Dans l’industrie automobile, les exigences en matière d’émissions polluantes conduisent à alléger les véhicules, notamment en réduisant l’épaisseur des tôles. Ce travail en partenariat avec ArcelorMittal porte sur le soudage par résistance par point de tôles fines d’acier. L’objectif est d’identifier les phénomènes qui induisent les difficultés de soudabilité opératoire rencontrées avec une combinaison dissymétrique de trois tôles revêtues, incluant une tôle très mince galvanisée de moins de 0,6 mm, une tôle de DP600 et une tôle en Usibor® emboutie à chaud. Des observations par caméra infrarouge montrent que les échauffements initiaux se produisent principalement au niveau des interfaces avec la tôle d’Usibor®1500, et que le noyau se forme du côté de cette tôle, loin de la tôle mince. Les valeurs très élevées des résistances de contact électrique et thermique, mesurées aux interfaces avec la tôle d’Usibor®, sont imputables au revêtement Alusi® et sont à l’origine des forts échauffements initiaux observés à ces interfaces. Un modèle numérique, limité aux aspects électrothermiques et développé sur COMSOL Multiphysics®, a permis de montrer que la zone fondue s’initie très rapidement dans la tôle d’Usibor® 1500 sous l’effet des fortes résistances de contact adjacentes, et que son développement en épaisseur et diamètre est piloté par les évolutions des rayons de contact électrode-tôle. Les résistances de contact entre électrode et tôle mince, le profil du courant de soudage et les rayons de courbure des faces actives des électrodes sont les paramètres prépondérants à optimiser pour améliorer la pénétration du noyau dans la tôle mince. / In the automotive industry, the requirements for polluting emissions lead to light vehicles, especially in decreasing the steel sheet thickness. This work in partnership with ArcelorMittal focuses on resistance spot welding of steel sheets. The aim is to identify the phenomena that induce operating weldability difficulties encountered with an asymmetrical stack of three coated steel sheets, including a very thin galvanized sheet of less than 0.6 mm, a sheet of DP600, and a hot stamped Usibor® sheet. Infrared camera observations show that the initial heating takes placeat the interfaces with the Usibor®1500 sheet, and that the nugget appears inside this sheet, away from the thin sheet. The very high values of the electrical and thermal contact resistances, measured at the interfaces with the Usibor®1500 sheet, are due to the Alusi® coating and are at the origin of the strong initial heating at these interfaces. A numerical model, limited to the electro- thermal aspects and developed with COMSOL Multiphysics®, shows that the nugget is initiated very quickly in Usibor®1500 sheet under the effect of adjacent contact resistances, and that its development is driven by the evolutions of the electrode-sheet contact areas. The contact resistances between the electrode and the thin sheet, the welding current evolution, and the curvature radius of electrode tips are the most efficient parameters to be optimized to improve the penetration of the nugget in the thin sheet.

Le soudage par point est utilisé par l'industrie automobile pour assembler des tôles minces en acier. L'accumulation des points de soudage entraîne une usure des faces actives des électrodes surtout dans le cas du soudage de tôles galvanisées à haute limite d'élasticité. Cette étude, expérimentale et numérique, porte sur la compréhension des mécanismes de dégradation des électrodes en CuCr1Zr, avec une attention particulière portée à l'influence de l'adoucissement lié à l'état de précipitation du matériau. Le comportement thermomécanique de l'alliage et ses propriétés thermo-physiques ont été caractérisés dans différents états microstructuraux. Des essais de soudage par point instrumentés, sur tôles nues et revêtues, ont permis d'étudier la cinétique de dégradation des électrodes. Ces essais fournissent par ailleurs des données pour valider les simulations numériques réalisées avec le code SYSWELD®. Un modèle couplé électro-thermo-métallurgique permet une simulation correcte du champ de température dans les électrodes et d'évaluer la contribution respective des paramètres de soudage et des conditions aux limites qui influencent l'adoucissement. Un second modèle électro-thermo-métallurgique-mécanique, intégrant une loi de comportement élastoviscoplastique avec une variable de vieillissement, permet de calculer la déformation de l'électrode au cours d'une dizaine de cycles de soudage. Bien que le nombre de points simulés soit insuffisant, les premiers résultats sont satisfaisants en thermique et encourageants pour la mécanique.

