Дисертації з теми "Soudage par friction et mélange (FSW)"

Une étude a été développée concernant le mécanisme de corrosion du magnésium pur. Ce métal a fait l'objet d'un nombre considérable de travaux et, malgré son ubiquité et son histoire, il reste controversé. Ceci est principalement dû à la présence de l'effet de différence négative (NDE), qui augmente la formation d'hydrogène lorsque le magnésium est polarisé sur le domaine anodique. Une analyse détaillée des spectres d'impédance électrochimique obtenus pour l'électrode de Mg lors de son immersion dans une solution de sulfate de sodium a été réalisée. Un modèle a été proposé qui prend en compte la présence de : (i) d'un mince film d'oxyde (MgO) qui a progressivement recouvert la surface de l'électrode de Mg, (ii) de zones sans film où la dissolution du Mg se produit en deux étapes consécutives, (iii) d'une épaisse couche de produits de corrosion (Mg(OH)2), (iv) d'un intermédiaire adsorbé Mg_ads^+ qui est responsable de la réaction chimique permettant d'expliquer le NDE. A partir des analyses des données d'impédance, différents paramètres ont été extraits tels que l'épaisseur du film d'oxyde mince, la résistivité à l'interface métal/film d'oxyde et à l'interface film d'oxyde/électrolyte, la surface active en fonction du temps d'exposition à l'électrolyte, l'épaisseur de la couche épaisse de Mg(OH)2 et les constantes cinétiques des réactions électrochimiques
A parallel study was developed regarding the corrosion mechanism of pure magnesium. It has been the subject of a considerable amount of work, and despite its ubiquity and history, it remains controversial. This is mainly due to the presence of the negative difference effect (NDE), which increases hydrogen formation when the magnesium is biased on the anodic domain. We was performed a detailed analysis of the electrochemical impedance spectra obtained for the Mg electrode during immersion in a sodium sulfate solution. A model was proposed which took into account the presence of: (i) a thin oxide film (MgO) which progressively covered the Mg electrode surface, (ii) film-free areas where the Mg dissolution occurs in two consecutive steps, (iii) a thick layer of corrosion products (Mg(OH)2), (iv) an adsorbed intermediate Mg_ads^+ which is responsible for the chemical reaction allowing the NDE to be explained. From the impedance data analyses, various parameters were extracted such as the thin oxide film thickness, the resistivity at the metal/oxide film interface and at the oxide film/electrolyte interface, the active surface area as a function of the exposure time to the electrolyte, the thickness of the thick Mg(OH)2 layer and the kinetic constants of the electrochemical reactions

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
The Friction Stir Welding (FSW) is a solid state welding process, without melting. The weld is fabricated thanks to the action of tool made of a shoulder and a pin, positioned at the interface of the two pieces to be welded. The tool as two roles : heating of the material by friction of the shoulder, mixing of the material due to the pin. This thesis work is made within the partnership between Arts et Métiers ParisTech and Institut de Soudure. Its goal is to develop a FSW simulation model in order to decrease experimental trials required to optimize the process. Therefore, some points have been treated in this manuscript. Experimental analysis of thermal cycles and material movements in the case of unthreaded tools has been carried out. This situation allows (1) to make the comparison with numerical simulation easier and (2) to be in the case of worn tools. Formulations (lagrangian, eulerian, ALE) analysis in order to choose the more appropriate to take material flow into account has allowed to select an eulerian formulation (implemented in the FLUENT software) to estimate thermal and kinematical fields in the steady state. The set up of the numerical model in the FLUENT software is presented. We have studied the influence of numerical parameters on the results and proposed an identification strategy for some parameters which are not reachable experimentally. A detailed comparison between our experimental results and the ones from our simulations have been performed with success. The study of the influence of the process parameters (feed rate, rotating speed) and of the pin geometry on the kinematical and thermal fields has highlighted the link between velocity field and the presence of tunnel type defects

