Aujourd'hui, le soudage par friction-malaxage (FSW) a attiré beaucoup d'attention dans les secteurs universitaires et industriels. Malgré ses avantages importants par rapport aux techniques de soudage par fusion, il n'est pas largement utilisé dans l'industrie actuelle, principalement en raison des coûts d'équipement élevés et des redevances. Certaines autres raisons sont les forces de processus élevées, le besoin d'un serrage puissant, le manque de directives concernant la fenêtre de travail efficace des paramètres du processus et l'effet du traitement thermique après soudage. En outre, il est nécessaire d'avoir une conception d'outils appropriée pour différentes applications, géométries et configurations de soudage. Pour surmonter ces problèmes, une technique FSW rentable appelée FSW à angle droit(RAFSW) a récemment été introduite par l'équipe PI2/ REGAL de l'Université Laval. Il est essentiel de développer et d'étudier ses différents aspects pour rendre la technique fiable pour une large utilisation industrielle. Dans cette thèse, l'objectif est de fournir aux utilisateurs potentiels des directives et des fenêtres de travail efficaces pour les paramètres du processus de soudage à des vitesses de soudage élevées applicables à différentes configurations et géométries. Une conception d'outils appropriée pour différentes applications est également un autre aspect à explorer. De plus l'effet du traitement thermique après soudage sera étudié. Enfin, la technique sera adaptée pour être mise en œuvre sur des routeurs CNC de grande taille et à faible coût afin d'assembler de grands panneaux en aluminium à de faibles forces de soudage sans avoir besoin d'un serrage solide. / Today, friction stir welding (FSW) has attracted much attention in both academic and industrial sectors. In spite of its prominent advantages over fusion welding techniques, it is not widely used intoday's industry mainly due to high equipment costs and royalties. Some other reasons are high process forces, need for powerful clamping, lack of guidelines regarding efficient working window of process parameters and the effect of post weld heat treatment. Furthermore, it is needed to have aproper tool design for different applications, geometries, and welding configurations. To overcome these issues, a cost-effective FSW technique called FSW at right angle (RAFSW) has been recently introduced by PI2/REGAL team at Laval University. It is essential to develop and study its different aspects to make the technique reliable for widespread industrial use. In this thesis, the aim is to provide potential users with guidelines and efficient working windows for welding process parameters at high welding speeds applicable for different configurations and geometries. Proper tool design for different applications is another aspect to be explored, as well. Moreover, the effect of postweld heat treatment will be studied. Finally, the technique will be adapted to implement on big-size,low-cost CNC routers to assemble large aluminum panels at low welding forces without the need forsturdy clamping.

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 septembre 2023) / Au vu de l'urgence climatique actuelle et des différents rapports scientifiques au sujet du dérèglement climatique, il est primordial et même vital de réduire drastiquement la pollution générée par l'Homme. Le dernier rapport du GIEC (Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Évolution du Climat) (2022) indique qu'il faut effectivement réduire de moitié les émissions d'ici 2030 et insiste fortement sur la nécessité d'agir immédiatement afin de préserver la planète. Dans ce sens, l'industrie de la production de béton est responsable de 4 à 8% des rejets totaux humains de dioxyde de carbone et doit donc urgemment évoluer afin de réduire son impact environnemental. L'objectif principal de cette étude est de participer à cette transition industrielle en développant un modèle numérique fiable et exploitable afin d'optimiser la production, diminuer le temps de malaxage et réduire le gaspillage du béton à l'aide des outils technologiques de contrôle qualité déjà mis en place. En effet, développer une simulation numérique permettant de mieux comprendre le comportement et les profils d'écoulement du béton frais à l'intérieur d'une toupie de malaxage est extrêmement prometteur puisqu'elle permet alors d'encore mieux optimiser les temps et les coûts de malaxage. Afin d'espérer exploiter un tel outil numérique complexe, la mise en place de modèles élémentaires d'écoulement du béton frais est essentielle afin de valider, caractériser et calibrer les simulations numériques. Dans ce mémoire, le développement de trois modèles simples d'écoulement est traité et les résultats obtenus ont permis de valider le comportement numérique de l'écoulement du béton frais. Chacun de ces modèles présente des forces et faiblesses et participe à la création d'un environnement de travail numérique qui permet de beaucoup mieux appréhender la rhéologie et le comportement d'écoulement du béton frais. Ce projet de recherche est donc une véritable porte d'entrée vers la modélisation complète de la production du béton frais. / In view of the current climate emergency and the various scientific reports on climate change, it is essential and even vital to drastically reduce man-made pollution. The latest IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) report (2022) indicates that emissions must be halved by 2030 and strongly emphasizes the need to act immediately to preserve the planet. In this sense, the concrete production industry is responsible for 4-8% of total human carbon dioxide emissions and therefore urgently needs to evolve to reduce its environmental impact. The main objective of this study is to participate in this industrial transition by developing a reliable and exploitable numerical model to optimize the production, reduce mixing time and also reduce concrete waste by using technological quality control tools already available. Indeed, developing a numerical simulation allowing to better understand the behavior and flow profiles of fresh concrete inside a mixing-truck is extremely promising as it allows for further optimization of mixing times and costs. In order to be able to exploit such a complex numerical tool, the implementation of elementary fresh concrete flow models is essential to validate, characterize and calibrate the numerical simulations. In this thesis, the development of three simple flow models is discussed and the results obtained are used to validate the numerical behavior of fresh concrete flow. Each of these models has strengths and weaknesses and contributes to the creation of a numerical working environment that provides a much better understanding of the rheology and flow behavior of fresh concrete. This research project is therefore a real gateway to a full modelling of fresh concrete production.

