Etude expérimentale et simulation de soudures obtenues par procédé de frottement-malaxage (FSW) sur des alliages d'aluminium de la série 2000 PDF Download
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Author: Philippe Heurtier
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Languages : fr
Pages : 172
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Book Description
Le procédé de soudage par frottement malaxage (FSW) permet sans fusion de la matière l'assemblage de tôles aluminium de forte épaisseur. Les objectifs de cette étude étaient à travers une expertise de différents joints FSW, d'analyser l'influence des paramètres du soudage sur les principales caractéristiques de la soudure : dureté, microstructure, texture et état de précipitation afin d'établir des hypothèses sur la physique du procédé. Une modélisation thermomécanique, basée sur l'utilisation de trois champs de vitesse semi-analytique et la combinaison de deux sources de chaleurs, et microstructurale ont été mise en place afin de développer des outils de calcul capables de prévoir les caractéristiques des joints mais aussi de valider les différentes hypothèses réalisées lors de l'étude expérimentale. Parallèlement, à partir des résultats fournis par le modèle, des essais de torsion à chaud ont été effectués pour développer un moyen simple et rapide de prévision de la soudabilité d'un alliage.
Author: Philippe Heurtier
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Pages : 172
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Le procédé de soudage par frottement malaxage (FSW) permet sans fusion de la matière l'assemblage de tôles aluminium de forte épaisseur. Les objectifs de cette étude étaient à travers une expertise de différents joints FSW, d'analyser l'influence des paramètres du soudage sur les principales caractéristiques de la soudure : dureté, microstructure, texture et état de précipitation afin d'établir des hypothèses sur la physique du procédé. Une modélisation thermomécanique, basée sur l'utilisation de trois champs de vitesse semi-analytique et la combinaison de deux sources de chaleurs, et microstructurale ont été mise en place afin de développer des outils de calcul capables de prévoir les caractéristiques des joints mais aussi de valider les différentes hypothèses réalisées lors de l'étude expérimentale. Parallèlement, à partir des résultats fournis par le modèle, des essais de torsion à chaud ont été effectués pour développer un moyen simple et rapide de prévision de la soudabilité d'un alliage.
Author: Ammar Guedoiri
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Languages : fr
Pages : 0
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Le soudage par friction malaxage « Friction Stir Welding » est un procédé d'assemblage de pièces en phase semi solide. Le cordon de soudure est obtenu grâce à un outil de révolution composé d'un épaulement et d'un pion. Ce procédé utilise le principe de la conversion de l'énergie mécanique en énergie thermique par frottement de l'outil avec les pièces à assembler. Ce travail de thèse est une contribution à la modélisation expérimentale et à la simulation numérique de ce procédé permettant de fournir des modèles pour aider à la compréhension des phénomènes thermiques et mécaniques ainsi que les interactions entre les paramètres de soudage. Les études expérimentales sont principalement orientées vers la caractérisation de l'écoulement de matière à l'aide de marqueurs et vers l'optimisation des paramètres du procédé. L'effet de la géométrie de l'outil (outil à pion cylindrique ou outil avec méplats) sur l'écoulement de la matière au cours du soudage est étudié. Pour représenter la géométrie de l'écoulement et prédire les champs thermiques et mécaniques à l'état stationnaire, des modèles formulés sur la base de la dynamique des fluides sont adoptés dans la présente thèse. Deux modèles thermomécaniques sont développés: (1) un premier modèle numérique construit sous Fluent permet d'étudier le comportement thermomécanique et l'écoulement au cours du soudage FSW. Une loi de comportement dépendante de la température et de la vitesse de déformation est utilisée et une discussion sur les conditions de contact entre l'outil et les plaques à souder est présentée. Les résultats de l'écoulement sont comparés avec ceux obtenus expérimentalement dans le cas de suivi des trajectoires de particules de cuivre. (2) un deuxième modèle original basé sur une procédure itérative est mis en œuvre permettant le soudage de plaque de grandes dimensions. En effet, pour une meilleure prise en compte des conditions aux limites thermiques, un modèle thermomécanique construit autour de l'outil de soudage et couplé avec un modèle thermique pour tout le reste du domaine étudié. Ce modèle permet de prendre en compte le transfert de chaleur dans l'outil et dans la plaque support. Les cycles thermiques et la plage de viscosité pour deux alliages d'aluminium (AA7020-T6 et AA6061-T3) sont analysés et comparés avec succès aux résultats expérimentaux. Les efforts et le couple de soudage calculés numériquement sont validés par rapport à la littérature.
