Le soudage du bois est une technique d'assemblage sans adhésif de deux pièces de bois, leur soudure étant produite par friction mécanique sous pression des deux pièces. Ce procédé, applicable à des pièces de bois plates, d'essences identiques ou différentes, se prête à la fabrication de meubles et à la menuiserie. Cependant, le joint obtenu n'est pas de classe "extérieur", ce qui le réserve à un usage "intérieur". En effet, un joint destiné à une utilisation extérieure ou en milieu à humidité variable doit présenter une résistance élevée à l'eau. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier la résistance à l'eau du bois soudé. A cet effet, des méthodes d'essais complémentaires et non-destructrices ont été utilisées, comme le scanner ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM). L'influence des paramètres de soudage et des propriétés du bois sur, d'une part, la formation et la propagation des fissures dans la ligne de soudure, et sur, d'autre part, la densité et l'absorption d'eau de la soudure a été ainsi étudiée. Les expériences de cette thèse seront menées sur des échantillons de pin (Pinus sylvestris) de dimensions 200 mm x20 mm x 40 mm, coupés dans la direction longitudinale du fil du bois. La Norme Européenne EN 205 a servi de cadre pour déterminer la résistance des échantillons de pin en traction-cisaillement. Les méthodes d'essais (non-destructrices) ont été utilisées selon leur pertinence: le scanner a servi à étudier la formation et la propagation des fissures; l'imagerie par résonance magnétique (IRM) a permis quant à elle de caractériser la pénétration et l'infiltration d'eau dans le bois soudé.Le mécanisme d'adhérence du pin a été étudié grâce à la RMN MAS (spectrométrie à résonance magnétique nucléaire avec polarisation croisée et rotation à l?angle magique) du carbone13 et à la micro-densitométrie par rayons X. Ces différentes méthodes, non destructrices, offrent l'avantage d'une analyse non invasive et l'élimination de facteurs parasites liés à la préparation et à la coupe du bois. Voici en résumé les résultats obtenus les plus marquants: (1) Le scanner et l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont des méthodes de recherche particulièrement polyvalentes et adaptées à l'étude des bois soudés. (2) L'utilisation de bois de coeur, une pression de soudage de 1.3 Mpa et un temps de soudage de 1.5 s permettent d'augmenter la résistance à l'eau du pin soudé. (3) Des tests d'optimisation ont montré que la résistance du pin en traction-cisaillement est plus sensible aux variations de temps de soudage qu'au temps de refroidissement et qu'elle peut être optimisée à plus de 9.7 MPa en respectant une pression de 1.3 Mpa, un temps de soudage > 3.5 s et un temps de refroidissement < 60 s. (4) La résistance à l'eau du bois soudé peut être améliorée dans une certaine mesure en faisant varier paramètres de soudage et propriétés des essences, mais dans tous les cas, le recours à un imperméabilisant naturel et écologique reste nécessaire. (5) Le pin soudé possède une résistance à l'eau et en traction-cisaillement inhabituellement élevée, cela pouvant s'expliquer par une teneur en composés extractifs augmentée. (6) Des essais sous IRM ont montré que les causes de rupture du joint varient suivant l'essence: faible résistance à l'eau de la ligne de soudure dans le cas du hêtre soudé, retrait et expansion du bois dans le cas du pin soudé. (7) Les extractifs du pin améliorent nettement la résistance à l'eau du joint soudé, mais à un niveau qui ne lui permet cependant pas la certification "extérieur" sans protection. En revanche, il peut être certifié "semi-extérieur" avec protection. / Wood welding is a mechanical friction process allowing the assembly of timber without any adhesives. The process consists of applying mechanical friction, under pressure, alternately to the two wood surfaces to be welded. This process can be applied to weld two flat pieces of timber, originating from the same or different tree species, and can be used in the manufacture of furniture and wood joinery. The only limitation is that the joint is not exterior-grade, but only suitable for interior joints. Exterior use, or use in an environment with varying humidity demands water resistance of the welded joints. The main objective of this thesis is to study the water resistance of the welded wood. This is complemented with special attention to non-destructive test methods such as X-ray Computed Tomography (CT-) scanning and Magnetic Resolution Imaging (MRI). The influence of welding parameters and wood properties on crack formation and crack propagation in the weldline was investigated. The influence of these parameters on weldline density and water absorption in the weldline were also studied. Investigations in this thesis are based on welded samples of Scots pine (Pinus sylvestris) of the dimensions 200 mm × 20 mm × 40 mm which were cut in the longitudinal direction of the wood grain. The tensile-shear strength of the welded Scots pine samples were determined using European standard EN 205. Different non-destructive methods such as X-ray Computed Tomography (CT-) scanning to study crack formation and propagation, and magnetic Resolution Imaging (MRI) to characterize water penetration and the distribution mechanism in welded wood were used. Solid state CPMAS 13C NMR spectrometry and X-ray microdensitometry investigations were carried out to study the mechanism of adhesion in Scots pine. These various non-destructive methods offer the advantage of non-invasive analysis and the elimination of any artifacts present due to preparation and sectioning. The most important results are summarized as follows: (1) X-ray Computed Tomography (CT-) scanning and Magnetic Resolution Imaging (MRI) are versatile research methods applicable to investigations of welded woods. (2) Water resistance of welded Scots pine can be increased using heartwood, a welding pressure of 1.3 MPa, and a welding time of 1.5 s. (3) Optimization tests showed that the tensile-shear strength of Scots pine was more sensitive to welding time changes than holding time and could be optimized to more than 9.7 MPa using 1.3 MPa welding pressure, > 3.5 s welding time, and < 60 s holding time. (4) Changing welding parameters and wood properties can increase water resistance of welded wood to some extent, but treating the weldline with certain natural and environmentally-friendly water repellents is still necessary. (5) Welded Scots pine shows unusually high water resistance and tensile-shear strength. This may be explained by there being more extractives compounds in Scots pine. (6) MRI experiments showed that the origin of the joint failure in welded beech is poor water resistance of the weldline, while swelling and shrinkage of wood are the main reasons for joint failure of welded Scots pine. (7) Extractives in Scots pine dramatically improve water resistance of the welded joint, but not to a level to classify the joint as an unprotected exterior grade. However, it can qualify as a joint for protected semi-exterior application.