Afin de garantir une mise en place adéquate au chantier ainsi que les propriétés requises à l'état durci, les producteurs de béton prêt à l'emploi doivent être capables de contrôler l'ensemble du cycle de production, du dosage des matériaux à la livraison. Les conditions météorologiques, la variabilité intrinsèque des matières premières, les conditions de livraison, ou encore le facteur humain sont autant de paramètres ayant une incidence directe sur la fluctuation des propriétés du béton à la fois à l'état frais et à l'état durci. Dans le but d'aider davantage les producteurs de béton, un système embarqué pour bétonnière a été développé depuis plus d'une dizaine d'années. Ce système aidant à assurer la qualité du béton frais s'articule essentiellement autour d'une sonde installée directement sur la paroi interne du tambour malaxeur. En plus de mesurer les mouvements du tambour, cette sonde collecte les données d'interaction avec le béton qui, une fois traitées, permettent déjà d'obtenir l'affaissement, le volume, ou encore la température du béton dans la toupie. Dans un premier temps, ce travail s'est intéressé à l'étude de l'homogénéisation du béton dans le tambour dans le cas d'une production en usine à gâchée sèche. Une fois les outils de traitement du signal mis au point, un algorithme permettant de déterminer l'atteinte de l'homogénéité en se basant sur les données mesurées par le système embarqué a été développé. À la suite de l'élaboration d'un protocole expérimental nécessaire à l'évaluation de l'homogénéité du béton produit, l'algorithme a été mis au banc d'essai au travers d'une campagne expérimentale réalisée entre autres à l'aide de la bétonnière dédiée au projet de recherche. Outre une garantie accrue de la qualité du béton, l'association du système embarqué et de l'algorithme développé participe à l'optimisation du procédé de production du béton prêt à l'emploi en usine à gâchée sèche par une rationalisation du temps et de l'énergie consacrée au malaxage. Dans un second temps, une réflexion quant à la manière d'évaluer l'homogénéisation du béton a conduit à la volonté de mettre au point un capteur basé sur une propriété jugée plus fondamentale: la densité du matériau. À la manière des nucléodensimètres, cette thèse tâche de poser les premières pierres du développement d'une nouvelle technologie de capteurs embarqués pour bétonnière utilisant la radioactivité pour la mesure de la densité. En plus de valider la technologie sur du béton frais, les travaux expérimentaux en laboratoire ont permis de déterminer les éléments techniques et l'arrangement nécessaires à l'obtention d'une précision de mesure suffisante. Outre la détermination de l'homogénéité, la mesure de la densité se révèle un outil de contrôle qualité indéniable grâce entre autres à la détection d'inhomogénéités ou encore à la mesure de la teneur en air. Finalement, face à la multiplication des données recueillies par le système embarqué, la dernière partie de cette thèse explore l'intérêt de l'utilisation des méthodes d'apprentissage automatique au travers d'une démonstration de faisabilité se concentrant sur la prédiction de l'évolution de l'affaissement au cours de la livraison. Ce travail essaie de faire ressortir les capacités de ces méthodes d'analyses récemment popularisées, mais aussi les pièges qui y sont associés. / To ensure proper concrete placement on site and targeted properties in the hardened state, ready-mixed concrete producers must be able to control the entire production cycle, from material batching to delivery. Weather conditions, intrinsic variability of raw materials, delivery conditions, or human factor are all parameters having a direct impact on the fluctuation of both fresh and hardened concrete properties, resulting in additional difficulties for producers. In order to further assist concrete producers, an on-board system for concrete truck mixers has been developed over the last ten years. This system, which helps ensure concrete quality, is essentially built around a probe installed directly on the internal wall of the drum. In addition to measuring the drum movements, this probe collects data from its interaction with concrete. This data, once processed, already offers the slump, the volume or the concrete temperature in the drum. At first, this work concentrates on the study of concrete homogenization during a dry-batch production. Once the signal processing tools were adapted, an algorithm has been developed to determine the homogeneity completion based on the data measured by the on-board system. Following the elaboration of an experimental protocol to evaluate the produced concrete homogeneity, the algorithm was put to the test through an experimental campaign using the concrete truck mixer dedicated to the research project. In addition to an increased guarantee of concrete quality, the combination of the on-board system and the developed algorithm contributes to the optimization of the ready-mixed concrete production process by a rationalization of time and energy devoted to mixing in dry-batch plants. Later, a reflection concerning the way to assess concrete homogenization led to the desire to develop a sensor based on a property considered more fundamental: the density of the material. Like nuclear gauges, this thesis laid the foundations for the development of a new on-board sensor technology for concrete truck mixers using radioactivity to measure in-drum density. In addition to validating the technology on fresh concrete, the experimental work in the laboratory helped to select the technical elements needed and the necessary arrangement to obtain sufficient measurement precision. Besides the homogeneity evaluation, density measurement proves to be an undeniable quality control tool thanks to, among other things, the detection of inhomogeneities or the measurement of concrete air content. Finally, faced with the ever-increasing amount of data collected by the system, the last part of this thesis explores the interest of using machine learning methods. The proof of concept presented focuses on predicting the concrete slump evolution during transportation from the plant to the construction site. This work highlights the capabilities of these recently popularized methods, but also the pitfalls associated with such tools.