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
The lightweight structures optimisation is one of the main topics in transportation industry. It can be achieved by optimisation of materials as well as induced assembly process. As a solid-state process, Friction Stir Welding (FSW) allows to produce dissimilar materials joining while avoiding fusion defects. This work focused on the dissimilar welding of aluminium alloys from 2xxx (Al-Cu-Mg-Ag) and 7xxx (Al-Zn-Mg) series in an industrial context. Joints characterizations were conducted at multiple scales to understand parameters impact on material flow, joint morphology, and performances. They have shown large heterogeneities in the microstructure as well as the global and local mechanical behaviour. Whatever the welding parameters used, good mechanical performance has been reached. A specific softened zone has been detected in the 7xxx alloy’s HAZ which caused fracture during transverse tensile test. Significant metallurgical evolution induced by thermal cycles mainly explains these phenomena.On the other hand, simulation works were also conducted to simulate the welding process in similar material configuration. The finite elements model integrates, for the first time, the real and complex tool design (thread, flats…). Complex geometry can be used by coupling with a specific moving mesh technique. This numerical development completely overcomes the consequent mesh distortion often encountered in FSW simulation. The current model presents good sensitivity and robustness for several welding conditions and materials. It also demonstrates an excellent correlation between experimental and numerical thermal fields while revealing the predictive aspect of the model

La présente étude s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche portant sur le soudage par friction malaxage (Friction Stir Welding, FSW) d’une configuration bimétallique d’un alliage d’Aluminium 6061-T6 (Al) et d’un alliage de Magnésium AZ31B (Mg). Le but de cette investigation est d’optimiser les paramètres de soudage FSW pour l’amélioration des propriétés mécaniques des structures soudées. Le travail préliminaire a ciblé la détermination des propriétés microstructurales et mécaniques des deux matériaux de base utilisés. A ce niveau, l’influence de la température et de la vitesse de déformation a été analysée via des essais de traction monotone. Une étude paramétrique a permis un couplage entre le procédé de soudage FSW et la qualité des joints soudés en termes de microstructure et de propriétés mécaniques. Ainsi, les La morphologie des joints soudés a été mise en évidence en vue de mieux comprendre le flux de matière lors du procédé FSW d’un multi matériau. De plus, des observations fines microstructurales ont permis de mettre en évidence les évolutions de la taille des grains, de la micro dureté et de la texture des différentes zones définissant un joint soudé. Une analyse micrographique des faciès de rupture, réalisée à l’aide d’un microscope électronique à balayage (MEB), a contribué à mieux cerner les mécanismes d’endommagement
This study is part of a research project initiated by Texas A&M University in Qatar and the American University of Beirut on characterizing the mechanical and microstructural properties of friction sit welded bimetallic joints. The current researched work focused on two of the materials proposed in the initial project, namely, the 6061-T6 aluminum alloy (Al) and an AZ31B magnesium alloy (Mg). Therefore, the purpose of this investigation is to optimize the friction stir welding parameters of similar and dissimilar materials in the aim to improve the mechanical properties of welded structures. The preliminary work focused on the investigation of the microstructural and mechanical properties of the two studied base materials. In what followed, the properties of the welded parts were studied by analyzing the influence of the temperature and the strain rate via monotonous tensile tests and by analyzing the microstructural and textural properties

Les assemblages soudés sont de plus en plus envisagés pour remplacer les assemblages par rivetage dans l’objectif d’alléger les structures aéronautiques. La technique de soudage par Friction Stir Welding (FSW) est la solution choisie pour souder sans apport extérieur de matière et en phase solide. Des assemblages soudés autogènes et hétérogènes d’alliages d’aluminium des familles 2XXX (Al-Cu-Mg et Al-Cu-Li) et 7XXX (Al-Zn-Mg) ont été étudiés. La sensibilité à la corrosion de ces soudures et leur tenue mécanique sous l’effet de l’environnement ont été évaluées avec une approche multi-échelle. Pour cela, des essais normalisés de corrosion ont d’abord été réalisés, suivis d’une analyse plus fine par des techniques électrochimiques locales qui a permis de quantifier la réactivité des différentes zones de la soudure. D’autre part, une analyse microstructurale a permis d’expliquer les comportements en corrosion de chacune de ces zones. Nous avons ainsi montré que, dans le cas des soudures autogènes, la microstructure était responsable des phénomènes de corrosion localisée tandis que, dans le cas des soudures hétérogènes, l’attaque était plus homogène sous l’effet de couplages galvaniques macroscopiques
In order to lighten aircraft structures, welded joints are more and more considered to replace riveted joints. The Friction Stir welding process is the appropriate solution to join without addition of outer material and in semi-solid phase. Similar and dissimilar welded joints of 2XXX (Al-Cu-Mg and Al-Cu-Li) and 7XXX (Al-Zn-Cu) aluminium alloys were studied. Corrosion sensitivity of these welds and their stress corrosion cracking were evaluated with a multiscale approach. For this, first, normalized corrosion tests were performed; then, a finer analysis was carried out using local electrochemical techniques which allows to quantitate the reactivity of the different weld zones. In other hand, a microstructural analysis allowed to explain corrosion behaviours of each weld zone. We showed localized corrosion phenomena were restricted in the similar FSW joints because of microstructural heterogeneities whereas attack in dissimilar welds was more homogeneous under the effect of macroscopic galvanic coupling