Le soudage par point et le collage sont largement utilisés dans la jonction des tôles, telles que l'assemblage de caisses de voiture. Récemment, le soudage par point et le collage ont été combinés pour faire le joint hybride soudé-collé, qui est utilisé pour joindre les aciers à hautes résistances et améliorer la rigidité et la résistance aux chocs des corps de voiture. Dans l'industrie, l'évaluation de la conception avant prototype nécessite des modèles fiables de comportement en termes de prédiction des comportements mécaniques. Le modèle élément finis de joint soudé-collé est un nouveau défi car il doit combiner les modèles de soudage par points et les modèles de collage.Cette thèse se concentre sur la modélisation du joint soudé-collé par de l'acier DP600 et avec l’adhésif structurel SikaPower®-498. La modélisation peur utiliser un modèle solide ou un modèle simplifié (élément coque plus élément de connexion). Le modèle solide permet de prédire le comportement de spécimen à petite échelle: KS2 et cisaillement. Le modèle simplifié peut être utilisé pour prédire la performance des composants de grande dimension avec un coût de calcul acceptable.En ce qui concerne le modèle solide, le comportement du joint soudé et du joint collé sont identifiés séparément calibrés sur un spécimen KS2 sous trajets de chargement différents. Les inhomogénéités dans la zone de fusion et la zone affectée par la chaleur du soudage par point sont prises en compte par l'intermédiaire de facteurs d'échelle applique à la contrainte d'écoulement du métal de base. Les facteurs d'échelle sont determinés par identification inverse. Le modèle de Gurson est utilisé pour prédire la rupture ductile en zone affectée par le chaleur et dans le métal base tandis que le modèle de zone cohésive est utilisé pour simuler la rupture quasi-fragile dans l'interface de la zone de fusion. Les paramètres du modèle de zone cohésive sont identifiés par l'intégrale J à la pointe de fissure de la soudure. Des éléments de zone cohésive avec une loi traction-séparation sont également utilisés pour prédire le décollement adhésif. Les paramètres du modèle sont identifiés par des essais du type « Double Cantilevered Beam » et « End Notched Flexure », correspondant aux mode I et mode II respectivement. Le modèle élaboré pour le soudage par est associé avec le modèle de collage pour prédire le comportement et la rupture du joint soudé-collé.En ce qui concerne le modèle simplifié, des éléments de connexion sont utilisés pour prédire les endommagement des soudure par point. Les paramètres de l'élément de connexion sont identifiés par des tests de KS2 sous différents trajets de chargement. Enfin, les modèles simplifiés d'un soudage, d'un collage, et d'un soudé-collé sont validés sur une jonction en T qui peut représenter le pilier-B de carrosserie de la voiture. / Spot welding and adhesive bonding are widely used in joining of sheet metals, such as assembling of car body-in-white. Recently, spot weld and adhesive are combined to make weld bonded joint, which is employed to join Advanced High Strength Steel to improve the stiffness and crashworthiness of car body. In industry, the assessment of designing prior to prototype requires reliable constitutive models in terms of the prediction of the mechanical behaviors. The FE model of weld bonded joint is a new challenge as it should combine the models of spot welding and the models of adhesive. This thesis focuses on the modeling of weld bonded joint by DP600 steel and structural adhesive SikaPower®-498. The model of weld bonded joint consists of solid model and simplified model. The former is devoted to predict the behavior of weld bonded joint on small-scale specimen: KS2 and lap-shear. The latter can be used to predict the performance of large components with acceptable computational cost. As regards solid model, spot welded joint and adhesive bonded joint behaviors are separately identified by KS2 specimen under different loading path. The inhomogeneities in fusion zone and heat affected zone of spot weld are taken into account via the scaling of the flow stress of base metal. The scaling factors are calibrated by inverse identification. Gurson model is used to predict ductile fracture in heat affected zone and base metal while cohesive zone model is employed to simulate quasi-brittle fracture in the interface of fusion zone. The parameters of cohesive zone model are identified by the J-integral at the notch tip of spot weld crack. Cohesive zone elements with traction-separation-laws are also used to predict adhesive debonding. Model parameters are calibrated by Double Cantilevered Beam and End Notched Flexure specimens, corresponding to Mode-I and Mode-II fracture respectively. The model developed for spot weld is associated with adhesive model to predict weld bonded joint. As regards simplified model, connector elements are employed to predict the damage of spot weld. The parameters of connector element are identified by KS2 tests under different loading paths. Finally, the simplified model of spot welding, adhesive bonding, and weld-bonding are validated by T-joint which can represent the B-pillar of car body.