Afin de garantir une mise en place adéquate au chantier ainsi que les propriétés requises à l'état durci, les producteurs de béton prêt à l'emploi doivent être capables de contrôler l'ensemble du cycle de production, du dosage des matériaux à la livraison. Les conditions météorologiques, la variabilité intrinsèque des matières premières, les conditions de livraison, ou encore le facteur humain sont autant de paramètres ayant une incidence directe sur la fluctuation des propriétés du béton à la fois à l'état frais et à l'état durci. Dans le but d'aider davantage les producteurs de béton, un système embarqué pour bétonnière a été développé depuis plus d'une dizaine d'années. Ce système aidant à assurer la qualité du béton frais s'articule essentiellement autour d'une sonde installée directement sur la paroi interne du tambour malaxeur. En plus de mesurer les mouvements du tambour, cette sonde collecte les données d'interaction avec le béton qui, une fois traitées, permettent déjà d'obtenir l'affaissement, le volume, ou encore la température du béton dans la toupie. Dans un premier temps, ce travail s'est intéressé à l'étude de l'homogénéisation du béton dans le tambour dans le cas d'une production en usine à gâchée sèche. Une fois les outils de traitement du signal mis au point, un algorithme permettant de déterminer l'atteinte de l'homogénéité en se basant sur les données mesurées par le système embarqué a été développé. À la suite de l'élaboration d'un protocole expérimental nécessaire à l'évaluation de l'homogénéité du béton produit, l'algorithme a été mis au banc d'essai au travers d'une campagne expérimentale réalisée entre autres à l'aide de la bétonnière dédiée au projet de recherche. Outre une garantie accrue de la qualité du béton, l'association du système embarqué et de l'algorithme développé participe à l'optimisation du procédé de production du béton prêt à l'emploi en usine à gâchée sèche par une rationalisation du temps et de l'énergie consacrée au malaxage. Dans un second temps, une réflexion quant à la manière d'évaluer l'homogénéisation du béton a conduit à la volonté de mettre au point un capteur basé sur une propriété jugée plus fondamentale: la densité du matériau. À la manière des nucléodensimètres, cette thèse tâche de poser les premières pierres du développement d'une nouvelle technologie de capteurs embarqués pour bétonnière utilisant la radioactivité pour la mesure de la densité. En plus de valider la technologie sur du béton frais, les travaux expérimentaux en laboratoire ont permis de déterminer les éléments techniques et l'arrangement nécessaires à l'obtention d'une précision de mesure suffisante. Outre la détermination de l'homogénéité, la mesure de la densité se révèle un outil de contrôle qualité indéniable grâce entre autres à la détection d'inhomogénéités ou encore à la mesure de la teneur en air. Finalement, face à la multiplication des données recueillies par le système embarqué, la dernière partie de cette thèse explore l'intérêt de l'utilisation des méthodes d'apprentissage automatique au travers d'une démonstration de faisabilité se concentrant sur la prédiction de l'évolution de l'affaissement au cours de la livraison. Ce travail essaie de faire ressortir les capacités de ces méthodes d'analyses récemment popularisées, mais aussi les pièges qui y sont associés. / To ensure proper concrete placement on site and targeted properties in the hardened state, ready-mixed concrete producers must be able to control the entire production cycle, from material batching to delivery. Weather conditions, intrinsic variability of raw materials, delivery conditions, or human factor are all parameters having a direct impact on the fluctuation of both fresh and hardened concrete properties, resulting in additional difficulties for producers. In order to further assist concrete producers, an on-board system for concrete truck mixers has been developed over the last ten years. This system, which helps ensure concrete quality, is essentially built around a probe installed directly on the internal wall of the drum. In addition to measuring the drum movements, this probe collects data from its interaction with concrete. This data, once processed, already offers the slump, the volume or the concrete temperature in the drum. At first, this work concentrates on the study of concrete homogenization during a dry-batch production. Once the signal processing tools were adapted, an algorithm has been developed to determine the homogeneity completion based on the data measured by the on-board system. Following the elaboration of an experimental protocol to evaluate the produced concrete homogeneity, the algorithm was put to the test through an experimental campaign using the concrete truck mixer dedicated to the research project. In addition to an increased guarantee of concrete quality, the combination of the on-board system and the developed algorithm contributes to the optimization of the ready-mixed concrete production process by a rationalization of time and energy devoted to mixing in dry-batch plants. Later, a reflection concerning the way to assess concrete homogenization led to the desire to develop a sensor based on a property considered more fundamental: the density of the material. Like nuclear gauges, this thesis laid the foundations for the development of a new on-board sensor technology for concrete truck mixers using radioactivity to measure in-drum density. In addition to validating the technology on fresh concrete, the experimental work in the laboratory helped to select the technical elements needed and the necessary arrangement to obtain sufficient measurement precision. Besides the homogeneity evaluation, density measurement proves to be an undeniable quality control tool thanks to, among other things, the detection of inhomogeneities or the measurement of concrete air content. Finally, faced with the ever-increasing amount of data collected by the system, the last part of this thesis explores the interest of using machine learning methods. The proof of concept presented focuses on predicting the concrete slump evolution during transportation from the plant to the construction site. This work highlights the capabilities of these recently popularized methods, but also the pitfalls associated with such tools.