Le soudage FSW (Friction Stir Welding) est un procédé de soudage à l’état solide appliqué aujourd’hui dans les secteurs des transports aérospatial, naval et ferroviaire. Il présente l’avantage de fournir des soudures aux propriétés mécaniques meilleures que celles des procédés de soudage par fusion de la matière. La plupart des études menées sur ce procédé concernent les alliages d’aluminium. Ce travail porte sur l’étude des phénomènes thermomécaniques et métallurgiques pendant le procédé de soudage FSW du TA6V. L’influence de la microstructure initiale sur les propriétés mécaniques et la microstructure finale est étudiée à travers une étude expérimentale. La ZAT et la ZATM des soudures ont une très faible épaisseur et les soudures ne présentent pas de zone de fragilité. La genèse de la microstructure pendant le soudage a été identifiée et s’articule en trois points: changement de phase α → β, recristallisation dynamique continue de la phase β, formation de grains α à l’intérieur des grains β recristallisés. Afin de mettre en place un modèle permettant de prédire la microstructure dans le noyau de la soudure, des essais de torsion à chaud ont été réalisés pour déterminer les propriétés rhéologiques du TA6V. Ces essais ont aussi permis de mettre en place une loi de comportement analytique du TA6V. Les champs de vitesse sont formulés analytiquement à partir des équations de la mécanique des fluides et les champs thermiques sont déterminés numériquement à partir d’une formulation eulérienne
Friction Stir Welding (FSW) is a solid state welding process used today in the aerospace, naval and rail transport sectors. It has the advantage of providing welds with better mechanical properties than fusion welding processes. Most of studies carried out on this process concern aluminum alloys. This work focuses on the study of thermomechanical and metallurgical phenomena during FSW of the Ti-6Al-4V alloy. The influence of the initial microstructure on the mechanical properties and the final microstructure is studied through an experimental study. The HAZ and TMAZ of the welds are very thin and the welds didn’t present any weak zone. The genesis of the microstructure during the process has been identified and is made up with three main steps: α → β phase change, continuous dynamic recrystallization of the β phase and formation of α grains within the recrystallized β grains. In order to set up a model to predict the microstructure in the weld nugget, hot torsion tests were performed to determine the rheological properties of TA6V. These tests also made it possible to set up an analytical behavior law of Ti-6Al-4V. The velocity fields during FSW are formulated analytically from the equations of fluid mechanics and thermal fields are determined numerically from a eulerian formulation

