Les différentes étapes du soudage de composites thermoplastiques

Les différentes étapes du soudage de composites thermoplastiques

Les fixations mécaniques et le collage Les méthodes d’assemblage auxquelles l’industrie métallurgique a recourt ne sont pas directement transférables aux matériaux composites selon Schwartz (1994) et Strong (1993) cités dans Ageorges, Ye et Hou (2001, p. 839). Le Tableau 1-1 présente une liste illustrant les désavantages des fixations mécaniques dans un assemblage impliquant des pièces de composites. Les composites thermodurcissables sont généralement assemblés par collage. Cependant, ce procédé nécessite une préparation de surface importante et un temps de durcissement relativement long (Ahmed et al., 2006, p. 1638; Silverman et Griese, 1989, pp. 34-38). Todd (1990, pp. 383-392) mentionne qu’il est difficile, dans un milieu industriel, de parvenir à contrôler le résultat des collages. S’il est bâclé, il y aura une incidence négative directe sur la résistance et la durabilité du joint (Ingram et Ramani, 1997, pp. 39-45; Venables, 1984, pp. 2431-2453). Par ailleurs, selon Matthew (1986), cité dans Whitworth et al. (1995, p. 86), la résistance du collage décroît lorsque celui-ci est soumis à un environnement agressif. De plus, selon Xiao, Hoa et Street (1990, p. 37), l’opération de collage est moins efficace avec les thermoplastiques puisqu’en général, l’époxy est moins compatible avec les thermoplastiques. Finalement, l’argument le plus significatif pour trouver une alternative au collage est l’impossibilité de certifier ce procédé dans le domaine aérospatial puisqu’il est difficile de vérifier sa qualité avec des techniques d’inspection non destructives (Barroeta- Robles, Cole et Sands, 2010; Gardiner, 2014).

Mécanismes de chauffe

Il y a deux foyers de génération de chaleur dans le cas d’un stratifié de fibre de carbone comportant suffisamment de boucles de courant pour être chauffé. Il y a la fibre elle-même et les jonctions entre celles-ci (Voir Figure 1-3). La fibre elle-même subit des pertes de Joule. De leur côté, les pertes diélectriques et les pertes causées par les résistances de contact surviennent aux jonctions des fibres (Yarlagadda et al., 2002). L’effet Joule dans la fibre a été exploré en profondeur par Miller et al. (1990). La génération de chaleur dépend alors de la longueur de la fibre, de la superficie de la section transversale ainsi que de la résistivité du matériau. Mitschang, Rudolf et Neitzel (2002, p. 129) ont effectué une étude simple afin d’établir que ce mécanisme est dominant par rapport aux autres. Il s’agit d’une expérimentation très simple qui consiste à comparer la chauffe par induction d’abord sur un laminé de tissus de carbone consolidés et, par la suite, sur la fibre carbone sans matrice. Une faible différence de température a été relevée entre les deux types d’échantillon. Mitschang, Rudolf et Neitzel (2002, p. 129) en ont conclu que la chauffe était exclusivement générée dans la fibre et aux jonctions de celles-ci.

En effet, puisque la chauffe était similaire sans matrice, ils en ont déduit que les pertes diélectriques étaient négligeables. Cependant, Fink, McCullough et Gillespie (1992, p. 366) ont démontré que les pertes d’hystérésis diélectriques étaient dominantes. Selon eux, les fibres ne se touchent pas suffisamment pour établir un bon contact et une différence de potentiel est créée entre les fibres. À partir de cette base, ils ont simplifié le stratifié constitué de fibre unidirectionnelle en modélisant un circuit électrique contenant des condensateurs et des résistances tel qu’illustré à la Figure 1-4 (Yarlagadda et al., 2002, pp. 404-405). Fink, McCullough et Gillespie (1992, p. 368) ont mené des expérimentations qui ont permis d’établir que pour un stratifié constitué de fibre unidirectionnelle ayant des matrices différentes, la génération de chaleur est différente. Les auteurs en ont conclu que la génération de chaleur serait largement influencée par la matrice plutôt que par la fibre. Afin d’obtenir la meilleure génération de chaleur par pertes diélectriques, il est nécessaire que l’épaisseur des plis au-dessus et en dessous du joint ainsi que la fraction volumique de la fibre soient les plus élevées possible. De plus, l’épaisseur de la résine entre les plis de fibre et le diamètre de ces dernières doivent être les plus faibles possible (Fink, McCullough et Gillespie, 2000, p. 23).

Il est important de noter que ces expérimentations ont été produites avec des paramètres et des conditions d’expérimentation largement différents que ceux utilisés par Mitschang, Rudolf et Neitzel (2002, p. 129) tel que l’architecture des laminés. Par exemple, ces derniers ont utilisé un tissu de fibre de carbone alors que Fink, McCullough et Gillespie (1992, p. 363) ont utilisé de la fibre unidirectionnelle. Il n’est donc pas possible de comparer directement les résultats de ces deux études. Contrairement au cas précédent, les pertes par résistances de contact prennent en compte un bon contact aux jonctions des fibres. Ces jonctions sont possibles entre les plis des fibres unidirectionnelles ou dans les tissés. Cette fois, la simplification du circuit électrique comprend uniquement des résistances (Voir Figure 1-5). Cette mécanique de chauffe a été relevée pour la première fois dans le cadre de l’étude de Yarlagadda et al. (2001). Comme il a été précédemment mentionné, Mitschang, Rudolf et Neitzel (2002) en sont aussi venus à la conclusion que cette mécanique de chauffe était importante.