Carbone Savoie est une société française spécialisée dans les solutions cathodiques en carbone et graphite pour l’électrolyse de l’aluminium primaire. La fabrication de ces produits requiert un savoir-faire important en raison de la complexité de procédé. Le malaxage, première étape du procédé, permet le mélange intime des particules carbonées et d’un liant. Les grains carbonés de tailles variées comme le coke calciné, anthracite calciné, et le graphite constituent un empilement multimodal d’une dizaine de microns à quelques centimètres. Le liant actuel est liquide à haute température, se caractérise par un haut rendement en carbone, est cokéfiable mais toxique. La législation européenne sur les produits chimiques (REACH) l’a identifié comme « substance extrêmement préoccupante », le risque associé étant une interdiction de son utilisation. Dans ce contexte, Carbone Savoie a lancé un projet de recherche visant à substituer cette matière première dangereuse. Le premier objectif a été de déterminer des compositions possibles pour ce nouveau liant ainsi que leur comportement rhéologique. Une première composition a montré un comportement newtonien à pH basique. Un additif à point de gélification, dont le comportement a fait l’objet d’une étude, a été utilisé pour une deuxième composition. La meilleure méthode de mélange fut ensuite sélectionnée puis son efficacité avec le nouveau liant validée. Une troisième composition, qui est une suspension, a montré un comportement rhéofluidifiant. Cette dernière s’est avérée être la meilleure candidate pour substituer le brai. Le deuxième objectif du travail a été la détermination des conditions de malaxage avec le nouveau liant. L’étude du mélange granulaire carboné est basée sur une méthode de suivi d’intensité de malaxage. Grâce à la courbe d’intensité enregistrée en fonction du ratio massique liquide/solide, les différents états de l’eau dans le mélange en fonction de la saturation en liant du système ont été définis : régime pendulaire, funiculaire, capillaire et goutte. Le régime capillaire est particulièrement intéressant car il s’agit du régime d’extrusion des cathodes. L’influence sur le procédé (cinétique de mouillage, étendue du régime capillaire) de la viscosité du liant a été étudiée : une viscosité élevée permet une plus grande tolérance du procédé vis-à-vis des variations de l’empilement granulaire des matières sèches d’une formulation à l’autre ou encore la difficulté de produire des poudres de granulométrie fixe. Enfin, une corrélation entre les résultats obtenus et l’échelle industrielle a été trouvée. Les propriétés finales d’une cathode peuvent être reliées à la qualité de la pâte en sortie de malaxeur grâce à la détermination de la cohésion via une cellule de cisaillement annulaire. / Carbone Savoie is a French company specialized in the production of carbon and graphite cathodic solutions for the primary aluminum industry. The production of cathodes requires an important know-how because of its complex manufacturing process. The first step of the process consists in mixing the carbonaceous raw materials with a binder. The raw materials (calcined coke and anthracite or graphite) have different size and represent a multimodal carbon aggregate (from tens of microns to a few centimeters). The current binder is liquid at high temperature, has a high carbon yield and is coking but poisonous. The European regulations on chemical products (REACH) identified the pitch binder as “substance of very high concern”. Therefore, that product could become prohibited. Within this context, Carbone Savoie initiated a research project in order to substitute that hazardous material. First of all, the project aims at determining possible compositions for the new binder and to describe their rheological behavior. A first formulation had a Newtonian behavior for high pH values. An additive with a gel point which behavior has been studied was used for a second formulation. The best mixing process was then chosen and its efficiency was tested with this new binder. A third formulation which was a suspension showed a shear-thinning behavior. It appeared to be the best candidate to substitute pitch as a binder for the production of cathode blocks. The second goal of the project was the determination of the mixing conditions with this new binder. The study of the mixing of the carbon aggregate with the binder is based on a tracking of the mixing intensity. Thanks to the plot of the intensity-liquid/solid ratio curve, different states were defined for the system according to the binder content (pendular state, funicular state, capillary state and solid/liquid dispersion state). The capillary state is of a major concern because the paste is extruded in that state. The impact on the process (wetting kinetics, width of the capillary state) of the rheological behavior of the binder has been studied: a high viscosity allows a better tolerance to the variability in the size of the carbon aggregate from a formulation to another and also to the trouble of producing powders with very small particles sizes. Finally, a correlation between these results and the industrial scale has been found. Final properties of cathodes blocks can be linked with the paste quality just after the mixing step thanks to the determination of the paste cohesion with a ring shear tester.

