Etude de la soudabilité à froid des alliages d’aluminium : influence de la sollicitation mécanique sur la création des jonctions métalliques, Cold weldability of aluminium alloys : influence of the mechanical load on the formation of metallic bonds

Olivier Siret

Description

Sous la direction de Christophe Desrayaud
Thèse soutenue le 12 octobre 2010: Ecole nationale supérieure des mines - Saint-Etienne
En soudage en phase solide, si la température peut avoir un rôle favorable, une sollicitation mécanique est également nécessaire pour s’affranchir de la couche d’oxyde recouvrant naturellement l’aluminium. Dans ce travail, on a ainsi cherché à comprendre l’importance de la sollicitation mécanique vis-à-vis de la création des jonctions métalliques. Dans ce but, 2 essais de soudabilité à froid ont été mis en place. L’essai de compression plane (CP) a pour but d’augmenter la surface à l’interface de soudage, de sorte à morceler la couche d’oxyde. Grâce à la microscopie, à une analyse par EF et à un modèle tensoriel de caractérisation de l’évolution des surfaces, les essais ont montré que, plus que l’importante déformation globale, le soudage se produit dans les zones de cisaillement maximum.Par conséquent, le second essai repose sur le cisaillement de l’interface de soudage : un tube sectionné est soumis à un effort de compression et de torsion alternée. Comme pour l’essai de CP, l’influence de divers paramètres a été étudiée. Parmi ceux-ci, l’état de surface (rugosités et propreté), l’angle de torsion (faible amplitude) et le nombre de cycles ont un rôle prépondérant. Les assemblages soudés ont ensuite été caractérisés mécaniquement et observés en microscopie (MEB-FEG, EBSD). Par rapport à l’essai de CP, on a pu constater une meilleure quantité et qualité des jonctions en compression-torsion alternée. De plus, un modèle thermodynamique a permis de conclure que les énergies mises en jeu sont trop faibles pour permettre un échauffement significatif : le soudage, sur environ 50% de l’interface en l’état actuel des choses, n’est réalisé que par des effets mécaniques locaux.
-Soudage en phase solide
-Aluminium
-Soudabilité à froid
-Compression plane
-Effort de compression et de torsion alternée
-Modèles EF
-Tensoriel et thermodynamique
In solid-state welding, if the temperature generally has an important role (diffusion, recrystallization, etc.), a mechanical load is also necessary to override the oxide layer which naturally covers aluminium alloys. This work aims to understand the influence of the mechanical load on the formation of metallic bonds. To this end two cold weldability tests have been introduced. Firstly the plane strain channel-die compression of two cuboids sample aims to increase the surface at the welding interface in order to break up the oxide layer. Thanks to microscopy, a FEA model and a tensorial model of surfaces evolution, those results showed that, more than the important global deformation, welds were created in areas with maximum shear. Subsequently the second test aims to shear the welding interface: a tube is cut through its section and undergoes both a compression and a cyclic torsion load. As for our first weldability test, the influence of some parameters has been studied. Among them, the surface condition (roughness and cleanliness), the torsion angle (low amplitude) and the number of cycles are the most influential. Then the welded joints have been mechanically tested and microscopically observed (FEG-SEM and EBSD). In comparison with our first test, a higher quality and quantity of the joining has been showed. Moreover, a thermodynamic model concludes that the energies involved in this experimental process are too low to imply any local heating: the joining, on 50% of the welding interface as things stand, is only achieved thanks local mechanical effects.
-Solid-state welding
-Aluminium
-Cold weldability
-Plain-strain compression
-Compression and cyclic torsion load
-Fea
-Tensorial and thermodynamic models
Source: http://www.theses.fr/2010EMSE0579/document

Sujets

• Fea

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 69
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 31 Mo

Extrait

NNT : 2010 EMSE 0579

THÈSE
présentée par

Olivier SIRET

pour obtenir le grade de
Docteur de l’École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne
Spécialité : Sciences et Génie des Matériaux

