La technologie de soudage par friction, déjà appliquée aux thermoplastiques et aux métaux depuis plusieurs décennies, est utilisée ici pour le bois. Les objectifs de notre travail sont la réalisation d’assemblages soudés par rotation ou vibration linéaire et l’étude des paramètres qui influent sur les caractéristiques des joints soudés, à savoir le type d’essence utilisée, l’orientation du fil, la conception du joint et les réglages machine (fréquence, amplitude de déplacement, pression, temps). Les performances mécaniques des assemblages ont été testées par cisaillement, traction et selon une approche de la mécanique de la rupture. Dans le cas du soudage rotatif, nous avons proposé un nouveau modèle de conception de joints plats avec une disposition en zigzag des tourillons qui conduit à des assemblages qui peuvent être utilisés pour des demandes non-structurales en extérieur avec de brèves durées d’exposition non protégée. Pour le soudage linéaire, il ressort que les paramètres fréquence de vibration et temps de soudage sont déterminants pour la qualité des assemblages. Alors que la microdensitométrie de rayons X et la microscopie électronique à balayage (MEB) ont permis d’observer une densification de l’interface soudée, les analyses par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et résonance magnétique nucléaire (RMN) du 13C ont mis en évidence des modifications chimiques du matériau dans cette zone qui conduisent à une amélioration de la résistance à l’eau des assemblages. Par ailleurs, l’analyse par chromatographie en phase gazeuse couplée spectrométrie de masse (GC-MS) des gaz émis pendant le soudage démontre le caractère propre du procédé (vapeur d’eau majoritaire, quantités négligeables de CO2, absence de CO et de CH4). / Frictional wood welding, a technology already applied to weld thermoplastics and metals for several years, is used here to weld wood. The aims of this work were to put together welded wood joints either by linear or rotational welding as well as to study the parameters which have an influence on the characteristics of welded joints: thus, the wood species used, the orientation of the wood grain, the construction design of the joint and the welding parameters (such as the vibration frequency, displacement, welding pressure and welding time). The mechanical performance of the wood joints prepared were tested in shear, in tension as well as according to the principles of fracture mechanics. For rotational welding, a new planar joint design has been proposed with a zig-zag positioning of the welded dowels which led to joints that can be used for non-structural applications under exterior unprotected conditions for brief periods of time (up to one year). For linear vibration welding it was determined that the welding parameters used are determinant to the quality of the joints. Much improved joint strengths and water resistance were obtained as a consequence. Analysis by X-ray microdensitometry coupled to scanning electron microscopy have allowed to observe and follow the densification of the welded interface as a function of welding parameters. FTIR and 13C NMR analysis of the welded line have pointed out marked chemical modifications at the welded interface contributing to the improvement of both joint strengths and water resistance. Furthermore, gas chromatography analysis coupled with mass spectrometry (GC-MS) has allowed to determine the non-polluting nature of the mix of gases emitted during welding (Predominance of water vapour, traces only of CO2, absence of CO and CH4) and to list exactly the traces of the decomposition products issue during welding from the degradation of lignin and hemicelluloses.

Thèse de doctorat : Automatique, Traitement du Signal et Génie Informatique : Nancy 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Thèse Doctorat : SCIENCES APPLIQUEES : Metz : 1991. / 1991METZ015S. 57 REF.

