in the composite. Then, the electromagnetic model is coupled to a thermal problem in order to determine the temperature distribution in CFRP. This coupling takes into account the change of physical properties as a function of the temperature. The developed models were used for the feasibility study of a new assembly technique of CFRP

Le choc laser est un procédé de plus en plus répandu qui utilise l’énergie laser pour générer des ondes de choc et inclure des effets mécaniques dans les matériaux ciblés. Lorsque l’énergie laser est absorbée par la cible, un plasma d’interaction est créé à la surface du matériau. Ce plasma, lors de sa détente, génère une onde de choc qui se propage. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s’inscrivent donc dans une démarche globale de compréhension des phénomènes liés à l’interaction laser-matière. Dans le domaine des ondes de choc générées par laser, on peut distinguer deux procédés : Le traitement de surface par choc laser (LSP - Laser Shock Peening) et le test d’adhérence par choc laser (LASAT - LASer Adhesion Technique). Aujourd’hui la question se pose sur les limitations des procédés de choc par laser et sur les solutions à mettre en place pour pallier à ces limitations. Des idées sur l’amélioration des confinements, comme substitution à l’eau, ou encore l’optimisation des revêtements protecteurs ont été proposées. Par ailleurs, au cours de ces travaux de thèse, l’utilisation de deux impulsions laser a permis, dans le cas du procédé LASAT, l’optimisation de la traction générée aux interfaces des multimatériaux et ainsi de rendre le procédé plus robuste. De plus, dans le cas du procédé LSP, les aspects de rentabilité liés à la cadence de traitement ont été étudiés. Finalement, que ce soit pour les décalages en temps faibles (entre 0 et 1000 ns) ou bien les décalages importants (entre 200µs à 200ms), l’étude des phénomènes liés à l’interaction laser-matière a permis de franchir certaines limitations pour les deux procédés
The laser shock wave generation is a novel process becoming more and more common. The shock waves are used to generate mechanicals effects in the sample. The laser absorption results in the creation of a plasma at the surface. This plasma during its expansion creates a shock wave propagating through the sample. This work aims to study the various phenomena involved in the laser-matter interaction. In the field of laser generated shock waves, two different processes exist: the Laser Shock Peening (LSP) and the LASer Adhesion Technique (LASAT). The new challenge deals with the limitations of those processes and the solutions to be setting up to improve them. Some ideas concerning the confinement improvement as water substitution or thermal coatings optimization are suggested in this work. Moreover, the use of double delayed laser pulses allows, for LASAT, the location of main tensile stresses near interfaces. However, for LSP, some aspects dealing with the profitability linked to the peening rate are investigated here. Last but not least, whether the very short (0 to 1000 ns) or very long delays (from 200µs to 200ms), the study of the laser-matter interaction phenomena allows to overcome some limitations for both laser shock processes