ÉTUDE DE LA SOUDABILITÉ À FROID
DES ALLIAGES D'ALUMINIUM :
INFLUENCE DE LA SOLLICITATION MÉCANIQUE
SUR LA CRÉATION DES JONCTIONS MÉTALLIQUES


soutenue à Saint-Etienne, le 12 octobre 2010

Membres du jury

Président : Régis BIGOT Professeur, Arts et Métiers ParisTech, Metz
Rapporteurs : András ELEÖD Professeur, Université des Sciences Techniques et
Economiques, Budapest, Hongrie
Mohamed RACHIK Maître de Conférences, UTC, Compiègne
Examinateur : Abdellatif IMAD Professeur, Polytech’Lille
Directeurs de thèse : Christophe Maître de Conférences, Ecole des Mines, St-Etienne
DESRAYAUD
3
Ali TOURABI Maître de Conférences, ENSE , Grenoble
Invitée : Sylvie DESCARTES Ingénieur de Recherche, INSA, Lyon
Spécialités doctorales : Responsables :
SCIENCES ET GENIE DES MATERIAUX J. DRIVER Directeur de recherche – Centre SMS
MECANIQUE ET INGENIERIE A. VAUTRIN Professeur – Centre SMS
GENIE DES PROCEDES G. THOMAS Professeur – Centre SPIN
SCIENCES DE LA TERRE B. GUY Maître de recherche – Centre SPIN
SCIENCES ET GENIE DE L’ENVIRONNEMENT J. BOURGOIS Professeur – Centre SITE
MATHEMATIQUES APPLIQUEES E. TOUBOUL Ingénieur – Centre G2I
INFORMATIQUE O. BOISSIER Professeur – Centre G2I
IMAGE, VISION, SIGNAL JC. PINOLI Professeur – Centre CIS
GENIE INDUSTRIEL P. BURLAT Professeur – Centre G2I
MICROELECTRONIQUE Ph. COLLOT Professeur – Centre CMP

Enseignants-chercheurs et chercheurs autorisés à diriger des thèses de doctorat (titulaires d’un doctorat d’État ou d’une HDR)
AVRIL Stéphane MA Mécanique & Ingénierie CIS
BATTON-HUBERT Mireille MA Sciences & Génie de l'Environnement SITE
BENABEN Patrick PR 1 Sciences & Génie des Matériaux CMP
BERNACHE-ASSOLLANT Didier PR 0 Génie des Procédés CIS
BIGOT Jean-Pierre MR Génie des Procédés SPIN
BILAL Essaïd DR Sciences de la Terre SPIN
BOISSIER Olivier PR 1 Informatique G2I
BORBELY Andras MR Sciences et Génie des Matériaux SMS
BOUCHER Xavier MA Génie Industriel G2I
BOUDAREL Marie-Reine PR 2 Génie Industriel DF
BOURGOIS Jacques PR 0 Sciences & Génie de l'Environnement SITE
BRODHAG Christian DR Sciences & Génie de l'Environnement SITE
BURLAT Patrick PR 2 Génie industriel G2I
COLLOT Philippe PR 1 Microélectronique CMP
COURNIL Michel PR 0 Génie des Procédés SPIN
DAUZERE-PERES Stéphane PR 1 Génie industriel CMP
DARRIEULAT Michel IGM Sciences & Génie des Matériaux SMS
DECHOMETS Roland PR 1 Sciences & Génie de l'Environnement SITE
DESRAYAUD Christophe MA Mécanique & Ingénierie SMS
DELAFOSSE David PR 1 Sciences & Génie des Matériaux SMS
DOLGUI Alexandre PR 1 Génie Industriel G2I
DRAPIER Sylvain PR 2 Mécanique & Ingénierie SMS
DRIVER Julian DR 0 Sciences & Génie des Matériaux SMS
FEILLET Dominique PR 2 Génie Industriel CMP
FOREST Bernard PR 1 Sciences & Génie des Matériaux CIS
FORMISYN Pascal PR 1 Sciences & Génie de l'Environnement SITE
FORTUNIER Roland PR 1 Sciences & Génie des Matériaux SMS
FRACZKIEWICZ Anna DR Sciences & Génie des Matériaux SMS
GARCIA Daniel MR Génie des Procédés SPIN
GIRARDOT Jean-Jacques MR Informatique G2I
GOEURIOT Dominique MR Sciences & Génie des Matériaux SMS
GRAILLOT Didier DR Sciences & Génie de l'Environnement SITE
GROSSEAU Philippe MR Génie des Procédés SPIN
GRUY Frédéric MR Génie des Procédés SPIN
GUY Bernard MR Sciences de la Terre SPIN
GUYONNET René DR Génie des Procédés SPIN
HERRI Jean-Michel PR 2 Génie des Procédés SPIN
INAL Karim PR 2 Microélectronique CMP
KLÖCKER Helmut DR Sciences & Génie des Matériaux SMS
LAFOREST Valérie CR Sciences & Génie de l'Environnement SITE
LERICHE Rodolphe CR CNRS Mécanique et Ingénierie SMS
LI Jean-Michel EC (CCI MP) Microélectronique CMP
LONDICHE Henry MR Sciences & Génie de l'Environnement SITE
MALLIARAS George Grégory PR 1 Microélectronique CMP
MOLIMARD Jérôme MA Mécanique et Ingénierie SMS
MONTHEILLET Frank DR 1 CNRS Sciences & Génie des Matériaux SMS
PERIER-CAMBY Laurent PR 2 Génie des Procédés SPIN
PIJOLAT Christophe PR 1 Génie des Procédés SPIN
PIJOLAT Michèle PR 1 Génie des Procédés SPIN
PINOLI Jean-Charles PR 0 Image, Vision, Signal CIS
STOLARZ Jacques CR Sciences & Génie des Matériaux SMS
SZAFNICKI Konrad MR Sciences & Génie de l'Environnement SITE
THOMAS Gérard PR 0 Génie des Procédés SPIN
TRIA Assia Microélectronique CMP
VALDIVIESO François MA Sciences & Génie des Matériaux SMS
VAUTRIN Alain PR 0 Mécanique & Ingénierie SMS
VIRICELLE Jean-Paul MR Génie des procédés SPIN
WOLSKI Krzysztof DR Sciences & Génie des Matériaux SMS
XIE Xiaolan PR 1 Génie industriel CIS