Author: Cécile Genevois
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Languages : fr
Pages : 195
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L’alliage 2024 (Al-Cu-Mg) est utilisé dans le cadre de l’allègement des structures de transport. Cependant, cet alliage est difficilement soudable par voie classique. Le soudage par friction malaxage (FSW) est un nouveau procédé permettant l’assemblage à l’état solide et donc de supprimer les défauts liés à la solidification. A travers cette étude, les microstructures de soudures FSW de cet alliage ont été finement caractérisées par SAXS, DSC, MET, MEB, EBSD et microscopie optique. Afin de mettre en évidence les interactions entre la déformation, la précipitation et la recristallisation qui ont lieu durant le soudage de l’alliage 2024, des expériences modèles ont été menées ainsi qu’une étude comparative entre l’alliage 2024 et l’alliage 5251. L’ensemble de la caractérisation des soudures et des expériences modèles permet de dégager les phénomènes métallurgiques pertinents contrôlant la résistance mécanique des joints soudés et leur microstructure. Par ailleurs, une caractérisation détaillées du comportement mécanique des joints soudés a été menée, validée par une modélisation aux éléments finis.
Author: Olivier Lorrain
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Pages : 118
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Le soudage par friction malaxage FSW est un procédé de soudage à l'état solide, sans fusion du matériau. La soudure est réalisée par l'action d'un outil composé d'un épaulement et d'un pion positionné à l'interface des deux pièces à souder. L'outil a deux rôles : échauffement de la matière par frottement de l'épaulement, malaxage de la matière par l'intermédiaire du pion. Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'un partenariat entre Arts et Métiers ParisTech et l'Institut de Soudure. Son objectif est de développer un modèle de simulation du FSW afin de réduire le nombre d'essais expérimentaux nécessaire à l'optimisation du procédé. Ainsi, plusieurs points ont été abordés dans ce manuscrit. Une analyse expérimentale des cycles thermiques et des mouvements de matière dans le cas où les pions sont non filetés a été menée. Cette situation permet (1) de faciliter la comparaison avec la simulation numérique et (2) de se placer dans les conditions de pions usés. L'analyse des formulations (lagrangienne, eulérienne et ALE) en vue de choisir celle la plus appropriée pour représenter les écoulements de matière a permis de retenir une formulation eulérienne (mise en œuvre dans le logiciel FLUENT) pour estimer les champs thermiques et de vitesses à l'état stationnaire. La mise en place d'un modèle numérique dans le logiciel FLUENT est présentée. Nous avons en particulier étudier l'influence des paramètres numériques sur les résultats et mis en place une stratégie d'identification de certains paramètres non accessibles expérimentalement. Une comparaison fine entre nos résultats expérimentaux et ceux issus des simulations a été effectuée avec succès. L'étude de l'impact des paramètres process (vitesse d'avance, vitesse de rotation) et de la géométrie du pion sur les champs thermiques et de vitesses a permis de mettre en évidence le lien entre les champs de vitesse et la présence de défauts de type tunnel.