Le soudage par friction et malaxage (SFM) est un procédé d'assemblage innovant à l'état solide qui a été inventé en 1993 et qui présente des avantages significatifs par rapport aux techniques de soudage par fusion. En raison des grandes forces appliquées sur l'outil et la nécessité de maintenir un angle constant sur tout le chemin de soudage (angle d'inclinaison), ce processus est normalement effectué sur des machines coûteuses conçues spécifiquement à cette fin. La présente thèse est une tentative de faciliter l'application de soudage par friction malaxage sur les centres d'usinage CNC très communément rencontré en industrie. Une variante peu connue et peu développée de ce processus, à savoir le soudage par friction et malaxage à angle droit dans lequel l'axe d'outil est toujours perpendiculaire à la surface de la pièce a été étudié de près dans cette thèse. Des outils spéciaux pour le soudage par friction et malaxage qui sont appropriées pour cette nouvelle orientation ont été développés et les paramètres de fonctionnement de ces outils ont été mis en place. En outre, des techniques ont été investiguées pour réduire la force axiale par optimisation de la conception de l'outil et des paramètres de soudage. De plus, l'une des principales difficultés qui pourraient survenir durant les applications industrielles du soudage par friction et malaxage est l’alignement horizontal et vertical des pièces pour le soudage de joints aboutés. Une méthodologie est aussi proposée pour effectuer le soudage par friction et malaxage sur des contours 3D. La Méthode Taguchi a été utilisée pour la conception d'expériences et des modèles de réseaux neuronaux artificiels ont été formés pour l'analyse des résultats des expériences et pour l’optimisation. Il a été démontré que le soudage par friction et malaxage à angle droit a la capacité de faire des soudures saines avec limites ultimes acceptables en utilisant des valeurs plus basses de force axiale d’environ 50% par rapport au soudage par friction et malaxage typique. En outre, les plages utilisables des paramètres de conception de l'outil et des paramètres de fonctionnement ont été trouvées. Elles conduisent à la réduction de la force axiale du soudage par friction et malaxage à angle droit. Les erreurs de placement de pièces dans des joints aboutés ont aussi été investiguées conduisant à une définition des plages acceptables d’erreur avec la méthode de soudage à angle droit. Les techniques développées ont aussi été validées dans la mise en œuvre du soudage par friction et malaxage pour les joints 2D et 3D. De plus, la méthodologie proposée pour le soudage sur contours 3D a été validée avec succès en soudage sur une pièce particulière en utilisant une machine CNC à 5 axes dans les deux configurations de joints aboutés et superposés. / Friction stir welding (FSW) is an innovative solid state joining method invented at the end of twentieth century and having significant advantages over fusion welding techniques. Due to the high amount of forces applied on the FSW tool and the need to keep a constant angle all over the welding path (tilt angle), this process in normally performed on costly machines designed specifically for it. The present thesis is an attempt to facilitate the implementation of friction stir welding on common CNC machining centers. A less considered variant of this process, namely right angle FSW in which the tool axis is always perpendicular to the surface of workpiece has been closely studied and investigated. Special FSW tools which are appropriate for this new orientation have been developed and operating parameters for these tools have been established. In addition, techniques were developed to reduce the axial force through optimization of tool design and welding parameters. Moreover, one of the major difficulties which could be encountered during industrial applications of FSW, joint fit-up issues have been explored and attempts were made to manage these issues. A methodology has been proposed for FSW over 3D contours. Taguchi method has been used for design of experiments and artificial neural network models have been trained for analysis of results of experiments and optimization. It has been shown that the right angle FSW have the capacity of making sound welds with acceptable UTS employing lower values of axial force in comparison to typical FSW. Furthermore, workable ranges of tool design and welding parameters were found that leads to reduction of axial force within right angle FSW. To tolerate for joint fit-up issues, regions of operating parameters were established that could manage typical values of gap and mismatch. The developed techniques have also been validated and implemented for joining on 2D and 3D paths. In addition, the 3D methodology has been successfully validated in welding a complex part using a 5 axis CNC machine in both butt and lap configurations.

