Soutenance mémoire
Procédé de référence : le soudage par résistance électrique
Principe physique
Inventé par l’Américain Thomson en 1877 [14], le soudage par résistance électrique s’appuie sur le principe de l’effet Joule. La fusion des métaux est provoquée par le passage forcé d’un courant électrique de haute intensité au travers de deux surfaces en contact. La loi de Joule décrit le dégagement de chaleur W [J] induit par le passage du courant électrique I [A] dans un conducteur de résistance R [Ohm] au cours du temps t [s] :
𝑊 = 𝑅.𝐼2 .𝑡 (1-1)
où la résistance R du conducteur est proportionnelle à la résistivité du matériau 𝜌 [μΩ.cm] et sa longueur L [cm] et inversement proportionnelle à sa section S [cm2 ] :
𝑅 = 𝜌. L/S (1-2)
Il existe plusieurs variantes du soudage par résistance dont le soudage par points, le soudage à la molette, le soudage par bossages ou protubérances et le soudage en bout. Le point de soudure électrique (PSE) résulte du procédé de soudage par point et sert de référence pour tous les procédés présentés dans ce chapitre.
Le soudage par points : mise en œuvre
Le soudage par points est un procédé discontinu/ponctuel et sans ajout de matière, utilisé pour assembler différents types d’aciers doux, alliés, inox mais aussi des aluminiums. L’opération de soudure par points suit les étapes illustrées dans la Figure 1-4. En phase d’accostage, les électrodes pincent les éléments à souder jusqu’à atteindre un effort de serrage donné. Puis un courant électrique I [A] est envoyé à travers les substrats, le soudage se produit. Enfin, une étape de forgeage est observée avant la consolidation du joint et la remontée des électrodes. Les principaux paramètres du soudage par points sont le diamètre des électrodes, l’effort de serrage et de forgeage, l’intensité du courant ainsi que la durée de passage du courant et la durée de forgeage. La variation de ces paramètres influence directement la formation du point de soudure et ses multiples caractéristiques : dimensionnelles (dimensions du noyau, profondeur, etc…), mécaniques, métallurgiques et défauts potentiels. C’est donc un procédé polyvalent et dont la mise en œuvre est aisément automatisable sur les lignes de production.
La technique du soudage par points permet l’assemblage de métaux d’épaisseurs comprises entre 0.5 et 10 mm [14]. Au-delà, la raideur des tôles compromet la réussite du procédé. Sur les 1500 kg d’une automobile grande série type berline, la caisse en blanc représente environ 29% du total, c.à.d. 435 kg [15]. Une caisse en blanc est la combinaison de plusieurs nuances d’aciers dont l’épaisseur varie entre 0.65 et 2.5 mm (tôles fines à moyennes) avec une moyenne autour de 1.1 mm. L’assemblage de la caisse en blanc, regroupant en moyenne 400 pièces de tôlerie, il est généralement nécessaire d’effectuer un grand nombre de PSE, plus de 3000 pour une citadine Peugeot 208 [4] et jusqu’à 6600 pour le SUV BMW X6 [16].
Le procédé de soudage par résistance par points possède plusieurs atouts comme un temps de cycle court qui se traduit par une cadence élevée, un coût de production bas et une flexibilité de l’outillage [17]. Le temps de soudure est variable suivant la nature des métaux à assembler, leurs épaisseurs et qu’il s’agisse d’un procédé de soudage lent (faible puissance) ou rapide (forte puissance) en fonction de l’intensité du courant adoptée. Le choix d’un couple tempscourant bénéficie d’une fenêtre d’utilisation large. Cependant, on préfèrera le soudage rapide, car il permet des résultats plus constants et des soudures de meilleures qualités [14]. La durée de soudure s’exprime en une période de 1/50e de seconde, laquelle est calée sur la fréquence du réseau électrique 50 Hz. Dans l’industrie automobile grande série, le soudage de la caisse en blanc nécessite pour un cycle complet de l’ordre de 1.2 à 1.6 seconde [17]. Du point de vue de la tenue mécanique, le procédé est reconnu pour produire des joints résistants. En valeur absolue, la contrainte à rupture varie d’un assemblage à un autre puisque le joint est constitué à partir des matériaux des substrats à souder. On peut faire mention des études [17] et [18] où des tôles d’aluminium AA5754 de 2 mm d’épaisseur assemblées par PSE présentent une résistance à rupture en traction-cisaillement, pelage et arrachement de respectivement 5 kN, 2 kN et 5 kN. En outre, le PSE est l’un des procédés d’assemblage les moins couteux à mettre en place et à exploiter notamment grâce à des coûts de production bas. La Figure 1-5 illustre bien cette idée en comparant les coûts moyens d’installation et d’exploitation des techniques de rivetage auto poinçonneur (SPR), résistance électrique (RSW) et de friction-malaxage (FSW) pour un scénario correspondant à une production de 35 000 unités/an et sur une durée de 5 ans. Le procédé étant déjà utilisé dans les lignes d’assemblage automobiles et autres depuis longtemps, on peut qualifier sa maturité de conforme à une application de la technique dans les conditions opérationnelles, soit le plus haut degré de maturité (9) sur l’échelle TRL.