Author: Hugo Robe
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L'allègement des structures est actuellement un enjeu industriel majeur. L'utilisation de certains alliages d'aluminium couplés à de nouveaux procédés d'assemblages est une bonne réponse à cette problématique. Le procédé de soudage FSW permet notamment la réalisation d'assemblages multi-matériaux en s'affranchissant des problèmes de fusion. Cette étude, réalisée au sein de l'entreprise TRA-C industrie, s'est intéressée plus particulièrement au cas du soudage FSW hétérogène d'alliages d'aluminium des séries 2xxx (Al-Cu-Mg-Ag) et 7xxx (Al-Zn-Mg), dans une large gamme de paramètres industriels. Les caractérisations des assemblages ont pu mettre en avant de fortes hétérogénéités microstructurales et mécaniques au travers des cordons. Ainsi la présence d'une zone faible, adoucie dans la ZAT du côté de l'alliage 7xxx, amène à favoriser la rupture en traction. Une évolution métallurgique importante déclenchée par le cycle thermique généré explique principalement ce phénomène. D'autre part, cette étude expérimentale a été couplée à des travaux de simulation numérique du procédé en configuration homogène. Le modèle éléments finis intègre, pour la première fois, la géométrie réelle et complexe (filetage, facettes, ...) de l'outil de soudage utilisé expérimentalement et est couplé à l'utilisation d'une technique de maillage mobile. Cette technique numérique a permis de s'affranchir intégralement des distorsions de mailles conséquentes souvent rencontrées, ainsi que de décrire fidèlement les effets thermomécaniques engendrés par l'outil de soudage. Une étude de sensibilité aux paramètres de soudage ainsi qu'aux matériaux soudés a démontré une excellente corrélation entre les cinétiques thermiques expérimentales et numériques tout en démontrant l'aspect prédictif du modèle.
Author: Emmanuel Hersent
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Le friction stir welding (FSW) est un procédé de soudage inventé en 1991 par l'institut de soudure anglais, le TWI. Celui-ci suscite un vif intérêt de la part de l'industrie aéronautique par sa capacité de souder les alliages d'aluminium de la série 2XXX et 7XXX, à durcissement structural, réputés pratiquement insoudables. Ce procédé étant relativement récent, il fait encore sujet de recherches actives. Ce travail a pour objectif de prévoir le profil de dureté d'un joint soudé par FSW d'un alliage d'aluminium, le 2024 T3. Cet alliage étant à durcissement structural, il est nécessaire de prévoir l'influence de la température sur l'évolution de la précipitation au cours du procédé pour en déduire sa limite d'élasticité. L'estimation du champ de température durant le régime stationnaire du procédé s'appuie sur des travaux internes au centre SMS. La prévision de la précipitation au cours du soudage est effectuée à l'aide de deux modèles. Le premier modèle, à base d'équivalence temps-températures, est une proposition d'extension aux alliages d'aluminium sous-revenu du modèle de Myhr & Grong (1991) établi dans le cas des alliages d'aluminium sur-revenu. Le deuxième modèle s'appuie sur une discrétisation de la distribution des rayons des précipités, suivant le schéma numérique de Kampmann et Wagner (1983), pour calculer ensuite son évolution. Bien que le premier modèle permette de prévoir l'évolution de la dureté au cours de recuits isothermes, les profils de dureté simulés ne sont pas en accord avec les profils expérimentaux. Seul le deuxième modèle permet une prévision raisonnable de la microstructure, en accord avec les mesures réalisées dans la thèse de Genevois (2004), et des profils de dureté proches des résultats expérimentaux. Finalement, une expression analytique en fonction des paramètres microstructuraux du flux de chaleur lors d'un essai de calorimétrie différentielle (DSC) a été établie. Celle-ci donne la possibilité de simuler un essai de DSC, et de vérifier ainsi la cohérence entre les grandeurs thermodynamiques et cinétiques introduites dans le deuxième modèle de précipitation.