Glossaire : Centres :
PR 0 Professeur classe exceptionnelle SMS Sciences des Matériaux et des Structures
èrePR 1 Professeur 1 catégorie SPIN Sciences des Processus Industriels et Naturels
èmePR 2 Professeur 2 catégorie SITE Sciences Information et Technologies pour l’Environnement
MA(MDC) Maître assistant G2I Génie Industriel et Informatique
DR Directeur de recherche CMP Centre de Microélectronique de Provence
Ing. Ingénieur CIS Centre Ingénierie et Santé
MR(DR2) Maître de recherche
CR Chargé de recherche
EC Enseignant-chercheur
IGM Ingénieur général des mines
Dernière mise à jour le : 13 septembre 2010 Remerciements
En premier lieu, je tiens à remercier mes deux co-directeurs de thèse, Christophe et
Ali, pour m’avoir accordé leur confiance pour réaliser ce travail. Si mon environnement
de travail quotidien était le centre SMS de l’École des Mines, je remercie très chaleureu-
sement Ali pour son accueil et sa disponibilité lors de mes déplacements à Grenoble au
sein du labo 3S-R. Surtout quand on pense aux journées entières passées sur des essais
dont l’issue était plus qu’incertaine... Et si nous sommes arrivé à un résultat positif, c’est
notamment grâce aux précieuses et judicieuses recommandations de Christophe qui nous
a permis de pointer le curseur dans la bonne direction. Je vous remercie tous les deux
pour vos qualités à la fois professionnelles et humaines.
Je remercie tous les membres du jury et en particulier à Régis Bigot qui a eu la lourde
tâche de présider la soutenance en parlant au nom des deux membres du jury qui n’avaient
finalement pas pu se déplacer pour assister à la soutenance. Je remercie également Jérôme
Molimard pour m’avoir initié au monde de la recherche lors de la réalisation de mon DEA
en 2004 (et oui, déjà!). Une pensée également à Frank Montheillet et David Piot pour
leurs grandes compétences et esprits d’ouverture comme j’ai notamment pu le constater
lors de notre périple berlinois. Je remercie également tous les chercheurs que j’ai pu ren-
contrer et avec qui j’ai pu échanger, que ce soit à Saint-Etienne ou à Grenoble.
Je tiens aussi à exprimer ma gratitude aux personnes qui ont contribué dans la réalisa-
tion de mes travaux. Je pense en particulier la très grande qualité des travaux réalisés par
Marc, Gilles, Bernard et André à l’atelier de fabrication mécanique, qui plus est dans des
délais très rapides. De même, je remercie Gilles et Prisca pour la métallographie, Séverine
pour les essais de compression plane, Paul et Sergio pour les observations en microscopie
électronique. Je tiens enfin à remercier Muriel et Pierrette pour leurs aides au niveau des
tâches administratives.
Sur le plan personnel, ces quatre furent riches en rencontres et en bons moments, no-
tamment à mon arrivée grâce à Dimitri, Prisca et Jimmy, Quentin, Rébecca et Sylvain et
Jérôme. Je pense également à mes co-bureaux Emmanuel, puis Grégoire et enfin Joanna.
Et à tous ceux qui faisaient déjà partie des meubles (Olivier, Séb, Laurent, Alban, Adrien,
Fabrice) ou qui sont arrivés au fur et à mesure des années : Adeline, Rémi, Christophe,
Sergio