Le procédé de soudage par friction malaxage (FSW) entraîne, d’une manière générale, une importante chute de dureté à travers le joint soudé. Dans le but de concevoir des structures aéronautiques soudées par FSW en fatigue, il est nécessaire de connaître l’impact de cette chute de dureté dans le comportement mécanique global de la soudure. Dans ces travaux, l’alliage d’aluminium à durcissement structural 2198-T8 est considéré. Une chaîne de calcul de durée de vie en fatigue d’une structure soudée par FSW est mise en place. Elle intègre un couplage de calculs et d’expériences grâce auxquels le comportement mécanique de la structure est modélisé. Dans un premier temps, le gradient de comportement mécanique de la soudure est étudié. Des essais mécaniques de traction et cycliques sont réalisés à température ambiante. La méthode de corrélation d’images numériques (DIC) est utilisée dans le but de mesurer les champs de déplacements localement dans et au voisinage du joint soudé. À partir des résultats expérimentaux, les paramètres mécaniques d’un modèle de comportement sont identifiés à partir d’un élément de volume, zone par zone à travers le joint soudé. En parallèle, une quantification des précipités durcissants T1 (Al2CuLi) est menée dans différentes zones du joint soudé à l’aide d’un Microscope Electronique en Transmission (MET). Un lien entre l’évolution de la microstructure à travers la soudure et l’évolution des paramètres mécaniques est recherché. Le modèle de comportement mécanique est utilisé sur des calculs de structure utilisant la méthode des éléments finis pour simuler le joint soudé. En parallèle, des essais de fatigue sont réalisés sur des éprouvettes uniaxiales et cruciformes soumises à des chargements uniaxiaux et multiaxiaux. À l’aide des simulations du gradient de comportement mécanique du joint soudé ainsi que des résultats mesurés en fatigue, les paramètres d’un modèle d’endommagement sont identifiés. Ce modèle est utilisé pour prédire les durées de vie en fatigue et les zones d’amorçages de fissure pour une structure soudée soumise à des chargements multiaxiaux
The Friction Stir Welding (FSW) process generally induces a critical hardness decrease inside the welded joint. To design aeronautical structure welded by FSW in fatigue, it is then necessary to know the impact of this hardness drop on the constitutive behaviour of the junction. In this study, the hardening structural aluminium alloy 2198-T8 is considered.A fatigue lifetime assessment loop of a welded structure is implemented. It integrates a calculations and experiments coupling which is used to model the structure’s mechanical behaviour. The gradient mechanical behaviour of the weldment is initially studied.Monotonic and cyclic mechanical tests are carried out to room temperature. Digital Image Correlation (DIC) is used to measure local displacement fields around the junction. Based on this experimental data, mechanical parameters for a constitutive model are identified on a volume element, zone by zone across the welded joint. In parallel, a quantification of the T1 (Al2CuLi) strengthening precipitates is realized in different region of the joint with a Transmission Electron Microscope. A connection between the microstructure evolution and the mechanical parameters is researched. The gradient mechanical behaviour of the joint is assessed on a 3D structure by Finite Element Analysis. Furthermore, fatigue tests are carried out on uniaxial and multiaxial loadings welded specimen. Thanks to the mechanical behaviour model and the fatigue lifetime measured, a damage model is used to predict the fatigue lifetime and the crack initiation zone for a welded structure which is subjected to higher multiaxial loads

Le soudage FSW (Friction Stir Welding) est un procédé de soudage en phase solide pressenti pour des applications de transport en générale aérospatial et naval. Malgré le nombre considérable d’études qui ont été réalisées depuis son avènement en 1991, le contrôle du procédé n’est pas encore effectif.Ce travail a consisté en une partie expérimentale visant à la génération, par un outil trigone, de joints soudés dont la microstructure a été corrélée à l’écoulement de matière pendant le procédé. La connaissance de cet écoulement de matière a permis dans la deuxième partie d’enrichir le modèle thermofluide développé en périodique pour prédire la microstructure des joints de soudure FSW, notamment les "onion rings". Finalement, l’occurrence des "onion rings" a été corrélée à la vitesse de déformation maximale atteinte par les particules de la zone soudée, prédite par le modèle. Par ailleurs, un travail d’affinement du champ de vitesse en voisinage du pion est réalisé en modélisant l’outil trigone. Ce qui permet en plus de l’interaction (entrainement) outil/matière par frottement, d’intégrer une interaction par obstacle. Cette approche devrait permettre, en perspectives de ce travail, une meilleur description thermomécanique locale et par voie de conséquence microstructurale
Friction Stir Welding is a solid state joining process developed for transport applications as aerospace and naval. Since its introduction, a large number of investigations have been carried out but the process is not fully controlled. This work including experimental section in which welds have been generated by trigonal tool. The microstructure of these welds has been correlated with the material flow during the process. By understanding the material flow, the transient thermofluid model developed in the second section has been significantly enriched. This modeled has been developed for predicting the microstructure of the weld, especially, the "onion rings". Finally, the occurrence of "onion rings" has been correlated with the maximal strain rate reached by any particle in the weld seam, simulated by the model. However, the velocity has been refined at the vicinity of the tool through the trigonal pin modelling. This was helpful to move the material not only by friction but also by obstacle at the interaction tool/material. The above approach should enable, in this work layout, a better local thermomechanical description and consequently microstructural