Author: Rémi Bertrand
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Book Description
L'industrie des transports cherche constamment à rendre ses structures plus résistantes tout en réduisant leur poids pour minimiser leur empreinte environnementale ou bien dans un but économique. Dans ce contexte, associer les alliages d'aluminium, possédant un excellent ratio poids-résistance mécanique, à des procédés d'assemblage innovants présente un très fort intérêt. Le soudage par friction malaxage (Friction Stir Welding - FSW) est un de ces procédés d'assemblage innovants. Il permet notamment de souder des tôles d'alliage d'aluminium de nuances réputées à faible indice de soudabilité et dans des configurations similaires ou dissimilaires. Plusieurs configurations de soudage FSW ont été investiguées dans la littérature, mais la configuration FSW 2024-T3/2198-T8, très attrayante pour l'industrie aéronautique, n'a jamais été étudiée. Dans cette étude, une analyse expérimentale de cette configuration de soudage est proposée pour la première fois. L'influence de l'évolution des vitesses d'avance Va et de rotation Vr de l'outil sur l'évolution des caractéristiques des soudures est quantifiée. Dans la fenêtre process choisie, l'évolution de la thermique est principalement influencée par celle de la vitesse d'avance Va tandis que le ratio de vitesses R = Va/Vr est un bon indicateur de la physionomie des soudures, de la formation des défauts et des performances en traction. Le champ de dureté, les contraintes résiduelles, les distorsions et la tenue en corrosion des assemblages soudés sont quant à eux peu influencés par l'évolution des vitesses de soudage. Ces travaux ont permis de documenter la formation de défauts internes au sein des soudures, mais aussi de mettre en évidence la relation entre vitesses de soudage et performances en traction et enfin de proposer une hypothèse : la présence d'un phénomène de protection cathodique au sein des soudures.
Author: Abdelaziz Timesli
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Le procédé de soudage par friction et malaxage est un procédé récent qui a été développé au sein de l'institut de soudure britannique "The Welding Institute" au début des années 90. Ce procédé, utilisé généralement en aéronautique, est sans apport de matière et permet de souder principalement des alliages d'aluminium difficilement soudables par les procédés classiques de soudage. Il consiste à malaxer le matériau de base à l'aide d'un outil constitué d'un pion et d'un épaulement frottant sur les faces supérieures des tôles à souder. La modélisation de ce procédé est très complexe puisque ce dernier implique des couplages entre des phénomènes mécaniques, thermiques et métallurgiques. Le malaxage dans le procédé de soudage FSW est difficile à simuler à l'aide de la méthode des éléments finis (en lagrangien) puisque la zone proche de l'outil de soudage est le siège de grandes déformations. Donc le remaillage est nécessaire. Cependant, le remaillage est cher et très difficile pour les problèmes tridimensionnels. Par ailleurs, après un remaillage, il est nécessaire d'interpoler les champs (vitesses, contraintes,...) correspondant à la solution courante, ce qui peut introduire des erreurs supplémentaires dans le calcul (on parle de diffusion numérique). Nous proposons dans ce travail des modèles basés sur la méthode sans maillage dite "Smoothed Particle Hydrodynamics SPH" et la méthode des moindres carrés mobiles (Moving Least Square MLS) pour la simulation de ce procédé. Ces modèles sont formulés dans le cadre lagrangien et utilisent la forme forte des équations aux dérivées partielles. Le premier modèle basé sur SPH considère la zone de soudure comme un fluide non newtonien faiblement compressible et dont la viscosité dépend de la température. Ce modèle est proposé pour la simulation numérique du comportement thermomécanique d'un matériau soudé par le procédé FSW. Dans le deuxième modèle, un algorithme itératif implicite de premier ordre a été proposé, pour simuler le malaxage de la matière dans le cas d'un matériau viscoplastique, en utilisant la méthode MLS et la technique de collocation. Le troisième modèle est un algorithme implicite d'ordre élevé basée sur le couplage de la méthode MLS et la Méthode Asymptotique Numérique MAN. Cet algorithme permet de réduire le temps de calcul par rapport à l'algorithme itératif implicite de premier ordre. La validation de ces trois modèles proposés a été faite par le code industriel Fluent.
