Дисертації з теми "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.

Les principaux modèles de comportement en fatigue des assemblages soudés par point ne prennent en compte que des paramètres géométriques. Or, les contraintes résiduelles, la microstructure de la Zone Affectée Thermiquement et la forme du fond d'entaille sont, a priori, autant de facteurs d'influence supplémentaires. L'objectif de ce travail est la compréhension des facteurs prédominants de la tenue en fatigue des assemblages soudés par point en acier THR, afin de proposer des conditions de soudage permettant un comportement amélioré. Pour analyser finement les résultats d'essais, des méthodologies et des outils d'observation sont développés : suivi de fissure, fractographie MEB, analyse métallographique. En soudage, l'observation des structures primaires permet de comprendre la formation du point de soudure. Dans certains cas, la solidification débute alors que le courant est encore délivré à l'assemblage. De nombreux essais de fatigue sont réalisés sur des assemblages de traction-cisaillement en acier Dual Phase pour étudier l'influence des conditions de soudage. Par l'utilisation combinée des différents outils, l'effet des conditions de soudage et les principaux facteurs d'influence sur la durée de vie de l'assemblage sont dégagés. L'étape de propagation de fissure est peu sensible aux conditions de soudage, une modélisation fiabiliste de cette étape est proposée. L'amorçage de fissure se révèle être l'étape cruciale. Un cycle de soudage adapté permet d'obtenir un comportement en fatigue amélioré grâce à une modification favorable du champ de contraintes résiduelles en fond d'entaille , tout en gardant des séquences de soudage sur composant acceptables. Ces résultats ouvrent de réelles perspectives d'application industrielle.

Les principaux modèles de comportement en fatigue des assemblages soudés par point ne prennent en compte que des paramètres géométriques. Or, les contraintes résiduelles, la microstructure de la Zone Affectée Thermiquement et la forme du fond d'entaille sont, a priori, autant de facteurs d'influence supplémentaire. L'objectif de ce travail est la compréhension des facteurs prédominants de la tenue en fatigue des assemblages soudés par point en acier THR, afin de proposer des conditions de soudage permettant un comportement amélioré. Pour analyser finement les résultats d'essais, des méthodologies et des outils d'observation sont développés : suivi de fissure, fractographie MEB, analyse métallographique. En soudage, l'observation des structures primaires permet de comprendre la formation du point de soudure. Dans certains cas, la solidification débute alors que le courant est encore délivré à l'assemblage. De nombreux essais de fatigue sont réalisés sur des assemblages de traction-cisaillement en acier Dual Phase pour étudier l'influence des conditions de soudage. Par l'utilisation combinée des différents outils, l'effet des conditions de soudage et les principaux facteurs d'influence sur la durée de vie de l'assemblage sont dégagés. L'étape de propagation de fissure est peu sensible aux conditions de soudage, une modélisation fiabiliste de cette étape est proposée. L' amorcage de fissure se révèle être l'étape cruciale. Un cycle de soudage adapté permet d'obtenir un comportement en fatigue amélioré grâce à une modification favorable du champ de contraintes résiduelles en fond d'entaille tout en gardant des séquences de soudage sur composants acceptables. Ces résultats ouvrent de réélles perspectives d'application industrielle

De nos jours, la politique écologique encourage les constructeurs automobiles à réduire le poids global du véhicule. Des tôles d'acier fines d'épaisseur différente optimisant chaque partie de l'assemblage sont utilisées et les sidérurgistes développent des aciers de plus en plus résistants à savoir l'Acier Haute Résistance Avancé (AHSS) avec un bon compromis entre résistance mécanique et ductilité (emboutissage). Lors des essais mécaniques de soudage hétérogène AHSS, des modes de fractures inhabituels sont observés, notamment le long de l'interface entre la zone affectée par la chaleur (ZAT) et la zone de fusion ou zone fondue (ZF). Ces fractures se produisent généralement avec une résistance inférieure à celle attendue pour ces soudures. Les objectifs de l'étude sont de comprendre les mécanismes de rupture au cours des essais mécaniques et de créer un modèle mécanique de FE conçu pour prédire la résistance mécanique des assemblages soudés. Tout d'abord, une étude de soudage hétérogène constituée de deux nuances d'acier bien connues d'ArcelorMittal vise à comprendre le mécanisme de défaillance et les paramètres affectant les modes de défaillance. Différentes configurations sont étudiées avec l'épaisseur. Le modèle FE est construit avec une réponse mécanique identifiée de chaque zone (matériaux de base, zones affectées par la chaleur et zone de fusion), en utilisant des modèles d'ArcelorMittal et des données expérimentales. Des critères de défaillance basés sur des dommages ductiles