Cahier des charges automobile grande série
Environnement de production automobile
Le choix de la solution envisagée pour réaliser l’opération d’assemblage est guidé également par l’existant, c’est-à-dire l’environnement de travail dans lequel elle doit s’intégrer. Dans le cas d’un environnement de production automobile grande série, comme c’est le cas pour le constructeur automobile PSA, les opérations d’assemblage des éléments structurels ou semistructurels sont réalisées dans l’atelier appelé « Ferrage » ou « Tôlerie ». Comme on peut le voir sur la Figure 1-6, le ferrage s’intègre en amont de la ligne de production automobile juste après l’atelier d’emboutissage. Les opérations d’assemblage dans l’atelier de ferrage sont aujourd’hui entièrement automatisées grâce à l’utilisation de robots commandés. Sur la Figure 1-6 à droite, on observe les robots, aux bras articulés, amener, positionner et réaliser à la chaine les opérations de soudage par PSE sur la caisse en blanc. Il faut savoir que dans le cas d’une production automobile grande série, le temps de cycle alloué pour les opérations d’assemblage est très court (~1 s par PSE) afin de permettre la sortie en bout de chaine d’un véhicule par minute en moyenne (source PSA). Ainsi à ce stade de la production, l’automatisation et la robotisation des opérations s’avèrent incontournables.
Performances attendues et contraintes
Pour répondre à la problématique de l’assemblage polymère-métal dans un contexte industriel de production en grande série, la solution technique envisagée doit pouvoir répondre à certaines exigences incontournables : la tenue mécanique attendue en statique et en fatigue (durabilité), la compatibilité avec l’industrialisation (automatisation, robotisation, temps de cycle) et la polyvalence (mise en œuvre, outillages, limitations sur la nature des matériaux). Il faut aussi de façon générale que le procédé soit économiquement viable en termes d’investissement/désinvestissement, de consommables, de coût d’exploitation et de maintenance. Dans la réalité, d’autres impératifs peuvent entrer ligne de compte comme la recyclabilité [19], le coefficient de réparabilité des structures pour des questions d’assurance et le moyen de contrôle, en général il s’agit d’un contrôle non destructif (CND). En se basant sur les résultats de l’état de l’art et prenant en compte l’ensemble des critères d’évaluation, les axes de recherche les plus prometteurs pour la problématique étudiée sont identifiés.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 ÉTAT DE L’ART DES TECHNIQUES D’ASSEMBLAGE DE STRUCTURES HYBRIDES POLYMERE-METAL