Author: Loreleï Commin
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Pages : 163
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Book Description
En raison de la faible densité des alliages de magnésium, un intérêt grandissant est apparu pour leur application dans l’industrie aéronautique. De ce fait, il s’est avéré nécessaire de développer l’assemblage de ces matériaux, notamment par des procédés de soudage innovants, tels le soudage par Friction malaxage (FSW) et le soudage laser. Le but de ce projet est d’étudier les relations entre les paramètres de soudage, les températures et les déformations générées et enfin la microstructure et le comportement mécanique des joints soudés. Ce projet fait partie du projet européen AEROMAG qui a pour objectif de promouvoir l'utilisation des alliages de magnésium corroyés dans l’industrie aéronautique. Les alliages étudiés sont l’AZ31, l'AZ61 et le WE43 sous forme de tôles de 2mm d’épaisseur. Le matériau de base présente une forte texture de fibre par rapport au plan basal. Les soudures ont été effectuées par FSW par laser Nd:YAG et par laser CO2. Le domaine de soudabilité opérationnel (DSO) a été déterminé pour chacun des procédés. Ensuite, l’analyse des joints soudés s’est plus spécialement focalisée sur les soudures optimisées d’AZ31. Une relation entre les paramètres de soudage et la microstructure des joints soudés a pu être trouvée. Le procédé de FSW entraîne une évolution de la microstructure et de l'état de contraintes résiduelles qui ont montré une influence déterminante sur le comportement mécanique des joints soudés. En ce qui concerne le soudage laser, l’influence prépondérante se situe dans l’évolution des textures et de l’état de précipitation. Des localisations de déformation assimilables à des bandes de cisaillement ont été identifiées dans chacun des procédés. Une comparaison a été menée en vue d'établir le procédé le mieux adapté à l'assemblage de tôles de magnésium laminées. Le FSW provoque une diminution très importante des propriétés mécaniques et l'utilisation de traitements thermique n'a pas permis de recouvrer les propriétés du matériau de base; tandis que les propriétés mécaniques des joints soudés laser après traitement thermique sont proches de celles du matériau de base. Une comparaison a été effectuée avec les propriétés mécaniques des joints soudés d’alliages de magnésium à durcissement structural (AZ61 et surtout WE43). Enfin, leur potentialité pour remplacer les alliages d’aluminium a été étudiée.
Author: François Gratecap
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Languages : fr
Pages : 418
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Book Description
Le procédé de soudage par frottement et malaxage ou friction stir welding (FSW) est un procédé récent, mais compte déjà un grand nombre d'études théoriques et expérimentales. Toutefois, sur le plan scientifique, de nombreuses interrogations demeurent notamment la dynamique du malaxage, la formation des composés lors du soudage hétérogène, les champs thermiques induits et intrinsèques, le couplage champs thermiques-dynamique et structural. Par ailleurs, le choix des vitesses de soudages et de la géométrie de l'outil se fait la plupart du temps de manière empirique sans réel fondement théorique. Enfin, la courte durée de vie de l'outil demeure le verrou technologique majeur pour les alliages durs. Les principaux objectifs abordés dans cette thèse sont les suivant : L’étude de l'influence d'une perturbation de la cinématique de l'outil sur le mouvement de la matière. Tout d'abord, à une échelle macroscopique où nous étudions l'écoulement de la matière, puis à une échelle microscopique où nous étudions l'effet de la vibration de l'outil sur le malaxage de la matière. La mise au point d’une méthodologie basée sur un algorithme d'optimisation permettant de définir la géométrie d'un outil conique et les vitesses de soudage optimales pour un matériau donné. Cette méthode permet d’aboutir à une zone de soudabilité. L’étude de la problématique du FSW hybride assisté laser diode. La mise au point d’une méthodologie basée sur un algorithme d'optimisation permettant de définir la géométrie d'un outil conique et les vitesses de soudage optimales pour un matériau donné. Cette méthode permet d’aboutir à une zone de soudabilité. L’étude de la problématique du FSW hybride assisté laser diode.