Les aciers TWIP (TWinning Induced Plasticity) à haute teneur en manganèse sont particulièrement prometteurs pour les applications automobiles de par leur excellent compromis entre résistance mécanique et ductilité. Cependant, la microstructure austénitique leur confère une sensibilité à la fragilisation par le zinc liquide durant les procédés de soudage ; le zinc liquide provenant de la fusion du revêtement résultant de l’élévation de température à la surface de l’acier. Dans cette étude, la fissuration d’un acier austénitique à haute teneur en manganèse a été étudiée en rapport avec le phénomène de fragilisation par les métaux liquides par des essais de traction à chaud réalisés sur des éprouvettes électrozinguées au moyen d’un simulateur thermomécanique Gleeble 3500. L’influence de nombreux paramètres tels que la température et la vitesse de déformation sur la fissuration a été étudiée. La fragilisation apparaît dans un domaine de température limité qui dépend des conditions expérimentales. Les conditions pour lesquelles la fissuration apparaît peuvent être rencontrées durant les procédés de soudage. L’existence d’une contrainte critique pour laquelle la fissuration apparait a été mise en évidence et celle-ci peut être utilisée comme critère de fissuration. Enfin, l’étude de l’influence de différents paramètres tels que le temps de contact entre l’acier et le zinc liquide avant l’application des contraintes, le revêtement et l’acier sur l’apparition de la fragilisation apporte des éléments de compréhension du mécanisme de fissuration et permet de proposer des solutions pour éviter la fissuration durant le soudage par point de l’acier étudié. / High manganese TWIP (TWinning Induced Plasticity) steels are particularly attractive for automotive applications because of their exceptional properties of strength combined with an excellent ductility. However, as austenitic steels, they appear to be sensitive to liquid zinc embrittlement during welding, the liquid zinc arising from the melted coating due to the high temperatures reached during the welding process. In this framework, the cracking behaviour of a high manganese austenitic steel has been investigated in relation to the liquid metal embrittlement (LME) phenomenon by hot tensile tests carried out on electro-galvanized specimens using a Gleeble 3500 thermomechanical simulator. The influence of different parameters such as temperature and strain rate on cracking behaviour has been studied. Embrittlement appears within a limited range of temperature depending on experimental conditions. Conditions for which cracking occurs could be experienced during welding processes. The existence of a critical stress above which cracking appears has been evidenced and this critical stress can be used as a cracking criterion. Finally, the study of the influence of different parameters such as time of contact between steel and liquid zinc before stress application, coating and steel on LME occurrence provides understanding elements of LME mechanism and permits to suggest solutions for preventing cracking during spot welding of such steels.

Dans le cadre de la conception des structures automobiles et de la modélisation de leur tenue au crash, la prédiction du comportement mécanique et de la rupture des assemblages soudés par point par résistance, s’avère encore délicate. En introduisant une nouvelle génération d’assemblages multi-tôles en aciers multigrades soudés par point, la prédiction de leur tenue mécanique est devenue encore plus complexe. En effet, malgré une utilisation croissante de ces assemblages, l’étude expérimentale de leur comportement mécanique est encore très limitée, tandis que leur modélisation macroscopique n’a pas encore été proposée. Dans ce contexte, un dispositif expérimental approprié de type Arcan est proposé pour caractériser la tenue mécanique et la rupture des assemblages trois tôles soudés par points, en chargements purs et combinés et dans les différentes configurations possibles. Une approche de modélisation macroscopique est également proposée pour simuler le comportement des assemblages trois tôles soudés, pour des applications de type structure. Un modèle d’élément équivalent ’connecteur’ est tout d’abord proposé, identifié et validé par rapport un assemblage deux tôles soudé par point. Ensuite, une approche de modélisation utilisant trois connecteurs est proposée pour simuler le comportement mécanique et la rupture d’un assemblage trois tôles soudé par point par résistance. Une stratégie d’identification est aussi détaillée pour simplifier la procédure d’identification des paramètres du modèle. Le modèle est identifié et validé par rapport aux résultats expérimentaux des essais de caractérisation de type Arcan réalisés au cours de cette thèse. / Resistance spot welding (RSW) is widely used in the automotive industry. However, the prediction of their non-linear mechanical behavior and their failure in structural crashworthiness computations remains a challenge. The introduction of a new generation ofmulti-sheet multi-steel grade spot welded assemblies makes the prediction of their mechanical strength more complex.Despite the increasing use of these assemblies, the experimental study of their mechanical behavior is still very limited, while their macroscopic modeling has not yet been studied. An experimental device based on Arcan principle is thus proposed to characterize the mechanical strength and the failure of three-sheet spot welded assemblies, in pure and combined loads for different loading configurations. A macroscopic modeling approach is also proposed to simulate their mechanical behavior for structural applications. As a first step, a ’connector’ element is proposed, identified and validated for a two-sheet spot welded assembly. Then, a modeling approach using three connectors is proposed to simulate the mechanical behavior and the rupture of a three-sheet multi- steel grade spot welded assembly. An identification methodology is also presented to simplify the identification procedure of the model parameters. The model is identified and validated based on the experimental results of the Arcan tests carried out during this thesis.