Titre de l'écran-titre (visionné le 28 novembre 2023) / Les ponts en aluminium modernes sont composés de plusieurs longues extrusions multi-vide soudées. Ces joints soudés sont particulièrement vulnérables à la rupture en fatigue car ils sont susceptibles de se présenter comme des zones d'initiation de fissures en fatigue sous l'effet du chargement cyclique du trafic. La fatigue est un état limite critique dans la conception de nombreux ponts de courte à moyenne portée. Traditionnellement, les techniques de soudage conventionnelles par fusion ont été utilisées pour fabriquer les tabliers de ponts en aluminium. Ces techniques ont été connues par produire certains défauts métallurgiques et une variété de défauts volumiques lorsqu'ils sont utilisés pour des structures en aluminium. Ces défauts ont un effet significatif sur la résistance en fatigue des joints soudés. Cependant, une technologie de soudage « relativement » nouvelle connue comme soudage par friction-malaxage (FSW) a émergé et a été suggérée pour être utilisée dans des projets d'infrastructure impliquant de l'aluminium. Cette approche innovante de soudage a montré qu'elle produisait une qualité de soudure améliorée et offrait un meilleur contrôle des défauts de soudure par rapport aux méthodes de soudage traditionnelles. Pourtant, son utilisation est encore limitée en raison de l'insuffisance de directives dans les codes et normes actuels. Des facteurs clés tels que la résistance en fatigue des joints FSW et les critères complets de contrôle de la qualité, y compris les niveaux de tolérance pour les défauts couramment rencontrés, restent non standardisés. De plus, les modèles numériques utilisés pour la conception en fatigue des ponts en aluminium sont rares. Comme les alliages d'aluminium extrudés sont de plus en plus utilisés pour la construction de ponts, il existe un besoin croissant de modèles numériques robustes capables de prédire avec précision le comportement en fatigue des tabliers de pont en aluminium extrudé soudés sous diverses conditions de chargement. Cette thèse doctorale vise à caractériser le comportement en fatigue des configurations FSW les plus récentes dans l'industrie des tabliers de pont, en particulier les joints FSW en bout à bout à recouvrement. Le projet cherche également à établir des niveaux de tolérance pour les défauts d'ajustement associés aux tabliers de ponts et à étudier leurs effets sur les performances métallurgiques et en fatigue des joints FSW en bout à bout à recouvrement. Enfin, la thèse vise à développer des modèles numériques capables de prédire la durée de vie à en fatigue d'échantillons FSW en bout à bout à recouvrement à grande échelle extraits de vrais tabliers de ponts en aluminium sous diverses configurations de chargement. Des essais expérimentaux et une analyse numérique ont été menés pour étudier le comportement en fatigue des joints FSW en bout à bout à recouvrement utilisés dans les tabliers de ponts en aluminium. Des essais de fatigue à grande échelle ont été conçues pour provoquer la rupture en fatigue dans le joint FSW des échantilons constitués d'une paire d'extrusions utilisées dans les tabliers de ponts. Les résultats expérimentaux ont indiqué que la rupture s'est initiée à partir du défaut de la remontée de surface à la pointe de l'interface dans la racine de la soudure et s'est propagée jusqu'au point d'application de la charge. Les simulations numériques ont évalué les données expérimentales de fatigue avec l'approche de la contrainte effective de concentration (ENS) recommandée par l'Institut International International de Soudage (IIW). Les résultats ont montré que la courbe de conception en fatigue IIW FAT-71 a évalué de manière conservatrice les données de fatigue. Les défauts d'ajustement, y compris les écarts et les décalages d'outil, ont été simulés et fabriqués expérimentalement, et leurs niveaux de tolérance ont été déterminés en fonction d'un processus de préqualification par étapes en utilisant les critères d'acceptation du code de contrôle de la qualité du FSW. De plus, une condition de soudage où la direction de rotation de l'outil FSW a été inversée, a été simulée expérimentalement pour déterminer quelle direction de rotation fournit une meilleure résistance en fatigue pour les joints FSW en bout à bout à recouvrement. Des échantillons de fatigue FSW en bout à bout à recouvrement à grande échelle présentant ces conditions de soudage ont été fabriqués et testés en fatigue. Les données de fatigue de ces essais ont été analysées statistiquement et comparées, ainsi qu'une analyse numérique pour enquêter sur les différences de résistance en fatigue entre les conditions de soudage. Les résultats ont révélé que le défaut de la remontée de surface a joué un rôle critique dans les mécanismes de rupture en fatigue et la résistance en fatigue des joints FSW en bout à bout à recouvrement, l'absence de défaut de remontée de surface conduisant à des améliorations significatives de la résistance en fatigue. Un cadre numérique pour prédire la durée de vie en fatigue des échantillons FSW en bout à bout à recouvrement a été développé, basé sur un modèle d'éléments finis. Ce cadre a d'abord prédit avec précision la localisation et la direction de l'initiation de l'amorçage de fatigue en utilisant la théorie