Les procédés de traitement de surface sont utilisés à l'échelle industrielle pour améliorer les performances de pièces mécaniques en introduisant des contraintes résiduelles de compression. Cette mise en compression de surface permet de limiter l'amorçage et la propagation de fissures dans le matériau. Ceci permet d'augmenter de façon significative la durée de vie en fatigue des pièces mécaniques ainsi traitées. L'utilisation de ces procédés dans l'industrie a démontré leur efficacité, mais aussi leurs limitations et inconvénients. Les défauts récurrents consistent en une profondeur traitée faible, une dégradation de l'état de surface (rugosité), des difficultés de contrôle, une contamination du matériau traité, etc. Ces défauts ont conduit à l'élaboration de nouveaux procédés innovants qui permettent de meilleures performances en évitant certains des inconvénients succinctement évoqués. Parmi ces procédés innovants, le traitement de surface par impulsion électromagnétique semble particulièrement intéressant. Ce procédé met en œuvre un puissant champ magnétique transitoire pour engendrer des forces de Laplace dans une pièce métallique et induire des contraintes résiduelles. Il n'existe que peu d'informations dans la littérature et il n'existe aucun dispositif expérimental de ce procédé. Cette thèse est dédiée à la conception et la réalisation d'un prototype de mise en compression électromagnétique. Le premier chapitre de cette thèse est un état de l'art des technologies de mise en compression et du procédé de mise en compression par impulsion électromagnétique. Ainsi, les besoins de ce procédé sont identifiés et les technologies pouvant répondre à ces besoins sont explorées. Le deuxième chapitre, après une sélection de la structure globale du dispositif, va consister aux dimensionnements des éléments du prototype EMP. Cette étude commencera avec une étude sur l'inducteur qui va être utilisé avant de continuer sur le dimensionnement du stockage d'énergie et de l'interrupteur de décharge. Afin de valider le dimensionnement des composants précédents, une simulation électromagnétique 3D du système est réalisée. L'assemblage du prototype est présenté dans le troisième chapitre ainsi qu'une première campagne d'essai sur un alliage d'aluminium. Deux types d'éprouvettes sont testées : une éprouvette fine pour vérifier visuellement la mise en compression (essai Almen) et une éprouvette massive afin d'évaluer la profondeur traitée. Une modélisation multiphysique 3D du procédé est réalisée afin de corréler ces résultats avec l'expérience. Dans un dernier chapitre, une étude exploratoire est menée sur un matériau ferromagnétique, le mumétal, pour visualiser l'influence des contraintes résiduelles sur les propriétés magnétiques de ce dernier
Penning processes are widely used in industries to apply compressive residual stresses into the most solicited part of mechanical pieces. In that way, the compressive residual stresses limit the priming and the propagation of micro-cracks in the material. This increases significantly the lifespan of the treated mechanical piece under fatigue stresses. These existing peening processes have proved their efficiency and also their limitations and weaknesses. The main recurrent defaults are a shallow depth of treatment, a degradation of the surface condition, a random control of the treatment, a material contamination, etc. These problems have led towards the development of news innovative peening processes which allow better performance avoiding some previous defaults briefly evoked. Among these news processes, the electromagnetic peening process seems especially interesting. This process uses high energy electromagnetic fields to induce Lorentz forces into a metallic piece and thus residual stresses. Actually, there is not much information about this process in the literature and no prototype was ever built. The work of this thesis is dedicated to development and realization of an electromagnetic peening prototype. The first chapter of this thesis adresses the state of the art of major peening processes actually in industrial use. Next, the electromagnetic peening process, or EMP process, is described and the electrical needs are exposed. A second state of the art is made about the technological solutions to respond to the EMP needs. The second chapter is about the conception of the EMP prototype with the electrical structure adopted in the previous chapter. The first step is about the inductor sizing to generate an electromagnetic field sufficient enough for a peening application. Next, the storage system is designed depending on the inductor parameters and finally the closing switch is created considering the electrical parameters used for the EMP process. To validate the previous results, a 3D electromagnetic simulation is done. The prototype assembly is presented in the third chapter and also the first experimental test on the EMP prototype. To begin with, an aluminium alloy with low yield strength is selected to be treated. Two different samples forms are used, a thin one, to realize a similar test to the Almen test and thick one to check the EMP depth of treatment. A 3D multiphysics simulation of these experiments is made and these numeric results are next correlated to the experimental ones. In the fourth chapter, an exploratory study is realized on the effects of the residual stresses on magnetic properties of ferromagnetic material, the mumetal

L'augmentation du débit des télécommunications nécessite la réalisation de circuits intégrés utilisant des transistors dont les fréquences de coupure sont de plus en plus élevées. L'évaluation des performances intrinsèques de ces composants fonctionnant aujourd'hui jusqu'à plusieurs centaines de GHz pose un gros problème d'instrumentation. Les capacités des analyseurs de réseaux généralement utilisés pour ces caractérisations sont en effet dépassées.

Les méthodes d'échantillonnage électro-optique basées sur l'utilisation d'un laser impulsionnel femtoseconde constituent une méthode alternative de caractérisation hyperfréquences. Ces mesures dont la résolution temporelle peut être inférieure à la picoseconde permettent d'étudier la réponse en fréquence de composants intégrés jusqu'à plus de 1 THz.

La méthode d'échantillonnage ultra-rapide que nous proposons est basée sur un effet d'électroabsorption présent dans de nombreux semiconducteurs massifs : l'effet Franz-Keldysh. Cet effet nous permet de sonder optiquement des impulsions électriques ultra-brèves se propageant sur une ligne de transmission déposée sur Arséniure de Gallium (GaAs). Ces impulsions sont également générées par voie optique grâce à un matériau photoconducteur ultra-rapide : le GaAs épitaxié à basse température.

La démonstration expérimentale de cette méthode de caractérisation est tout d'abord effectuée en utilisant les propriétés intrinsèques du substrat semiconducteur. Dans un deuxième temps, des améliorations technologiques sont apportées au dispositif expérimental pour permettre une généralisation de la technique de mesure à tout type de substrat. Pour cela, nous avons en particulier mis au point une technique de « lift-off » épitaxial permettant le report des matériaux nécessaires à la mesure sur un circuit ayant déjà subi les étapes technologiques. Ces différentes méthodes de mesure sont ensuite appliquées à la caractérisation de lignes de transmission ou de composants passifs THz. Elles ont permis entre autre la mise en évidence du phénomène de couplage par onde de choc électromagnétique entre deux lignes de transmission coplanaires, ou l'évaluation des paramètres S d'un filtre réjecteur de Bragg intégré sur substrat de quartz jusqu'à 1,2 THz. Enfin, la possibilité d'étudier un transistor bipolaire à hétérojonction à doigt d'émetteur submicronique par cette technique de mesure est envisagée.