Élément chauffant

L’élément chauffant est un matériau ajouté à l’interface du joint qui y reste une fois la soudure réalisée. Deux raisons principales justifient l’utilisation d’un élément chauffant pour le soudage par induction. Premièrement, dans le cas où les stratifiés ne contiennent aucune boucle de courant, l’élément chauffant est la seule source de génération de chaleur. Cela permet à des stratifiés de fibres de verre ou de fibres d’aramide d’être soudés par induction. Deuxièmement, puisque la conductivité électrique de l’élément chauffant est supérieure à celle de la fibre de carbone, la chauffe se trouve davantage concentrée à l’élément chauffant (équation (1.4)). La chauffe devient donc plus importante à l’interface du joint, là où elle est nécessaire. Ceci rend le procédé plus efficace, car le soudage de stratifiés de fibres de carbone sans élément chauffant implique de chauffer les stratifiés à travers leur épaisseur, créant une surchauffe sur la surface à proximité de la bobine d’induction (Moser, 2012).

Deux types de matériaux ont été utilisés comme éléments chauffants, soit du tissu de fibre de carbone et un treillis d’acier inoxydable (Ahmed, Stavrov et Bersee, 2006; Border et Salas, 1989; Hodges et al., 1985; Williams et al., 1992). Cependant, toutes ces études sont relativement vieilles exceptées celle d’Ahmed, Stavrov et Bersee (2006) qui est la seule étude à s’être penchée sur l’impact des paramètres d’un treillis d’acier inoxydable sur les performances mécaniques d’un joint soudé par induction. Leur étude portait sur des diamètres de fil de 0,03 mm, 0,14 mm et 0,35 mm et des espacements entre les fils de 0,48 mm et 1,06 mm (Voir Figure 1-10). Ils ont conclu qu’un petit diamètre de fil d’élément chauffant permet une résistance au cisaillement du joint plus élevée. Cependant, un diamètre trop petit entraîne une chauffe plus lente, voire insuffisante. Il est important de noter que la fréquence du courant alternatif utilisée dans cette étude était entre 50-485 Hz, ce qui est très faible pour le soudage par induction de composites. Dans le cas où un pli de tissus de fibre de carbone est utilisé comme élément chauffant, la conductivité électrique ne permet pas d’obtenir une chauffe préférentielle aussi importante qu’avec un treillis d’acier inoxydable, ce qui rend cette alternative moins intéressante.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Les fixations mécaniques et le collage
1.2 Les différentes étapes du soudage de composites thermoplastiques
1.3 Soudage par induction
1.3.1 Mécanismes de chauffe
1.3.2 Paramètres du soudage par induction
1.3.2.1 Fréquence, effet de peau, profondeur de pénétration et courant
1.3.2.2 Géométrie de la bobine d’induction
1.3.2.3 Concentrateur de flux magnétique
1.3.2.4 Distance entre l’inducteur et le joint
1.3.2.5 Élément chauffant
1.3.2.6 Pression appliquée
1.3.2.7 Effet de bord
1.3.3 Théorie de la chauffe par induction
1.3.3.1 L’électromagnétisme
1.3.3.2 Équations de transfert de chaleur
1.3.4 Modélisation numérique
1.4 Soudage par résistance
1.5 Soudage ultrasonique
1.6 Méthode de caractérisation
1.7 Mise en évidence des lacunes de la littérature
1.8 Résumé
CHAPITRE 2 DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE
2.1 Matériau
2.2 Fabrication des échantillons
2.3 Mesures et inspection
2.4 Montage de soudage
2.5 Soudage par induction
2.6 Caractérisation
CHAPITRE 3 MODÈLE NUMÉRIQUE
3.1 Définition d’un modèle numérique dans Comsol Multiphysics®
3.1.1 Géométrie
3.1.2 Matériaux
3.1.3 Hypothèses du modèle
3.1.4 Conditions frontières
3.1.4.1 Conditions frontières du module de champ magnétique
3.1.4.2 Conditions frontières du module transfert de chaleur
3.1.5 Maillage
3.2 Exemple d’une simulation
3.3 Analyse de sensibilité
3.4 Résumé
CHAPITRE 4 MODELLING AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF INDUCTION WELDING OF THERMOPLASTIC COMPOSITES AND COMPARISON WITH OTHER WELDING PROCESSES
4.1 Abstract
4.2 Introduction
4.3 Experimental
4.3.1 Materials and specimen geometry
4.3.2 Induction welding
4.3.3 Resistance welding
4.3.4 Ultrasonic welding
4.4 Finite element modelling of induction heating
4.4.1 Fundamental
4.4.2 Materials properties
4.4.3 Assumptions
4.4.4 Model definition
4.5 Induction welding
4.5.1 Heating behavior
4.5.2 Mechanical performance
4.5.3 Failure modes analysis and cross-section micrographs
4.6 Comparison between induction, resistance and ultrasonic welding
4.7 Conclusion
CONCLUSION
ANNEXE I PROPRIÉTÉS ÉQUIVALENTES DE L’ÉLÉMENT CHAUFFANT
ANNEXE II CONDUCTIVITÉ THERMIQUE ÉQUIVALENTE DU LAMINÉ DE CF/PPS
ANNEXE III FICHE TECHNIQUE TENCATE CETEX® TC1100 PPR RESIN SYSTEM
ANNEXE IV SÉQUENCE DE POSITIONNEMENT DES CÉRAMIQUES DU MONTAGE DE SOUDAGE PAR INDUCTION
ANNEXE V RAPPORT MODÉLISATION NUMÉRIQUE GÉNÉRÉ PAR COMSOL MULTIPHYSICS®
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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