des distances critiques (TCD) avec à la fois la méthode de point (PM) et la méthode de ligne (LM). Ensuite, en fonction de la localisation estimée de l'initiation de l'amorçage de fatigue, la durée de vie en fatigue est prédite en utilisant la TCD et les modèles simplistes de mécanique de la rupture élastique linéaire (LEFM). L'efficacité du cadre numérique a été vérifiée en comparant ses prédictions avec des données expérimentales de fatigue provenant de essais de fatigue réalisés sur des échantillons sous différentes configurations de chargement, démontrant un accord raisonnable entre les prédictions et les résultats expérimentaux. / Modern aluminium bridge decks are made from welding several long multi-void extrusions. These welded joints are particularly vulnerable to fatigue failure as they are likely to serve as fatigue crack initiation zones under the effect of cyclic traffic loading. Fatigue is a critical limit state in the design of many short to medium bridges. Traditionally, conventional fusion welding techniques have been used to fabricate aluminium bridge decks. These techniques have been known to produce metallurgical defects and a variety of volumetric defects when used for aluminium structures. These defects have significant effect on the fatigue resistance of welded joints. However, a relatively new welding technology known as friction stir welding (FSW) has emerged and has been suggested for use in infrastructure projects involving aluminium. This innovative welding approach was shown to produce an enhanced weld quality and provide superior control over weld defects to the traditional welding methods. Yet, its use is still limited due to insufficient guidelines in current codes and standards. Key factors such as the fatigue strength of FSW joints and comprehensive quality control criteria, including tolerance levels for commonly occurring defects, remain unstandardized. Furthermore, the numerical models used for fatigue design in aluminium bridges are scarce. As extruded aluminium alloys are increasingly used for bridge construction, there is a growing need for robust numerical models capable of accurately predicting the fatigue behaviour of welded extruded aluminium bridge decks under various load conditions. This doctoral thesis aims to characterize the fatigue behaviour of the most recent FSW configurations in the bridge deck industry, specifically butt-lap FSW joints. The project also seeks to establish tolerance levels for fit-up defects associated with bridge decks and investigate their effects on the metallurgical and fatigue performance of butt-lap FSW joints. Lastly, the thesis aims to develop numerical models capable of predicting the fatigue life of FSW aluminium bridge decks under various loading configurations. Experimental tests and numerical analysis were conducted to study the fatigue behaviour of butt-lap FSW joints used in aluminium bridge decks. Large-scale fatigue experiments were designed to provoke fatigue failure in the FSW joint of specimens consisting of a pair of extrusions used in bridge decks. Experimental results indicated that failure initiated from the hooking defect at the tip of the interface in the weld root and propagated to the load application point. Numerical simulations assessed the experimental fatigue data with the effective notch stress (ENS) approach as recommended by the International Institute of Welding (IIW). The results showed that the IIW FAT-71 fatigue design curve conservatively assessed the fatigue data. Fit-up defects, including gaps and tool offsets, were simulated and fabricated experimentally, and their tolerance levels were determined based on a stage prequalification process using FSW quality control code acceptance criteria. Additionally, a welding condition where the FSW tool rotational direction was reversed, was experimentally simulated to investigate which rotational direction provides better fatigue strength for butt-lap FSW joints. Large-scale butt-lap FSW fatigue specimens featuring these welding conditions were fabricated and fatigue-tested. The fatigue data from these tests were statistically analyzed and compared, along with numerical analysis to investigate differences in fatigue strength between welding conditions. Results revealed that the hooking defect played a critical role in fatigue failure mechanisms and fatigue strength of butt-lap FSW joints, with the absence of the hooking defect leading to significant improvements in fatigue strength. A numerical framework for predicting the fatigue life of butt-lap FSW specimens was developed, based on finite element analysis. This framework first accurately predicted the fatigue initiation location and direction using the theory of critical distances (TCD) with both the point method (PM) and line method (LM). Depending on the estimated fatigue initiation location, the fatigue life is then predicted using TCD and linear elastic fracture mechanics (LEFM) models. The numerical framework's efficiency was verified by comparing its predictions with experimental fatigue data from fatigue tests conducted on specimens under different loading configurations, demonstrating reasonable agreement between the predictions and experimental results.

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.