Dans le domaine aéronautique, le soudage par friction-malaxage (FSW – Friction Stir Welding) apparait comme un procédé innovant d’assemblage des fuselages, allégeant la structure avion en remplaçant la technique actuelle de rivetage. La simulation numérique est un support permettant de mieux comprendre et maîtriser ce procédé. L’alliage d’aluminium étudié dans ce projet est de type AA2024-T3 et tire principalement ses propriétés du durcissement structural. Modéliser l’évolution de la précipitation s’avère essentiel pour définir les propriétés finales de la soudure. Le modèle choisi doit prendre en considération les familles de précipités formés et les processus de germination, croissance et coalescence. Il doit être précis, robuste et rapide pour être applicable au procédé FSW. Un modèle de classe couplé à des calculs d’équilibre thermodynamiques a été choisi dans cette étude. Pour définir la cinétique de croissance d’un précipité, une cinétique de croissance initialement établie pour un alliage binaire a été étendue à un alliage multicomposé. Connaissant la distribution en taille des familles de précipités, les propriétés mécaniques sont définies selon un modèle empirique. La calibration anisotherme a été réalisée via un essai de DSC où signaux expérimentaux et simulés ont été comparés pour déterminer la teneur initiale des phases en présence et définir les paramètres matériaux de l’alliage. L’essai isotherme a établi le lien entre état de précipitation et propriétés mécaniques résultantes. Le modèle est appliqué à la simulation des évolutions microstructurales au cours d’une soudure FSW afin de prédire les propriétés finales du joint soudé. Les évolutions thermiques sont déterminées via l’utilisation d’un modèle macroscopique développé parallèlement dans une thèse, également portée par la Chaire Daher. Les données numériques obtenues sont comparées à des expériences instrumentées, montrant une bonne estimation des duretés. Les profils expérimentaux sont retrouvés, de même que les caractéristiques des différents domaines, validant l’approche et sa capacité à simuler efficacement les évolutions des processus de précipitation
In the aeronautic industry, the friction stir welding (FSW) process is seen as an interesting option to lighten aircraft structure by replacing the standard riveting technology used to join parts. Numerical simulation is chosen to improve understanding of the different mechanisms occurring during FSW. The aluminum alloy studied is an AA2024-T3 grade. Its mechanical properties mainly derive from structural hardening mechanisms. An accurate model of precipitate evolution is essential to define hardness profile of the weld. The chosen simulation has to be robust and time-efficient in order to be suitable for the FSW process modeling. It must consider the two families of precipitates (GPB zones and S phase) and model nucleation, growth and coarsening phenomena. A PSD model is chosen and coupled with thermodynamic equilibrium calculations. To define the growth kinetics of precipitates, an exact analytical solution is extended to a multi-component alloy. Knowing the distribution of precipitates size, the mechanical properties are defined based on an empirical model. The amount and properties of phases are initialized through non-isothermal DSC calibration and comparison between experimental heat flux and simulated one. Isothermal test is selected to establish the link between precipitation state and mechanical properties. The model is applied to the simulation of microstructural evolution in FSW in order to predict the final properties of the weld. Thermal changes are determined through the use of a macroscopic model developed during a twin project within the Chair Daher. Numerical results are compared with instrumented experiments and show a good estimate of hardness. The experimental profiles are found, as well as the characteristics of the different areas. This validates the approach and its efficiency to simulate the evolution of the precipitation process

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.