tenant compte de l'influence de la triaxialité sont utilisés et certains éléments cohésifs sont utilisés pour simuler une défaillance interfaciale. Deux configurations d'essais mécaniques dans le cas du soudage par résistance par points (essais de traction transversale et de traction) sont considérées. Les prédictions du modèle étaient très précises avec les modes de défaillance et les forces expérimentaux. Ensuite, cette méthode de modélisation FE a été appliquée avec succès à un boîtier de soudage par points très hétérogène comprenant un nouveau concept AHSS basse densité de troisième génération à forte teneur en aluminium et en manganèse. Les modes d'échec et les forces obtenues étaient comparables. De plus, la méthode de modélisation FE a été appliquée sur des configurations plus complexes, en particulier sur un assemblage soudé par points triple épaisseur. La robustesse du modèle pour prédire les modes de défaillance partielle et les forces d'une soudure par points triple épaisseur a été démontrée. En outre, la méthodologie de modélisation FE a été étendue à un autre type de soudage: le soudage à l'arc. Dans ce cas, deux feuilles sont soudées en configuration de chevauchement ab avec un fil d'apport. Le modèle FE permet de prédire la zone de rupture et la résistance de l'assemblage soudé
Nowadays, ecological policy encourages carmakers to reduce the global vehicle weight. Fine steel sheets assemblies with different thickness optimizing each part of the assembly are used and steelmakers develop steels which are more and more resistant namely Advanced High Strength Steel (AHSS) with a good compromise between mechanical strength and ductility (stamping). During the mechanical tests of heterogeneous AHSS welding, unusual fracture modes are observed, in particular along the interface between the Heat Affected Zone (HAZ) and the Fusion Zone or molten zone (FZ). These fractures generally occur with lower strength than expected for these welding. The objectives of the study are to understand fracture mechanisms during mechanical testing and create a mechanical FE model is developed to be able to predict mechanical strength of the welded assemblies. Firstly, a study of heterogeneous welding constituted of two well-known steel grades of ArcelorMittal aims at understanding failure mechanism and parameters affecting the failure modes. Different configurations are studied with thickness. FE model is built with mechanical response identified of each zone (base materials, heat affected zones and fusion zone), using ArcelorMittal models and experimental data. Failure criteria based on ductile damage taking into account the influence of the triaxiality are used and some cohesive elements are used to simulate interfacial failure. Two configurations of mechanical testing in the case of Resistance Spot Welding (cross tension and tensile shear tests) are considered. Model predictions were very accurate with experimental failure modes and strengths. Then, this FE modelling method was successfully applied to a highly heterogeneous spot welding case including a new third generation low density AHSS concept with high aluminum and manganese content. Failure modes and strengths obtained were comparable. Moreover, FE modelling method was applied on more complex configurations, in particular on a triple thick spot welded assembly. The robustness of the model to predict partial failure modes and strengths of a triple thick spot weld has been demonstrated. In addition, FE modelling methodology was extended to another welding type: arc welding. In this case, two sheets are welded in ab overlap configuration with a filler wire. FE model allows predicting the failure zone and strength of welded assembly

Lors des processus de fabrication ou d'assemblage à hautes températures les matériaux métalliques subissent des modifications de leurs compositions chimiques ainsi que de leurs structures, ce qui affecte leurs propriétés et caractéristiques mécaniques locales du matériau. Ces changements microstructuraux dépendent d'une part de la température considérée et d'autre part de l'historique du traitement thermique qu'a subi le matériau. Or, dans la majorité des cas, l'histoire des échanges thermiques, qui dépend de différents paramètres (convection, conduction, rayonnement ) se différencie dans le volume en chaque point du matériau ce qui induit des changements de propriétés locales pour ce dernier. Dans le cadre de cette thèse nous avons exploré la possibilité d'utiliser la microindentation à haute température pour déterminer les lois de comportement des alliages d'aluminium de fonderie. Le modèle de comportement retenue dans le cas de notre étude pour décrire le comportement mécanique des alliages d'aluminium. à haute température est issue du formalisme de viscoplasticité modèle "bicouche", où l'état interne est défini par deux déformations inélastiques. La méthode de descente quadratique de type Levenberg-Marquardt est utilisée pour déterminer un meilleur jeu de paramètres à identifier qui minimise l'erreur entre la courbe simulée et la courbe expérimentale. Comme le soudage est l'application retenue dans le cadre de cette thèse, la méthodologie d'identification développée est appliquée au soudage pour caractériser le comportement mécanique local des joints soudés et identifier divers comportement entre les différentes zones du cordon de soudure
