Le friction stir welding (FSW) est un procédé de soudage inventé en 1991 par l'institut de soudure anglais, le TWI. Celui-ci suscite un vif intérêt de la part de l'industrie aéronautique par sa capacité de souder les alliages d'aluminium de la série 2XXX et 7XXX, à durcissement structural, réputés pratiquement insoudables. Ce procédé étant relativement récent, il fait encore sujet de recherches actives. Ce travail a pour objectif de prévoir le profil de dureté d'un joint soudé par FSW d'un alliage d'aluminium, le 2024 T3. Cet alliage étant à durcissement structural, il est nécessaire de prévoir l'influence de la température sur l'évolution de la précipitation au cours du procédé pour en déduire sa limite d'élasticité. L'estimation du champ de température durant le régime stationnaire du procédé s'appuie sur des travaux internes au centre SMS. La prévision de la précipitation au cours du soudage est effectuée à l'aide de deux modèles. Le premier modèle, à base d'équivalence temps–températures, est une proposition d'extension aux alliages d'aluminium sous-revenu du modèle de Myhr & Grong (1991) établi dans le cas des alliages d'aluminium sur-revenu. Le deuxième modèle s'appuie sur une discrétisation de la distribution des rayons des précipités, suivant le schéma numérique de Kampmann et Wagner (1983), pour calculer ensuite son évolution. Bien que le premier modèle permette de prévoir l'évolution de la dureté au cours de recuits isothermes, les profils de dureté simulés ne sont pas en accord avec les profils expérimentaux. Seul le deuxième modèle permet une prévision raisonnable de la microstructure, en accord avec les mesures réalisées dans la thèse de Genevois (2004), et des profils de dureté proches des résultats expérimentaux. Finalement, une expression analytique en fonction des paramètres microstructuraux du flux de chaleur lors d'un essai de calorimétrie différentielle (DSC) a été établie. Celle-ci donne la possibilité de simuler un essai de DSC, et de vérifier ainsi la cohérence entre les grandeurs thermodynamiques et cinétiques introduites dans le deuxième modèle de précipitation.

La course à l'allègement des aéronefs constitue aujourd'hui l'un des enjeux principaux de l'industrie aéronautique. Le remplacement des rivets par des soudures FSW sur les voilures permettrait de gagner jusqu'à 20% de la masse totale de la voilure. Ce travail réalisé en collaboration avec Dassault-Aviation s'inscrit dans le cadre du projet ADSAM (Assemblage de Structures Aéronautiques Métalliques) visant à fabriquer un démonstrateur de caisson de voilure soudé par FSW. Cette étude traite du comportement mécanique en traction monotone quasi-statique et en fatigue oligocyclique (10⁴ à 10⁵ cycles) d'alliages d'aluminium (séries 2000 et 7000) soudés par FSW. L'objectif est d'étudier l'effet des hétérogénéités microstructurales induites par le soudage sur les hétérogénéités de comportement mécanique dans les joints soudés. La corrélation d'images numériques a été utilisée pour définir la réponse mécanique (σnominale - εvraie) dans chacune des zones constituant ces soudures. En complément, des essais sur des mini-éprouvettes prélevées dans l'épaisseur des joints ont permis d'établir le comportement local (σvraie - εvraie) dans chacune des zones du joint. Sous chargement de traction monotone, la rupture des soudures FSW a été observée dans la zone de localisation des déformations anélastiques située aux minima des profils de microdureté. En revanche, les fissures de fatigue ne démarrent pas nécessairement dans ces zones de localisation. Des analyses microscopiques des faciès de rupture ont permis d'identifier deux mécanismes principaux d'amorçage de fissure : (i) rupture ou (ii) décohésion de particules intermétalliques. D'autre part, les essais cycliques montrent une adaptation élastique des matériaux dans les différentes zones du joint (noyau, ZAT et ZATM) après stabilisation autour d'une déformation moyenne non nulle. En terme de durée de vie, les résultats d'essais sur éprouvettes entaillées traitées OAC (représentative de zones critiques sur structure) montrent que le soudage par FSW réduit jusqu'à 50% la tenue en fatigue de ces alliages. L'amorçage des fissures de fatigue est dû aux piqûres créées par le traitement d'OAC. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ouvrent des perspectives intéressantes pour modéliser le comportement mécanique des joints soudés par FSW afin d'estimer leur durée de vie en fatigue oligocyclique.