Le soudage par friction malaxage (FSW) est un procédé de soudage innovant pour les matériaux à bas point de fusion (aluminium, cuivre…). Il a été breveté en 1992 par l’organisme anglais The Welding Institute (TWI). Depuis plusieurs années, celui-ci se développe dans l’industrie en cherchant à réduire son coût d’investissement. Le principe du FSW est de réaliser un cordon de soudure grâce à un outil animé d’un mouvement de rotation et d’avance. Les niveaux d’efforts et de précision requis contraignent à l’utilisation de machines cartésiennes de grande envergure. L’utilisation des robots industriels est un moyen de réduire les coûts, mais ils ne sont pas conçus pour ce genre d’applications et leur inconvénient majeur réside dans leur manque de rigidité. Ainsi, lorsque l’outil entre en contact avec les pièces à assembler, celui-ci peut dévier de plusieurs millimètres dans différentes directions de l’espace, rendant la mise en oeuvre d’une compensation de la trajectoire du robot obligatoire afin d’obtenir des soudures sans défauts. Le but de cette thèse a été de développer un procédé robotisé robuste. Le premier objectif est la mise en oeuvre d’une commande en effort robuste. En effet, en FSW, le maintien d’un effort axial constant est obligatoire. Le contrôle de cet effort permet de compenser la déviation axiale de l’outil et les défauts de mise en position des pièces à souder. Ainsi, une démarche d’identification et de modélisation afin de créer une commande en effort a été mise en oeuvre. La commande est définie de manière robuste afin d’éviter les réglages de l’asservissement lorsque les outils, les paramètres de soudage ou les trajectoires du robot changent. Une validation expérimentale complète a été réalisée dans le contexte du FSW. Le second objectif de cette thèse a été de développer une compensation de la déviation latérale de l’outil. Contrairement à l’objectif précédent, il n’y a pas d’effort à maintenir pour compenser cette déviation latérale. Dans l’industrie, cette déviation peut être compensée à l’aide d’un système de vision, mais ce dernier comporte de nombreux inconvénients en FSW (réflexion de l’aluminium, non visibilité du joint, coût, mise en oeuvre complexe). Ainsi, dans cette partie, un algorithme de compensation temps réel de la déviation latérale de l’outil a été mis en oeuvre. Celui-ci repose sur l’identification d’un modèle élasto-statique du robot. L’algorithme de compensation de la déviation latérale de l’outil a été couplé à la commande en effort et validé expérimentalement en FSW. La différence avec la majorité des travaux de recherche dans ce domaine est que les procédures d’identification n’utilisent pas de système de mesure 3D (photogrammétrie CCD ou laser de poursuite) dont le coût est un frein indéniable pour beaucoup d’industriels. La démarche est simple à mettre en oeuvre sur un robot industriel du marché actuel, et applicable pour d’autres procédés à contact comme l’usinage ou le polissage
Friction Stir Welding (FSW) is an innovative welding process for materials with a low melting point (aluminium, copper…). It was patented in 1992 by the English organization The Welding Institute (TWI). For many years, an effort is done to reduce the investment cost for industrial applications. FSW process involves a rotating tool advancing along a path. Currently, gantry-type CNC systems are using for FSW manufacturing. These machines offer a high stiffness and can tolerate the forces during FSW in order to carry out a good weld quality. Industrials robots can reduce the investment cost; however they are not design for these applications. The main limitation is the low stiffness of the robot structure. Consequently, the robot deformation under the high process forces causes tool deviations about several millimeters. The robot path has to be compensated in order to obtain a good weld quality. The aim of this thesis is to develop a robust robotized process. The first goal is to realize a robust force control. During FSW, a constant axial forging force should be applied. Axial tool deviation is compensated with the force control approach. In this way, a modeling and identification method is done in order to design a force controller. The force controller is robust because no tuning is required, even if welding parameters or robot paths change. An experimental validation in FSW is done. The second goal is to realize a compensation of the lateral tool deviation. Unlike the axial deformation, there is no force to maintain for compensate this deviation. In industry, the lateral tool deviation could be compensated with a camera or laser sensor in order to track the weld seam path during welding. However, the cost of a seam tracking device, the aluminium reflexion and the lack of visibility in lap joint configuration are significant drawbacks. In this chapter, a compensation algorithm is designed. An elastostatic model of the robot is used to estimate in real time the deflection of the robot TCP. The compensation algorithm is coupled with the force controller defined previously. Compare with others research works about this topic, identification methods don’t need a 3D measurement system (CCD camera or laser tracker). The cost of such system is a main drawback for industrial applications. In this thesis, identification methods are easy to implement in an industrial robot and available for others processes like machining or polishing