1.1 INTRODUCTION
1.1.1 Processus d’évaluation des procédés
1.1.2 Procédé de référence : le soudage par résistance électrique
1.1.2.1 Principe physique
1.1.2.2 Le soudage par points : mise en œuvre
1.1.3 Cahier des charges automobile grande série
1.1.3.1 Environnement de production automobile
1.1.3.2 Performances attendues et contraintes
1.2 LE COLLAGE STRUCTURAL
1.2.1 Définition et principe
1.2.2 Utilisation industrielle et mise en œuvre
1.2.2.1 État et préparation de surface
1.2.2.2 Choix de l’adhésif
1.2.2.3 Adhésifs structuraux
1.2.3 Assemblage par collage structural : synthèse
1.3 LES ASSEMBLAGES MECANIQUES
1.3.1 Définition
1.3.2 Rivetage auto-poinçonneur
1.3.2.1 Principe et mise en œuvre
1.3.2.2 Bilan sur le rivetage auto-poinçonneur
1.3.3 Friction Stir Blind Riveting (FSBR)
1.3.3.1 Principe et mise en œuvre
1.3.3.2 Bilan sur le FSBR
1.3.4 Fluo-taraudage
1.3.4.1 Principe et mise en œuvre
1.3.4.2 Bilan sur le fluo-taraudage
1.3.5 Clinchage conventionnel
1.3.5.1 Principe et mise en œuvre
1.3.5.2 Bilan sur le clinchage conventionnel
1.3.6 Assemblages mécaniques : synthèse.
1.4 LE SOUDAGE
1.4.1 Définition
1.4.2 Soudage par ultrasons
1.4.2.1 Principe et mise en œuvre
1.4.2.2 Conclusion sur le soudage par ultrasons
1.4.3 Soudage par friction
1.4.3.1 Principe et mise en œuvre
1.4.3.2 Conclusion sur le soudage par friction
1.4.4 Soudage laser
1.4.4.1 Principe général
1.4.4.2 Soudage sans structuration préalable du substrat métallique
1.4.4.2.1 Principe et mise en œuvre
1.4.4.2.2 Conclusion sur le soudage laser sans structuration du substrat métallique
1.4.4.3 Soudage avec structuration préalable du substrat métallique
1.4.4.3.1 Principe et mise en œuvre
1.4.4.3.2 Conclusion sur le soudage laser avec structuration du substrat métallique
1.4.5 Soudage : synthèse
1.5 LES SOLUTIONS D’ASSEMBLAGE HYBRIDES
1.5.1 Définition
1.5.2 Le collage en tant que technique d’assemblage complémentaire
1.5.3 Techniques issues d’un couplage d’énergies mises en jeu
1.5.3.1 Rivetage par friction (Friction riveting)
1.5.3.1.1 Principe et mise en œuvre
1.5.3.1.2 Bilan sur le FricRiveting
1.5.3.2 Technique non-conventionnelle : Injection Clinching-Joining (ICJ)
1.5.3.2.1 Principe et mise en œuvre
1.5.3.2.2 Bilan sur le clinchage non-conventionnel
1.5.4 Solutions d’assemblage hybrides : synthèse
1.6 SYNTHESE ET IDENTIFICATION DES AXES DE TRAVAIL PERTINENTS
1.7 ÉTUDE APPROFONDIE DU PROCEDE DE RIVETAGE AUTO-POINÇONNEUR
1.7.1 Mise en œuvre du procédé de rivetage auto-poinçonneur
1.7.1.1 Équipement
1.7.1.2 Application industrielle
1.7.1.3 Contrôle qualité du joint riveté
1.7.1.3.1 Inspection visuelle
1.7.1.3.2 Coupe macrographique
1.7.1.3.3 Domaine de rivetabilité
1.7.1.4 Évaluation de la tenue mécanique
1.7.2 La simulation numérique du procédé de rivetage auto-poinçonneur
1.7.2.1 Simulation de la pose du rivet
1.7.2.1.1 Conversion du problème physique à la modélisation numérique
1.7.2.1.2 Modélisation 2D / 3D
1.7.2.2 Simulation de la tenue mécanique du joint riveté
1.7.2.3 Rupture de la couche supérieure
1.7.2.4 Gestion numérique des grandes déformations
1.8 CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE 2 CARACTERISATION DES MATERIAUX MIS EN JEU ET MODELISATION DE LEUR COMPORTEMENT MECANIQUE
2.1 INTRODUCTION
2.2 ÉTUDE DU COMPOSITE A RESINE THERMODURCISSABLE RENFORCEE AUX FIBRES DE VERRE COURTES
2.2.1 Fabrication du composite par le procédé SMC et utilisation
2.2.2 Caractérisation physique et mécanique
2.2.2.1 Analyse micrographique
2.2.2.2 Conclusion sur la caractérisation et hypothèses de calcul
2.2.3 Modélisation du comportement mécanique du composite SMC
2.2.3.1 Principe de la méthode d’homogénéisation
2.2.3.2 Propriétés mécaniques des constituants
2.2.3.3 Hypothèses de calcul
2.2.3.4 Approximation du module d’élasticité effectif 𝑬 du composite SMC par homogénéisation
2.2.3.4.1 Estimation d’ordre 0
2.2.3.4.2 Estimation d’ordre 1 et bornes de Voigt (V) et Reuss (R)
2.2.3.4.3 Estimation « hautement dilué » (HD)
