Amélioration et nouvelle technologie de soudage linéaire et rotatif du bois, Improvement and new technology of linear and rotational dowel welding

Pantea Omrani

Description

Sous la direction de Antonio Pizzi
Thèse soutenue le 19 octobre 2009: Nancy 1
La technologie de soudage par friction, déjà appliquée aux thermoplastiques et aux métaux depuis plusieurs décennies, est utilisée ici pour le bois. Les objectifs de notre travail sont la réalisation d’assemblages soudés par rotation ou vibration linéaire et l’étude des paramètres qui influent sur les caractéristiques des joints soudés, à savoir le type d’essence utilisée, l’orientation du fil, la conception du joint et les réglages machine (fréquence, amplitude de déplacement, pression, temps). Les performances mécaniques des assemblages ont été testées par cisaillement, traction et selon une approche de la mécanique de la rupture. Dans le cas du soudage rotatif, nous avons proposé un nouveau modèle de conception de joints plats avec une disposition en zigzag des tourillons qui conduit à des assemblages qui peuvent être utilisés pour des demandes non-structurales en extérieur avec de brèves durées d’exposition non protégée. Pour le soudage linéaire, il ressort que les paramètres fréquence de vibration et temps de soudage sont déterminants pour la qualité des assemblages. Alors que la microdensitométrie de rayons X et la microscopie électronique à balayage (MEB) ont permis d’observer une densification de l’interface soudée, les analyses par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et résonance magnétique nucléaire (RMN) du 13C ont mis en évidence des modifications chimiques du matériau dans cette zone qui conduisent à une amélioration de la résistance à l’eau des assemblages. Par ailleurs, l’analyse par chromatographie en phase gazeuse couplée spectrométrie de masse (GC-MS) des gaz émis pendant le soudage démontre le caractère propre du procédé (vapeur d’eau majoritaire, quantités négligeables de CO2, absence de CO et de CH4).
-Soudage rotatif
-Soudage linéaire
Frictional wood welding, a technology already applied to weld thermoplastics and metals for several years, is used here to weld wood. The aims of this work were to put together welded wood joints either by linear or rotational welding as well as to study the parameters which have an influence on the characteristics of welded joints: thus, the wood species used, the orientation of the wood grain, the construction design of the joint and the welding parameters (such as the vibration frequency, displacement, welding pressure and welding time). The mechanical performance of the wood joints prepared were tested in shear, in tension as well as according to the principles of fracture mechanics. For rotational welding, a new planar joint design has been proposed with a zig-zag positioning of the welded dowels which led to joints that can be used for non-structural applications under exterior unprotected conditions for brief periods of time (up to one year). For linear vibration welding it was determined that the welding parameters used are determinant to the quality of the joints. Much improved joint strengths and water resistance were obtained as a consequence. Analysis by X-ray microdensitometry coupled to scanning electron microscopy have allowed to observe and follow the densification of the welded interface as a function of welding parameters. FTIR and 13C NMR analysis of the welded line have pointed out marked chemical modifications at the welded interface contributing to the improvement of both joint strengths and water resistance. Furthermore, gas chromatography analysis coupled with mass spectrometry (GC-MS) has allowed to determine the non-polluting nature of the mix of gases emitted during welding (Predominance of water vapour, traces only of CO2, absence of CO and CH4) and to list exactly the traces of the decomposition products issue during welding from the degradation of lignin and hemicelluloses.
Source: http://www.theses.fr/2009NAN10075/document