Ces travaux de thèse portent sur le soudage par friction-malaxage hétérogène entre le titane (Ti grade II) et l'aluminium (Al1050). La recherche est axée sur la configuration de l'assemblage par recouvrement afin de limiter les contraintes pendant le procédé. La méthode de plans d'expérience de Taguchi a permis de déterminer l'influence des paramètres pour une jonction sans défaut. La vitesse de rotation de l'outil a été identifiée comme le paramètre influençant le plus la génération de défauts. Les combinaisons de paramètres sont liées à un coefficient d'apport de chaleur. La différence de conductivité thermique entre les deux matériaux conduit à un gradient thermique dans l'épaisseur jusqu'à 80°C. Aucune optimisation de la résistance mécanique des jonctions n'a été révélée par les tests de traction et de flexion trois points.Des analyses microstructurales ont été réalisées sur la jonction soudée afin de mieux comprendre les propriétés mécaniques. Un seul composé intermétallique TiAl3 se forme dans le volume de titane et assure la continuité chimique de l'interface. D'autres analyses par EBSD (MEB) et par la méthode ASTAR™ (MET) pour les plus petites échelles ont complété les observations. Le processus génère une déformation plastique sévère de l'aluminium qui induit une réduction de la taille des grains avec un gradient suivant l'épaisseur.Toutes les observations ont fournis des moyens pour comprendre le phénomène de soudage par friction-malaxage conduisant à une évolution microstructurale pour réaliser un meilleur lien entre la microstructure finale et les propriétés macroscopiques du cordon de soudure
These PhD works are about heterogeneous friction stir welding between titanium (Ti grade II) and aluminum (AA1050). Research is focused on lap joining configuration in order to limit the process stress. Taguchi's design of experiments determined parameters influence for a defectless welded junction. The rotational speed of the tool has been identified as the parameter which influences the most the defects generation. Parameters combinations are linked to a heat input coefficient. The thermal conductivity difference between the two material leads to a thermal gradient in the thickness up to 80°C. No junction mechanical strength optimization has been revealed by tensile and bending tests.Microstructural analyses were performed on the welded junction in order to understand the mechanical properties. One single intermetallic compound TiAl3 nucleates in the titanium volume and ensures interface chemical continuity. Further analyses with EBSD (SEM) supplemented by ASTAR™ (TEM) method for the smaller scales have completed the observations. The process generates aluminum severe plastic deformation which induces a grain size reduction with a gradient following the configuration thicknessAll observations brought clues to understand friction stir welding phenomenon leading to microstructural evolution to realize a better link between resulting microstructure and macroscopic properties

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.

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.

Le soudage par friction malaxage est un procédé prometteur pour l'industrie. Dans plusieurs cas, il se présente comme un concurrent potentiel des procédés d'assemblage tel que le rivetage et les procédés de soudage traditionnels. L'obstacle majeur de son industrialisation est le choix des paramètres opératoires du FSW. Ce dernier nécessite la maîtrise de la physique d'interaction outil/matière ainsi que les liens entre la qualité des cordons FSW et les paramètres du procédé. Dans ce cadre, nous exploitons des méthodes expérimentales et numériques afin de comprendre les phénomènes thermomécaniques provoqués par l'interaction outil/matière au cours du soudage. Dans un premier temps, nous avons étudié l'aspect mécanique du procédé à travers l'étude des efforts mécaniques en FSW et de l'écoulement de matière autour de l'outil. Une campagne d'essais a été réalisée pour étudier l'aspect énergétique à travers l'étude des torseurs des actions mécanique et cinématique entre l'outil FSW et la matière soudée. Pour l'aspect rhéologique du procédé, nous avons proposé, d'un part, un modèle numérique simple permettant de simuler l'écoulement laminaire autour d'un cylindre très représentatif du procédé. D'autre part, par le biais d'une modélisation analogique se basant sur les règles de similitude, nous avons utilisé la plasticine comme matériau modèle pour simuler les écoulements en FSW. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'aspect thermique du procédé. Un environnement expérimental original a été réalisé pour mesurer la température dans l'outil, les relevés de température ont été effectués à l'aide de thermocouples logés dans des positions bien définies au sein même de l'outil FSW. Pour identifier les flux thermiques échangés entre l'outil et la matière nous avons présenté une méthodologie appropriée permettant une estimation des flux dans les différentes parties de l'outil. Finalement, à travers des essais de caractérisation du joint de soudure FSW tels que les essais de traction et les observations microstructurales, nous avons pu expliquer quelques liens entre la qualité du joint, les écoulements, les flux thermiques et les paramètres opératoires.