2.2.3.4.4 Estimation d’ordre 2 Hashin-Strikmann (HS) ou Mori-Tanaka
2.2.3.4.5 Estimation auto-cohérente
2.2.3.4.6 Estimation HS-/MT avec prise en compte des porosités d’air
2.2.3.4.7 Bilan de l’estimation des propriétés mécaniques du matériau composite SMC
2.2.4 Caractérisation mécanique du matériau composite
2.2.4.1 Essai de traction uniaxiale
2.2.4.2 Courbes contrainte-déformation du matériau composite SMC
2.2.4.3 Confrontation expérimentale
2.2.4.4 Conclusion sur la caractérisation du matériau composite et hypothèses de calcul
2.2.5 Gestion de la rupture
2.2.6 Implémentation du modèle matériau dans le logiciel de calcul
2.3 ÉTUDE DE L’ACIER HSLA380
2.3.1 L’acier en tôle pour fabrication automobile
2.3.3.1 Procédé de fabrication de la tôle d’acier
2.3.3.2 Caractérisation physique et mécanique
2.3.3.2.1 Analyse micrographique
2.3.3.2.2 Équipement d’essai mécanique
2.3.3.2.3 Essais de traction uniaxiale
2.3.3.2.4 Calcul de la rigidité de la machine de traction
2.3.3.2.5 Courbes contrainte-déformation de l’acier HSLA380
2.3.3.2.6 Conclusion sur la caractérisation de l’acier HSLA380 et hypothèses de calcul
2.3.2 Modélisation du comportement mécanique de l’acier HSLA
2.3.2.1 Modélisation élasto-plastique
2.3.2.2 Endommagement ductile
2.3.2.3 Gestion numérique en grande déformation
2.3.2.4 Implémentation du modèle matériau dans le logiciel de calcul
2.4 ÉTUDE DE L’ACIER RIVET
2.4.1 Caractéristiques du matériau
2.4.1.1 Procédé de fabrication
2.4.1.2 Analyse micrographique
2.4.1.3 Caractérisation mécanique
2.4.1.4 Conclusion sur la caractérisation et simplification de l’étude
2.4.2 Modélisation du comportement mécanique de l’acier rivet
2.4.2.1 Modélisation élasto-plastique sans endommagement
2.4.2.2 Identification et implémentation du modèle matériau dans le logiciel de calcul
2.5 CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE 3 SIMULATION NUMERIQUE 2D AXISYMETRIQUE DU PROCEDE DE RIVETAGE AUTO-POINÇONNEUR ET VALIDATION EXPERIMENTALE
3.1 INTRODUCTION
3.2 DEMARCHE DE MODELISATION NUMERIQUE
3.2.1 Configuration d’assemblage étudiée
3.2.2 Modélisation numérique 2D du procédé de rivetage auto-poinçonneur
3.2.2.1 Géométrie et paramètres de référence
3.2.2.2 Discrétisation spatiale
3.2.2.3 Formulation éléments finis Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE)
3.2.2.4 Utilisation du « mass scaling »
3.2.2.5 Prise en compte du frottement
3.3 RESULTATS NUMERIQUES ET CONFRONTATION EXPERIMENTALE
3.3.1 Équipement de rivetage
3.3.2 Géométrie du joint riveté – confrontation expérimentale
3.3.2.1 Coupe transversale 2D
3.3.2.2 Cycle de rivetage
3.3.3 Distribution des contraintes et déformations au cours du cycle de rivetage
3.3.3.1 Évolution des déformations
3.3.3.2 Évolution des contraintes
3.4 CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE 4 ÉTUDE DE L’INFLUENCE DE PARAMETRES DE RIVETAGE ET SIMULATION DE CHARGEMENTS DESTRUCTIFS PAR MODELISATION 3D
4.1 INTRODUCTION
4.2 ÉTUDE DE L’INFLUENCE DES PARAMETRES DE RIVETAGE
4.2.1 Équipement et protocole pour essais destructifs
4.2.2 Influence de la vitesse de rivetage
4.2.2.1 Influence sur la formation du joint riveté
4.2.2.2 Influence sur la tenue mécanique à rupture
4.2.3 Influence de l’effort serre-flan
4.2.3.1 Influence sur la formation du joint riveté
4.2.3.2 Influence sur la tenue mécanique à rupture
4.2.4 Conclusion sur l’influence des paramètres de rivetage
4.2.5 Endommagement local du composite
4.3 APPROCHE NUMERIQUE 3D ET CONFRONTATION EXPERIMENTALE
4.3.1 Modélisation numérique 3D du procédé de rivetag
4.3.1.1 Principe de passage de la modélisation 2D vers le modèle 3D
4.3.1.2 Discrétisation spatiale
4.3.1.3 Conditions aux limites
4.3.2 Confrontation expérimentale
4.3.2.1 Formation du joint riveté
4.3.2.2 Tenue mécanique à rupture
4.3.2.3 Déformée macroscopique
4.3.2.4 Discussion et conclusion sur la simulation de la tenue mécanique
4.3.3 Optimisation du procédé de rivetage et recommandations
4.4 CONCLUSION DU CHAPITRE
CONCLUSIONS GENERALES
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