Dans un but de réduction de poids des avions, un alliage Al-Cu-Li (2198-T8) assemblé par friction-malaxage est envisagé par les avionneurs pour des applications de type fuselage et intrados de l'aile. L'objectif de cette étude est de déterminer le comportement en fatigue des soudures par friction-malaxage et l'influence de certains défauts de soudage pour une durée de vie de l'ordre de 105 cycles. Pour cela le matériau de base, des soudures réalisées pleine tôle (sans défaut), des soudures contenant un résidu de plan de joint (dû à la couche d'oxydes initialement présente sur les chants des tôles avant soudage), un "kissing bond" (dû à un manque de pénétration de l'outil) et un "GAP" (correspondant à un défaut d'accolement des tôles) ont été testés. Pour la durée de vie visée, les soudures sont déformées plastiquement durant la première moitié du premier cycle. Le comportement en traction monotone des soudures n'a montré aucune influence significative des défauts de soudage sur les propriétés des soudures, bien que le kissing bond et le GAP soient le site d'amorçage de la rupture. Des essais de traction in situ au MEB ont permis de déterminer une contrainte seuil au-delà de laquelle on observe l'ouverture du kissing bond. L'étude du comportement en traction des soudures a été complétée par une simulation 3D par éléments finis. Les courbes de Wöhler ont montré que le résidu de plan de joint n'engendrait pas de baisse significative de la durée de vie des soudures, alors que le kissing bond et le GAP conduisaient à une réduction de l'ordre de 17% et 28% respectivement sur la contrainte à 105 cycles. L'étude des mécanismes d'amorçage a révélé que ces deux défauts étaient site d'amorçage de fissures de fatigue uniquement au-delà d'une contrainte seuil. Dans ces cas, la phase d'amorçage était réduite à l'ouverture du défaut durant la première moitié du premier cycle. La rupture finale des soudures a été étudiée au travers d'essais de déchirure ductile montrant une évolution de la nocivité des défauts similaire à celle révélée par les courbes de Wöhler.

Ce rapport est une synthèse de mon activité de recherche post-thèse au LG2M à Lorient. Les recherches exposées se situent dans le domaine de la rhéologie des matériaux cimentaires en phase plastique.<br /><br />Le malaxage en camion bétonnière, la pression sur les coffrages, l'étude de la structuration du matériau et enfin une modélisation théorique du comportement expérimental constituent l'ossature des travaux de recherche exposés dans ce rapport.<br /><br />Les méthodes expérimentales employées ont permis d'investiguer l'évolution de la rhéologie et de la maturation des matériaux cimentaires à travers l'observation de l'état de l'eau dans la matière. L'étude de l'évolution de la pression interstitielle et de la pression totale exercées par une colonne de matériau sur un coffrage, couplée à des expériences de rhéologie, de retrait endogène et de conductivité hydraulique nous a permis de tirer plusieurs enseignements :<br /><br />o Il est possible de mesurer correctement à l'aide d'une bétonnière portée (camion toupie) les caractéristiques rhéologiques d'un béton, en appliquant les principes de la rhéomètrie rotative.<br /><br />o Après malaxage et mise en œuvre dans un coffrage, la pression interstitielle et la pression totale des bétons sont égales jusqu'à annulation de la pression totale. Les contraintes effectives sont nulles sur cette phase. Une dépression interstitielle est ensuite observée. L'annulation de la pression interstitielle se produit à rupture des ponts capillaires.<br /><br />o Le processus physico-chimique d'hydratation du ciment est à l'origine de la chute de pression interstitielle y compris en zone dépressionnaire. La formation des produits d'hydratation induit ensuite l'annulation de la pression interstitielle.<br /><br />o Dans le cas des bétons, l'augmentation de la concentration granulaire induit une baisse de la pression maximale initiale, comparée à la pression hydrostatique, d'un fluide de masse volumique équivalente. C'est le résultat de la mobilisation des frottements aux parois des coffrages.<br /><br />o Le comportement des bétons en termes de cinétique de pression interstitielle est calqué sur celui des pâtes de ciment équivalentes tant que la pression totale est positive. Une influence granulaire sur la zone dépressionnaire due à la reprise d'une partie des contraintes par les granulats est en outre enregistrée.<br /><br />o La chute de pression interstitielle induit un accroissement de la contrainte seuil de cisaillement et du retrait, ainsi qu'une réduction de la conductivité hydraulique.<br /><br />o L'analyse des variations instantanées de pression interstitielle consécutives à un cisaillement à taux de déformation constante montre un comportement opposé suivant que le milieu est granulaire (sable dense saturé par exemple) ou analogue à un fluide visqueux (pâte de ciment par exemple). La dilatance induit une chute de pression interstitielle (cas des milieux granulaires). A l'opposé, un accroissement de pression interstitielle est observé lors du cisaillement de la pâte de ciment.<br /><br />o La modélisation de la variation de la pression interstitielle en phase plastique fondée sur l'adaptation et l'intégration d'une équation d'état de l'eau dans le matériau, a montré la prépondérance d'un terme source qui rend compte du changement de l'état de l'eau lors de la phase d'hydratation du ciment. Ce terme est identifié à une gaussienne dont les paramètres sont déterminés par analyse inverse. Les résultats de la simulation sont majoritairement très proches de ceux de l'expérimentation.<br /><br />Finalement, l'ensemble des résultats obtenus montre qu'à l'aide du seul capteur de pression interstitielle, il est possible de détecter précisément la structuration des matériaux cimentaires. A ce titre, une des applications possibles concerne la détermination d'une valeur discrète du temps de prise.<br /><br />Une conclusion incluant mon projet de recherches est enfin présentée.