Le travail de thèse présenté est dédié à la mise en forme des pièces rechargées. L'idée initiale est d'inverser la gamme de fabrication " conventionnelle " consistant à recharger une pièce pré-ébauchée en faisant la mise en forme d'un " lopin " préalablement rechargé. Les avantages escomptés de cette gamme vient dans un premier temps de ce qu'on recharge une forme simple. Ceci devrait faciliter l'automatisation du rechargement et également le amélioration les structures métallurgiques de solidification issues du soudage. Les travaux concernent dans un premier temps la mise en place d'une méthodologie pour la maîtrise de l'opération de rechargement sur des formes simples pour mettre en place le lien entre le taux de dilution, l'énergie nominale de soudage et la qualité métallurgique des revêtements obtenus. Dans un deuxième temps, le travail s'est concentré sur l'étude du comportement en mise en forme des pièces rechargées. La difficulté provient du fait que le comportement du revêtement n'est pas connu. Deux essais de caractérisation ont été étudiés, le pliage à chaud et l'essai d'écrasement. Cette étude a consisté à estimer leur aptitude à évaluer la forgeabilité d'un multi matériaux concernant les trois échelles de forgeabilité: l'échelle du revêtement correspondant au comportement rhéologique du matériau du revêtement incluant sa limite de ductilité à chaud, l'échelle du revêtement incluant le revêtement et la partie proche du substrat et l'échelle de la pièce. Les simulations à partir de modèle analytique ou numérique par éléments finis ainsi que les essais expérimentaux ont permis d'évaluer la forgeabilité du bi-matériau. Les essais expérimentaux de forgeabilité devront également caractériser les transformations métallurgiques se produisant dans le revêtement et le substrat pour qualifier et quantifier le gain potentiel.

Thèse doctorat : Mécanique : Villeurbanne, INSA : 2007. / Thèse rédigée en anglais. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 145-155.

Lors de la réparation d'un défaut, le processus consiste à éliminer la matière dans la zone englobant le défaut, puis à recharger cet affouillement par un dépôt de cordons de soudure, afin de remettre en conformité la pièce en vérifiant les critères de conception. Pourtant la zone rechargée constitue en elle-même un site sensible où le niveau des contraintes résiduelles peut être préjudiciable de par son importance, notamment localement, s'il porte des contraintes de traction. Les risques de récidive d'endommagement pourraient être réduits par certains procédés de parachèvement. Ces procédés permettent de générer une zone de compression en peau externe et en sous couche de la pièce traitée. Par conséquent, la durée de vie d'une pièce ainsi parachevée pourrait être augmentée. Parmi les procédés existants, nous nous intéresserons dans cette étude à la mise en compression par billage ultrasonore. L'objectif de cette contribution est de prédire le niveau des contraintes résiduelles induites par le billage sur une pièce rechargée par soudage multi-passes. Pour mener à bien cet objectif, une étude expérimentale du billage a été réalisée sur des éprouvettes minces et épaisses afin d'identifier les paramètres influents et de disposer d'une base de résultats expérimentaux - comme par exemple la répartition quantitative des contraintes résiduelles dans la matière traitée - à confronter à la simulation. L'originalité de ce travail est de mettre en œuvre, en termes d'évaluation, une modélisation tridimensionnelle représentant correctement les phénomènes locaux et basée sur un modèle semi-analytique. Ce modèle numérique présente l'avantage de temps de calcul considérablement réduits par rapport aux méthodes éléments finis plus conventionnelles, sans pour autant sacrifier à la qualité des résultats. Pour cette application, ce modèle semi-analytique a été validé par des benchmarks aux éléments finis dans le cas de mono et multi impacts. Puis cette approche prédictive a été validée par l'expérience. Enfin, une simulation numérique du soudage a été réalisée afin de disposer d'un champ de contraintes résiduelles de soudage. Les résultats des calculs, obtenus par chaînage de simulations numériques des procédés de soudage puis de billage, ont ensuite été confrontés aux grandeurs mesurées sur des éprouvettes initialement précontraintes par flexions alternées puis billées selon des paramètres du processus identifiés antérieurement. L'état précontraint (qu'il provienne de la thermique du soudage ou de l'écrouissage de flexion alternée) a été introduit en données d'entrée, en tant que pré-chargement, dans le modèle numérique simulant les impacts.