Indentation technique has been used extensively to measure the elastic modulus and hardness of materials. Lt has been instrumented and used successfully to identify other mechanical properties at room temperature. However the extension of this technique for characterization at high temperature is in its beginning. The main goal of my thesis is to characterize cast aluminum alloys using microindentation test at different temperatures. Ln addition to the quantities measured directly from indentation test such as Young modulus and hardness, we also determined the characteristic parameters like work hardening and viscoplasticity parameters at different temperatures. Ln this work, the high temperature indentation tests are combined with inverse analysis to calibrate the constitutive model parameters. Welding is one of the most important metal-joining processes used in diverse industries. However, the very concentrated heat in fusion welding, leads to a local dilatation and metallurgical phase transformation that generate inhomogeneous plastic deformation and residual stresses in the welded parts which can be a source of cracking and fracture problems in welded structures. Ln this study we use the micro indentation technique at different temperature which is a powerful tool to characterise the mechanical properties of a welded bond. The aim of this part is to characterize the differences of the mechanical properties of the different zones of the weld

Dans le cadre de la conception des structures automobiles et de la modélisation de leur tenue au crash, la prédiction du comportement mécanique et de la rupture des assemblages soudés par point par résistance, s’avère encore délicate. En introduisant une nouvelle génération d’assemblages multi-tôles en aciers multigrades soudés par point, la prédiction de leur tenue mécanique est devenue encore plus complexe. En effet, malgré une utilisation croissante de ces assemblages, l’étude expérimentale de leur comportement mécanique est encore très limitée, tandis que leur modélisation macroscopique n’a pas encore été proposée. Dans ce contexte, un dispositif expérimental approprié de type Arcan est proposé pour caractériser la tenue mécanique et la rupture des assemblages trois tôles soudés par points, en chargements purs et combinés et dans les différentes configurations possibles. Une approche de modélisation macroscopique est également proposée pour simuler le comportement des assemblages trois tôles soudés, pour des applications de type structure. Un modèle d’élément équivalent ’connecteur’ est tout d’abord proposé, identifié et validé par rapport un assemblage deux tôles soudé par point. Ensuite, une approche de modélisation utilisant trois connecteurs est proposée pour simuler le comportement mécanique et la rupture d’un assemblage trois tôles soudé par point par résistance. Une stratégie d’identification est aussi détaillée pour simplifier la procédure d’identification des paramètres du modèle. Le modèle est identifié et validé par rapport aux résultats expérimentaux des essais de caractérisation de type Arcan réalisés au cours de cette thèse
Resistance spot welding (RSW) is widely used in the automotive industry. However, the prediction of their non-linear mechanical behavior and their failure in structural crashworthiness computations remains a challenge. The introduction of a new generation ofmulti-sheet multi-steel grade spot welded assemblies makes the prediction of their mechanical strength more complex.Despite the increasing use of these assemblies, the experimental study of their mechanical behavior is still very limited, while their macroscopic modeling has not yet been studied. An experimental device based on Arcan principle is thus proposed to characterize the mechanical strength and the failure of three-sheet spot welded assemblies, in pure and combined loads for different loading configurations. A macroscopic modeling approach is also proposed to simulate their mechanical behavior for structural applications. As a first step, a ’connector’ element is proposed, identified and validated for a two-sheet spot welded assembly. Then, a modeling approach using three connectors is proposed to simulate the mechanical behavior and the rupture of a three-sheet multi- steel grade spot welded assembly. An identification methodology is also presented to simplify the identification procedure of the model parameters. The model is identified and validated based on the experimental results of the Arcan tests carried out during this thesis