Le milieu industriel est aujourd'hui marqué par une concurrence intense, une importante pénurie de main d'œuvre de même que par une complexité et une grande diversification de la demande des clients. Les entreprises doivent donc veiller à optimiser leurs processus de production, à améliorer l'efficacité et la productivité de leur environnement de fabrication, ainsi qu'à tendre un peu plus vers des technologies intelligentes. Cette recherche s'intéresse à la robotisation d'un processus de soudage au sein d'une entreprise fabricant des trains de divers modèles. En faisant appel à la cartographie des processus ainsi qu'à la simulation, elle vise à comprendre et à analyser le processus de façon à identifier les inefficacités et les goulots d'étranglement du système tout en proposant des modifications pour améliorer l'efficacité de la cellule robotisée. Pour ce faire, la recherche a débuté par la réalisation d'une revue de la littérature axée sur le rôle critique de l'automatisation des processus de soudage dans l'industrie. Elle a ainsi pu mettre en relief les principaux modèles de planification, les techniques de soudage, les approches de planification opérationnelle et tactique, les indicateurs de performance, ainsi que les principaux facteurs et défis affectant les processus de soudage robotisés du secteur de production de trains. Par la suite, une cartographie des processus a été réalisée, afin de fournir une visualisation détaillée des opérations de soudage en cours chez le partenaire de l'étude. L'analyse de la carte a permis de mettre en relief les éléments à revoir et à améliorer dans le système de production, en plus de servir d'étape fondamentale pour le développement du modèle de simulation. Un modèle de simulation a dès lors pu être mis sur pied, afin de comprendre plus en profondeur la dynamique du système, en plus de tester divers scénarios. Il a ainsi été possible d'observer les effets que pourraient avoir une réduction du temps de mise en route ou encore d'une meilleure utilisation des ressources sur le système. Cette recherche aura donc permis, grâce à la simulation, de mieux comprendre le mode de fonctionnement d'une cellule de soudage robotisée, en plus de mettre en lumière des améliorations potentielles pour augmenter la productivité et l'utilisation des capacités du système. / The industrial environment is today marked by intense competition, a significant shortage of labor, as well as complexity and a great diversification of customer demand. Companies must therefore ensure to optimize their production processes, improve the efficiency and productivity of their manufacturing environment, and move a bit more towards smart technologies. This research focuses on the robotization of a welding process within a company manufacturing train of various models. By using process mapping and simulation, it aims to understand and analyze the manufacturing process in order to identify inefficiencies in the system while proposing modifications to improve the efficiency of the robotic cell. To do this, the research began with a literature review focused on the critical role of welding process automation in the industry. It was thus possible to identify key planning models, welding techniques, operational and tactical planning approaches, performance indicators, as well as the main factors and challenges affecting robotic welding processes in this sector. Subsequently, a process mapping was carried out, to provide a detailed visualization of the ongoing welding operations at the partner's site. The analysis of the map allowed to highlight the elements to review and improve in the system under study, in addition to serving as a fundamental step for the development of the simulation model. Asimulation model was then able to be set up, to understand more deeply the dynamics of the system, in addition to testing various scenarios. It was thus possible to observe the effects that a reduction in setup times or a better use of resources could have on the system.This research has therefore made it possible, thanks to simulation, to better understand the operation mode of a robotic welding cell in addition to highlighting potential improvements to increase the productivity and use of the system's capacities.

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.

Thèse doctorat : Sciences del'ingénieur. Mécanique : Metz : 2000. / Bibliogr. p. 207-211.

Thèse de doctorat : sciences. Génie des matériaux : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2005. / 62 réf.

Thèse de doctorat : sciences. Génie des matériaux : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. 62 réf.

Le présent travail vise à élaborer des soudures aluminothermiques de Hautes Performances tout en réduisant leur temps de réalisation. Un procédé de soudage visant à optimiser la soudure (refroidissement accéléré et meilleure tenue en service) est proposé. Les soudures classiques et améliorées sont comparées. La caractérisation métallurgique et thermique des soudures par aluminothermie est réalisée. Un modèle numérique en couplage thermomécanique est développé afin de déterminer l’effet de l’histoire thermique sur les performances des rails soudés. La simulation est validée avec les résultats expérimentaux. Ce travail aborde l’étude de l’influence des contraintes résiduelles sur la tenue en service des rails soudés par aluminothermie. Les contraintes résiduelles sont déterminées sur des soudures classiques, refroidies rapidement, meulées et martelées. Les résultats des contraintes résiduelles sont analysés et comparés avec ceux obtenus numériquement par éléments finis. Des essais de fatigue sont menés sur les différentes configurations pour évaluer l’influence de ces paramètres sur la durée de vie.On montre dans ce travail que les contraintes résiduelles de traction en présence de défauts jouent un rôle important dans les initiations de rupture dans les soudures aluminothermiques. Le refroidissement accéléré des soudures proposé dans cette étude génère des contraintes résiduelles de compression en peau relativement élevées et améliore la tenue en service. De même, le martelage des cordons des soudures améliore la durée de vie par l’atténuation de l’effet d’entaille. / The aim of this study is to develop a “high performance” aluminothermic weld while reducing its execution time. A welding optimised process (rapid cooling and improved performance) is proposed. The standard and improved welds are compared. The thermal and metallurgical characterization of aluminothermic welds is performed. In order to determine the influence of thermal history on the weld’s performance, a thermomechanical finite element model is developed and validated with experimental results. This study addresses the influence of residual stresses on service performance of aluminothermic welded rails. Residual stresses are determined on standard, quickly cooled, ground and peened welds. The measuring results of residual stresses are analyzed and compared with those obtained numerically by finite elements model. Fatigue tests are carried out on these configurations in order to evaluate the influence of these parameters on the lifetime. The experiments show that tensile residual stresses are detrimental and may lead to failures in the presence of weld defects. The rapid cooling process proposed in this study generates compressive residual stresses and improves service life. Besides, the weld’s fillet peening enhances the fatigue performance by reducing the notch effect.

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.