Le soudage hybride arc / laser représente une solution adéquate à l'assemblage de tôles d'acier de forte épaisseur. La présence d'une source laser en amont de la torche MIG permet d'accroître la productivité du procédé tout en assurant une excellente qualité de la soudure. Cependant la phénoménologie complexe de ce procédé multiphysique n'est pas encore totalement maîtrisée, ce qui motive le développement d'outils de simulation numérique. La présente étude s'est déroulée dans le cadre d'un projet multipartenaires "SISHYFE" (ANR Matériaux et Procédés).Dans ce but un modèle éléments finis 3D non stationnaire a été développé. Construit à partir de l'approche level set, il est en mesure de simuler un procédé multi-passes de soudage hybride arc / laser. Il a été développé autour de quatre principaux axes. (1) Une modélisation plus réaliste de l'apport de chaleur a conduit à la définition d'un nouveau modèle basé sur le rayonnement thermique pour décrire la source MIG. (2) Grâce au couplage entre l'intégration de termes source de matière et de chaleur dans les équations de conservation et l'actualisation de l'interface gaz / métal, le modèle proposé est capable de simuler le développement d'un cordon de soudure. (3) L'intégration d'une modélisation des écoulements du bain de fusion dans une approche level set a été évaluée et son impact sur la distribution thermique dans le métal analysé. (4) La simulation de la formation des contraintes pendant et après soudage a été possible grâce à l'adaptation d'un solveur thermomécanique.La modélisation finale a permis de simuler une configuration industrielle de soudage hybride arc / laser multi-passes. Des mesures expérimentales effectuées par les partenaires du projet "SISHYFE" ont été utilisées afin d'évaluer le modèle et d'éprouver sa capacité à reproduire l'expérience.

Les procédés de soudage conduisent à des modifications de microstructure et induisent des contraintes et distorsions résiduelles jouant un rôle important sur la tenue mécanique des assemblages. Cette étude a pour objectif la modélisation des phénomènes thermomécaniques liés à l'opération de soudage du TA6V, ce qui implique d'identifier et de modéliser les sollicitations thermiques imposées par le soudage, le comportement métallurgique et thermomécanique du matériau. L'étude thermique et métallurgique a permis de montrer les principales évolutions de phases de l'alliage, durant le soudage laser. Ainsi, en première approximation, nous pouvons considérer que 3 phases distinctes sont à prendre en compte dans le calcul thermomécanique (la phase a, la phase ß et la phase a'). Afin de caractériser les phases ou mélange de phase en présence, des essais thermomécaniques sont réalisés pour diverses températures et conditions de déformation. Concernant le choix du modèle numérique, on adopte pour chacune des phases un modèle à variables internes de type Lemaître et Chaboche avec écrouissage cinématique non linéaire, un critère de plasticité de type Von Mises et une loi d'écoulement viscoplastique de type Norton, couplé à une loi de transition d'échelle. L'identification de chaque phase se fait par méthode inverse, à partir des essais thermomécaniques, grâce au module d'optimisation de ZSeT/ZMaT. La loi de localisation choisie est basée sur un modèle polycristallin en ß qui permet le passage du comportement microscopique de chaque phase au comportement macroscopique de l'ensemble. La validité de ce modèle décrit précédemment passera par la définition d'un essai expérimental représentatif des différents phénomènes rencontrés lors de l'opération de soudage.