Les observations faites sur des structures métalliques soumises au crash ou à l’impact mettent en évidence deux catégories de rupture : la rupture initiée en pleine tôle, et la rupture localisée au niveau des zones d’assemblage. Il est donc important de pouvoir prédire le comportement des liaisons pour éviter qu’elles ne rompent et entraînent une désarticulation structurale complète et particulièrement brutale. Les objectifs des travaux menés sont de mesurer la réponse d’un assemblage soudé par point lorsqu’il est sollicité en quasi-statique et en dynamique, de déterminer quelle est l’influence de la vitesse de sollicitation sur son comportement et de comprendre comment et où la rupture s’initie et se propage dans cet assemblage. Un nouveau type d’essai a permis de caractériser la liaison soudée pour des sollicitations de traction, cisaillement et en modes mixtes. Les assemblages sont testés en quasi-statique et en dynamique pour des vitesses comprises entre 5 mm/min et 1m/s. Un montage permettant de solliciter le point soudé en traction indirecte aux barres de Hopkinson a été développé. Ce montage permet de solliciter l’assemblage soudé pour des vitesses de traction de l’ordre de 13 m/s. Une analyse des faciès, des modes de rupture et des observables globales est réalisée. Pour compléter l’approché expérimentale un modèle numérique E. F. Volumique de l’assemblage à l’échelle mésoscopique est réalisé. Les propriétés élasto-visco-plastiques de quatre zones remarquables de la Z. A. T. Sont identifiées sur des éprouvettes affectées thermiquement. Ce modèle permet d’appréhender les mécanismes locaux de déformation de la soudure sous diverses sollicitations mécaniques
When subjecting a metallic structure to an impact or a crash, two kinds of fracture can be seen to appear jointly: rupture initiated in the sheet and rupture located on the joint areas. Depending on the type of transportation mean and materials used for the design of the vehicles, structures can be assembled either by rivets, spotwelds or weld beads. To prevent the failure of these joints, which can lead to a complete and particularly brutal structural disarticulation, their behaviour must be studied. The aims of this work are to measure the response of a spotwelded joint under quasi-static and dynamic loadings, to determine the load velocity influence on its behaviour, to understand how and where the failure starts and propagates in the assembly. Original tests, which make it possible to mix loading directions and to control the boundary conditions around the spotweld and the deformation of the metal sheet, were developed and performed under quasi-static and dynamic loadings on an hydraulic jack in a range of velocities from 5mm/mn to 1m/s. A new device was also developed to test spotwelds in pure tensile direction on SHB. This device uses SHB in a no-direct tensile testing configuration and a velocity of 13 m/s is reached. Load-displacement responses, failure mechanisms and topographies were obtained. To complete experiments, a fine numerical model of the spotweld was performed. The elastoplastic properties of the HAZ were experimentaly identified using some materials having undergone heat treatments. This model allows us to understand where the deformations are located

Le soudage du bois est une technique d'assemblage sans adhésif de deux pièces de bois, leur soudure étant produite par friction mécanique sous pression des deux pièces. Ce procédé, applicable à des pièces de bois plates, d'essences identiques ou différentes, se prête à la fabrication de meubles et à la menuiserie. Cependant, le joint obtenu n'est pas de classe "extérieur", ce qui le réserve à un usage "intérieur". En effet, un joint destiné à une utilisation extérieure ou en milieu à humidité variable doit présenter une résistance élevée à l'eau. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier la résistance à l'eau du bois soudé. A cet effet, des méthodes d'essais complémentaires et non-destructrices ont été utilisées, comme le scanner ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM). L'influence des paramètres de soudage et des propriétés du bois sur, d'une part, la formation et la propagation des fissures dans la ligne de soudure, et sur, d'autre part, la densité et l'absorption d'eau de la soudure a été ainsi étudiée. Les expériences de cette thèse seront menées sur des échantillons de pin (Pinus sylvestris) de dimensions 200 mm x20 mm x 40 mm, coupés dans la direction longitudinale du fil du bois. La Norme Européenne EN 205 a servi de cadre pour déterminer la résistance des échantillons de pin en traction-cisaillement. Les méthodes d'essais (non-destructrices) ont été utilisées selon leur pertinence: le scanner a servi à étudier la formation et la propagation des fissures; l'imagerie par résonance magnétique (IRM) a permis quant à elle de caractériser la pénétration et l'infiltration d'eau dans le bois soudé.Le mécanisme d'adhérence du pin a été étudié grâce à la RMN MAS (spectrométrie à résonance magnétique nucléaire avec polarisation croisée et rotation à l?angle magique) du carbone13 et à la micro-densitométrie par rayons X. Ces différentes méthodes, non destructrices, offrent l'avantage d'une analyse non invasive et l'élimination de facteurs parasites liés à