Informations

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Extrait

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Faculté des Science et Technique Nancy 1 Ecole doctorale RP2E
UFR STMP
THESE
Pour l’obtention du titre de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE HENRI POINCARE,
NANCY 1
Spécialité : Sciences et Technologies Industrielles
Présentée par
Pantea OMRANI
Amélioration et nouvelle technologie de soudage
linéaire et rotatif du bois
Directeur de thèse : Prof. Antonio Pizzi
Date de soutenance : 19 octobre 2009
JURY
Rapporteurs :
M. Michel Delmas Professeur ENSIACET, Laboratoire de Catalyse, INP Toulouse, France
M. Frederic Pichelin Professeur University of Applied Science, Solothurnstrasse, Suisse
Examinateurs :
M. Pascal Triboulot Professeur, Directeur de l'ENSTIB, Université H. Poincaré Nancy 1, France
M. Maurice Brünner Professeur University of Applied Science, Solothurnstrasse, Suisse
M. Antonio Pizzi Professeur, ENSTIB, Université H. Poincaré Nancy 1, France REMERCIEMENTS
La première personne que je tiens à remercier de tout mon cœur est monsieur le professeur
Antonio PIZZI qui est reconnu internationalement pour ses recherches dans le domaine des
colles et du collage. Grâce à lui, j’ai appris beaucoup de choses scientifiques pendant ces 3
années de thèse et pendant mon master qu’il a aussi encadré. Il m’a également donné des
leçons qui sont utiles dans ma vie personnelle et professionnelle. En lui, je salue un homme
formidable avec un grand cœur, une intelligence et une mémoire hors du commun, un
homme de parole qui veut tout pour ses doctorants mais pas pour lui-même, une personne
sur qui on peut compter dans les moments difficiles. Tout ce que je pense de lui est sincère
et les gens qui ont travaillé à son contact ne me contrediront pas.
Mes remerciements vont également au professeur Pascal Triboulot, le directeur de
l’ENSTIB, de m’avoir permis de m’inscrire dans son établissement pour mon master et puis
ma thèse. Je tiens tout particulièrement à le remercier pour son aide, son écoute et sa
disponibilité.
Mes remerciement s’adressent ensuite aux membres du jury : Monsieur le professeur Michel
Delmas, Monsieur le professeur Frederic Pichelin et Monsieur le professeur Maurice
Brünner, Qui ont accepté de consacrer de leur temps à rapporter et examiner mon travail.
J’aimerais faire un remerciement particulier au professeur Jean-Michel Leban pour sa
gentillesse, sa patience et pour la réalisation des analyses par microdensitométrie de rayons
X et microscopie électronique à balayage qui ont apporté beaucoup d’explications quant à
mon travail.
De même, je remercie sincèrement le professeur Luc Delmotte pour ses analyses de RMN
qui ont permis de lever nombreuses de nos interrogations et souligner sa compétence
scientifique et sa pédagogie qui m’ont beaucoup plu.
Je remercie le professeur Gilles Duchanois de l’ENSTIB qui m’a aidée à réaliser des essais
de mécanique à la rupture que je n’avais jamais faits auparavant. Je le remercie à la fois
pour ses qualités scientifiques et sa bonne humeur.
Il m’est impossible d’exprimer toute ma gratitude au Dr. Béatrice George, maître de
conférences à l’Université UHP Nancy 1, pour son aide apportée à la correction de cette
thèse. Je la remercie pour son amitié, sa gentillesse et pour son temps précieux qu’elle m’a
accordé malgré son emploi du temps chargé avant les vacances.
Mais j’ai une dette particulière envers mon époux qui m’a largement aidée et qui m’a
soutenue quand j’en avais besoin.
Je tiens à remercier également monsieur Jean-Louis JANIN, le responsable de la société
MECASONIC qui nous a permis de réaliser tous nos échantillons de soudage linéaire dans
le cadre du projet « SOUDABOIS »
Mes remerciements les plus sincères à toutes les personnes qui auront contribué de près ou
de loin à l’avancement de mes travaux et à l'élaboration de cette thèse. Résumé
La technologie de soudage par friction, déjà appliquée aux thermoplastiques et aux métaux
depuis plusieurs décennies, est utilisée ici pour le bois.
Les objectifs de notre travail sont la réalisation d’assemblages soudés par rotation ou
vibration linéaire et l’étude des paramètres qui influent sur les caractéristiques des joints
soudés, à savoir le type d’essence utilisée, l’orientation du fil, la conception du joint et les
réglages machine (fréquence, amplitude de déplacement, pression, temps).
Les performances mécaniques des assemblages ont été testées par cisaillement, traction et
selon une approche de la mécanique de la rupture.
Dans le cas du soudage rotatif, nous avons proposé un nouveau modèle de conception de
joints plats avec une disposition en zigzag des tourillons qui conduit à des assemblages qui
peuvent être utilisés pour des demandes non-structurales en extérieur avec de brèves
durées d’exposition non protégée.
Pour le soudage linéaire, il ressort que les paramètres fréquence de vibration et temps de
soudage sont déterminants pour la qualité des assemblages.
Alors que la microdensitométrie de rayons X et la microscopie électronique à balayage
(MEB) ont permis d’observer une densification de l’interface soudée, les analyses par
spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et résonance magnétique
13nucléaire (RMN) du C ont mis en évidence des modifications chimiques du matériau dans
cette zone qui conduisent à une amélioration de la résistance à l’eau des assemblages.
Par ailleurs, l’analyse par chromatographie en phase gazeuse couplée spectrométrie de
masse (GC-MS) des gaz émis pendant le soudage démontre le caractère propre du procédé
(vapeur d’eau majoritaire, quantités négligeables de CO , absence de CO et de CH ). 2 4
Mots-clés : bois, soudage rotatif, soudage linéaire, assemblages, adhésion
microdensitométrie de rayons X, paramètre du soudage, RMN, Abstract
Frictional wood welding, a technology already applied to weld thermoplastics and metals for
several years, is used here to weld wood.
The aims of this work were to put together welded wood joints either by linear or rotational
welding as well as to study the parameters which have an influence on the characteristics of
welded joints: thus, the wood species used, the orientation of the wood grain, the
construction design of the joint and the welding parameters (such as the vibration frequency,
displacement, welding pressure and welding time).
The mechanical performance of the wood joints prepared were tested in shear, in tension as
well as according to the principles of fracture mechanics.
For rotational welding, a new planar joint design has been proposed with a zig-zag
positioning of the welded dowels which led to joints that can be used for non-structural
applications under exterior unprotected conditions for brief periods of time (up to one year).
For linear vibration welding it was determined that the welding parameters used are
determinant to the quality of the joints. Much improved joint strengths and water resistance
were obtained as a consequence.
Analysis by X-ray microdensitometry coupled to scanning electron microscopy have allowed
to observe and follow the densification of the welded interface as a function of welding
13parameters. FTIR and C NMR analysis of the welded line have pointed out marked
chemical modifications at the welded interface contributing to the improvement of both joint
strengths and water resistance.
Furthermore, gas chromatography analysis coupled with mass spectrometry (GC-MS) has
allowed to determine the non-polluting nature of the mix of gases emitted during welding
(Predominance of water vapour, traces only of CO absence of CO and CH ) and to l