Les conditions de solidification de la matière au cours d’une opération de soudage sont très particulières. Le phénomène se produit en effet à des vitesses de croissance de grains élevées, en présence de forts gradients de températures, et surtout de forts écoulements dans le bain liquide, qui peuvent modifier les mécanismes de solidification.Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution à la compréhension des couplages pouvant exister entre écoulements et mécanismes de solidification, en relation avec les paramètres de soudages, à l’échelle macroscopique du bain, mais aussi à l’échelle microscopique des grains en cours de solidification.Une étude expérimentale est menée, basée sur l’observation in-situ d’un bain liquide traversant généré sur une tôle mince d’alliage Cu30Ni à l’aide d’une torche de soudage TIG (Tungsten Inert Gas), dans deux configurations :une configuration statique générant un bain de fusion axisymétrique, et une configuration en translation générant une ligne de fusion.Pour chaque configuration, la morphologie du front de solidification et les écoulements autour du front sont observés à l’échelle microscopique à l’aide d’une caméra rapide équipée d’un objectif à fort grossissement.A l’échelle macroscopique, le bain dans son ensemble est observé à l’aide d’une caméra infra-rouge et de deux caméras filmant dans le visible.La première permet d’obtenir le champ de température dans le solide sur la face envers, tandis que les deux autres permettent de déterminer la frontière du bain sur les faces supérieure et inférieure.Les observations synchronisées ont permis d’extraire une grande quantité de données permettant de discuter les interactions entre mécanismes de solidification et écoulements pour plusieurs conditions de soudage.Pour finir, les résultats expérimentaux sont confrontés aux résultats issus de modélisations analytiques et numériques, afin de discuter la validité de ces modèles et de tenter de mieux comprendre les analyses. / In welding processes, solidification is very specific. This phenomenon leads to high grain growth rates, in presence of high temperature gradients and strong fluid flows in the liquid, that can change the solidification mechanisms.This work investigates the coupling between fluid flows and solidification mechanisms, related to welding parameters, at weld pool scale (macroscale) and at grains scale (microscale).An experimental study is carried out, based on in-situ observations of a fully penetrated weld pool, generated on a thin Cu30Ni plate with a GTAW torch in two configurations :a static configuration generating an antisymmetric weld pool and a translating configuration generating a weld bead.For each configuration, the solidification morphology and the fluid flows in the solidification front area are observed at microscopic scale, with a high speed camera coupled with a high magnification lens.At macroscopic scale, the whole weld poll is observed with an infra-red camera and two cameras in visible range.We can then obtain on one hand the temperature field on the bottom of the plate and on the other hand the weld pool boundaries on the top and the bottom of the plate.The synchronised observations give access to an important quantity of data allowing the discussion of the interactions between solidification mechanisms and fluid flows for several welding conditions.Finally, the experimental results are compared to theoretical results obtained from analytical and numerical simulations, in order to discuss the possible limitations of models and try to better understand the analysis.

Les travaux de cette thèse concernent le développement d’un modèle par éléments discrets du comportement thermo-mécanique d’un alliage d’aluminium et de son évolution microstructurale lorsqu’il est soumis à des conditions de grandes déformations et/ou de grandes vitesses de déformation (soudage par friction-malaxageou FSW). Le procédé de « soudage par friction malaxage » (Friction Stir Welding,FSW) est un procédé de soudage récent, inventé en 1991 par « The Welding Institute (TWI) ». Ce procédé se distingue des autres par sa capacité à souder la matière à l’état visqueux, sans atteindre le point de fusion. Le principe est relativement simple et comparable à une opération de fraisage, si ce n’est que l’outil coupant est remplacé par un outil malaxant composé d’un pion et d’un épaulement. Ce procédé revêt un fort intérêt pour l’industrie aéronautique, car il offre la possibilité de souder des alliages d’aluminium des séries 2XXX et 7XXX, réputés difficiles à souder par d’autres procédés.Le soudage par friction-malaxage étant un procédé récent, il demeure encore un sujet de recherche actif, pour mieux appréhender certains points comme l’écoulement de la matière, l’influence des paramètres du procédé (vitesse de rotation, forme de l’outil, ...)et la modification de la microstructure. Ce dernier point est particulièrement important pour les alliages à durcissement structural comme ceux des séries 2XXX et 7XXX. Pour ces alliages d’aluminium, les propriétés mécaniques dépendent étroitement de leur état de précipitation, lui-même influencé par l’apport de chaleur généré lors du soudage.L’optimisation des paramètres de soudage par rapport aux propriétés mécaniques passe obligatoirement par la prédiction de l’état de la précipitation le long du joint soudé. Le travail de la thèse vise à mettre en place des modèles à l’échelle de la microstructure permettant de prévoir la modification des propriétés de la matière liées aux paramètres du procédé. / The work of this thesis concerns the development of a model using the discrete element method, for the thermo-mechanical behavior of an aluminum alloy and its microstructural evolution when exposed to conditions of large deformations and/or high deformation rates (Friction StirWelding or FSW). Friction stir welding is a recent welding process invented in 1991 by "The welding Institute" (TWI). This process is different from the others by its ability to weld material in the viscous state, without reaching the melting point. The principle is relatively simple and similar to a milling process except that the cutting tool is replaced by a rotary tool composed of a pin and a shoulder. This process is of great interest in the aircraft industry because it offers the possibility to weld aluminum alloys 2XXX and 7XXX series, known to be difficult to weld by other processes. Since friction stir welding is a recent process, it still remains a subject of active research, to better understand certain issues such as material flow, influence of process parameters (rotation speed, tool shape, ...) and the modification of the microstructure. This last point is particularly important for structural hardening alloys such as those of the 2XXX and 7XXX series. For these aluminum alloys, the mechanical properties are highly dependent on their state of precipitation, which is itself influenced by the heat generated during thewelding. The optimization ofwelding parameters in order to obtain good mechanical properties requires the prediction of precipitation state along thewelded joint. Thework of this thesis is to develop required models at the scale of microstructure allowing to predict the modification of material properties related to the process parameters