la préparation et à la coupe du bois. Voici en résumé les résultats obtenus les plus marquants: (1) Le scanner et l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont des méthodes de recherche particulièrement polyvalentes et adaptées à l'étude des bois soudés. (2) L'utilisation de bois de coeur, une pression de soudage de 1.3 Mpa et un temps de soudage de 1.5 s permettent d'augmenter la résistance à l'eau du pin soudé. (3) Des tests d'optimisation ont montré que la résistance du pin en traction-cisaillement est plus sensible aux variations de temps de soudage qu'au temps de refroidissement et qu'elle peut être optimisée à plus de 9.7 MPa en respectant une pression de 1.3 Mpa, un temps de soudage > 3.5 s et un temps de refroidissement < 60 s. (4) La résistance à l'eau du bois soudé peut être améliorée dans une certaine mesure en faisant varier paramètres de soudage et propriétés des essences, mais dans tous les cas, le recours à un imperméabilisant naturel et écologique reste nécessaire. (5) Le pin soudé possède une résistance à l'eau et en traction-cisaillement inhabituellement élevée, cela pouvant s'expliquer par une teneur en composés extractifs augmentée. (6) Des essais sous IRM ont montré que les causes de rupture du joint varient suivant l'essence: faible résistance à l'eau de la ligne de soudure dans le cas du hêtre soudé, retrait et expansion du bois dans le cas du pin soudé. (7) Les extractifs du pin améliorent nettement la résistance à l'eau du joint soudé, mais à un niveau qui ne lui permet cependant pas la certification "extérieur" sans protection. En revanche, il peut être certifié "semi-extérieur" avec protection
Wood welding is a mechanical friction process allowing the assembly of timber without any adhesives. The process consists of applying mechanical friction, under pressure, alternately to the two wood surfaces to be welded. This process can be applied to weld two flat pieces of timber, originating from the same or different tree species, and can be used in the manufacture of furniture and wood joinery. The only limitation is that the joint is not exterior-grade, but only suitable for interior joints. Exterior use, or use in an environment with varying humidity demands water resistance of the welded joints. The main objective of this thesis is to study the water resistance of the welded wood. This is complemented with special attention to non-destructive test methods such as X-ray Computed Tomography (CT-) scanning and Magnetic Resolution Imaging (MRI). The influence of welding parameters and wood properties on crack formation and crack propagation in the weldline was investigated. The influence of these parameters on weldline density and water absorption in the weldline were also studied. Investigations in this thesis are based on welded samples of Scots pine (Pinus sylvestris) of the dimensions 200 mm × 20 mm × 40 mm which were cut in the longitudinal direction of the wood grain. The tensile-shear strength of the welded Scots pine samples were determined using European standard EN 205. Different non-destructive methods such as X-ray Computed Tomography (CT-) scanning to study crack formation and propagation, and magnetic Resolution Imaging (MRI) to characterize water penetration and the distribution mechanism in welded wood were used. Solid state CPMAS 13C NMR spectrometry and X-ray microdensitometry investigations were carried out to study the mechanism of adhesion in Scots pine. These various non-destructive methods offer the advantage of non-invasive analysis and the elimination of any artifacts present due to preparation and sectioning. The most important results are summarized as follows: (1) X-ray Computed Tomography (CT-) scanning and Magnetic Resolution Imaging (MRI) are versatile research methods applicable to investigations of welded woods. (2) Water resistance of welded Scots pine can be increased using heartwood, a welding pressure of 1.3 MPa, and a welding time of 1.5 s. (3) Optimization tests showed that the tensile-shear strength of Scots pine was more sensitive to welding time changes than holding time and could be optimized to more than 9.7 MPa using 1.3 MPa welding pressure, > 3.5 s welding time, and < 60 s holding time. (4) Changing welding parameters and wood properties can increase water resistance of welded wood to some extent, but treating the weldline with certain natural and environmentally-friendly water repellents is still necessary. (5) Welded Scots pine shows unusually high water resistance and tensile-shear strength. This may be explained by there being more extractives compounds in Scots pine. (6) MRI experiments showed that the origin of the joint failure in welded beech is poor water resistance of the weldline, while swelling and shrinkage of wood are the main reasons for joint failure of welded Scots pine. (7) Extractives in Scots pine dramatically improve water resistance of the welded joint, but not to a level to classify the joint as an unprotected exterior grade. However, it can qualify as a joint for protected semi-exterior application