La thèse porte sur deux aciers emboutissables à chaud, soudés en configuration homogène ou hétérogène en termes de composition chimique et d'épaisseur. Les solutions en flans raboutés laser présentent en effet de remarquables performances à l'impact et connaissent un fort développement dans le contexte actuel de l'industrie automobile (réduction des émissions de CO2 et amélioration de la sécurité passive des véhicules). L'opération de soudage laser peut générer une hétérogénéité de la jonction soudée, due au mélange imparfait des deux matériaux et des conditions thermiques de solidification et d'emboutissage à chaud. Les propriétés mécaniques du joint soudé sont donc déterminées par la qualité du mélange, la composition chimique locale et le cycle thermique.La première partie de l'étude est consacrée à la quantification de l'hétérogénéité du joint soudé et la compréhension de la microstructure. Une nouvelle méthodologie a été développée pour étudier le comportement métallurgique et mécanique de ces joints hétérogènes, en élaborant des coulées synthétiques représentant les différentes compositions chimiques attendues dans le joint réel. Le comportement du joint soudé est reconstruit à partir des données obtenues par la caractérisation de ces coulées synthétiques. La deuxième partie de l'étude porte sur la compréhension de la formation de la microstructure de la zone fondue avant et après traitement thermomécanique simulant l'emboutissage à chaud. Des modèles quantitatifs ont été établis pour calculer les températures de changement de phase, les proportions relatives des constituants microstructuraux ainsi que la dureté de ces alliages en fonction de la composition chimique et du cycle thermique. La dernière partie de l'étude porte sur le comportement mécanique après traitement thermique. Des lois de comportement des matériaux synthétiques ont été déterminées en fonction de leur composition chimique et du cycle thermique. La sensibilité à la rupture fragile par clivage a été évaluée par des essais de traction sur éprouvettes sévèrement entaillées. Les lois de comportement obtenues ont été appliquées pour déterminer la tolérance du joint soudé à un défaut géométrique, sous sollicitation de traction uniaxiale. / This thesis is focused on the study of welded steel grades deformed by hot stamping. Typically, a laser welded blank is formed by butt joining two steel sheets, which can be identical or differ in chemical composition and/or sheet thickness. Such laser welded blank solution offers excellent crash performance, significant CO2 emission reduction and passive car safety thus it is of great interest for the automotive industry. The laser welding process may induce chemical and metallurgical heterogeneities arising from an incomplete mixture of the two base metals and from the thermal cycle conditions during welding and the subsequent heat treatment. The mechanical behaviour of the weld is therefore determined by the mixing quality, the chemical composition and the thermal cycle.The first part of the study aims at the quantification of the weld heterogeneity and the characterisation of the resulting microstructure. In this work, a new method is proposed to study the metallurgical and mechanical behaviour of those heterogeneous welds, by elaborating synthetic casted alloys representative of the different chemical compositions that can be locally found in the weld. The behaviour of the weld is then reconstructed from the results obtained from the characterisation of those synthetic casted alloys. The second part of the study concerns the understanding of the microstructure formation in the molten zone before and after a thermo-mechanical treatment which replicates the hot stamping conditions. Quantitative models have been established to calculate the phase transformation temperatures, the proportion of the principal constituents in the microstructure, and hardness of the weld as a function of chemical composition and thermal cycle parameters. The last part of the study is dedicated to the evaluation of the mechanical behaviour of the synthetic alloys after heat treatment. The constitutive material behaviour laws for each alloy have been identified. The sensitivity to brittle cleavage fracture has been assessed by tensile tests on severely notched bars. The constitutive material models are then applied to determine the sensitivity of the weld to geometrical defects under uniaxial loading.