Cette thèse présente un couplage thermodynamique pour une modélisation approfondie du processus de soudure par ultrasons, surtout la soudure des thermoplastiques. Il s’agit de bien connaître le mode de fonctionnement des ensembles acoustiques réalisant la soudure ainsi que le comportement des matériaux à souder. En conséquence, les propriétés de ces matériaux, surtout celles nécessaires pour la modélisation par éléments finis, sont identifiées. Les paramètres mécaniques et thermiques sont mesurés en statique et ils sont comparés avec les résultats calcules par homogénéisation. Certains sont déterminés en dynamique, selon la fréquence et aussi en fonction de la température. Ceci est très utile parce que les matériaux travaillent à haute fréquence ultrasonique et que la température lors de la soudure change fortement. La machine de soudage par ultrasons (l’ensemble acoustique) a déjà été conçue et fabriquée. La modélisation EF en 3D avec Abaqus nous montre bien ses comportements modaux et vibratoires. Ensuite, les matériaux à souder sont introduits en modélisants le contact dynamique entre l’ensemble acoustique et la bande à souder. Ce modèle nous permet de déterminer le temps de contact et la compression dans les matériaux en fonction de la force de maintien. La dissipation d’énergie qui est engendrée par viscosité des matériaux à souder est calculée et introduite dans le modèle couplé thermomécanique. Le transfert de chaleur dans tout l’ensemble lors de la soudure est modélisé et il montre le champ de température, surtout la température à l’interface entre deux couches de matériaux. Cette modélisation est complétée en utilisant la méthode ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) afin de tenir compte du mouvement d’avancement des bandes à souder / This thesis presents a thermomechanical coupling for advanced modeling of welding processes, especially the ultrasonic welding for thermoplastic materials. The mode of operation of welding machines and the behaviour of welding materials must be well known. Consequently, the properties of these materials, especially those required for finite element modelling, are identified. The mechanical and thermal parameters are measured in static mode and are compared with results calculated by homogenization. Some parameters are also measured dynamically and show a dependency on frequency and temperature. This is very useful because the materials are solicited at high ultrasonic frequency and the temperature during the welding changes significantly. The welding ultrasonic machine (the acoustic ensemble) has already been designed and manufactured. The modelling by finite element in 3D with ABAQUS shows good modal and vibration behaviours. Then, the welding materials are introduced by modelling the dynamic contact between the acoustic ensemble and welding band. This model allows us to determine the contact duration and the compression in the materials depending on the applied load. The dissipation of energy that is generated by viscosity of welding materials is calculated and included in the thermomechanical coupled model. The heat transfer in the whole system is modeled and enable to compute the temperature field, especially the temperature at the interface between two layers of welding materials. This model is completed using the ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) method to take into account the displacement of the welding bands

Cette thèse porte sur l’influence des transformations de phases solide-solide sur la propagation de fissure. On souhaite ainsi mieux comprendre les variations de ténacité en cours de soudage par exemple, ou bien pendant la réparation d’une fissure. Dans ce travail, la ténacité est obtenue à partir de l’intégrale J. Il existe de nombreuses méthodes expérimentales permettant d’obtenir la ténacité critique JIC mais qui sont difficilement applicables pour des essais se déroulant pendant une transformation de phase. C’est pourquoi nous avons proposé une méthode couplant essai mécanique et mesure par corrélation d’images avec de la simulation par éléments finis. Les essais sont réalisés sur de simples éprouvettes plates pré fissurées, faciles à usiner et simple à chauffer par induction. Les essais sont conduits pour différentes températures et jusqu’à rupture. En sus des mesures d’efforts et déplacements de traverse, la corrélation d’images nous fourni également les champs de déplacement sur chaque face de l’éprouvette. Chaque essai est ensuite simulé par éléments finis où la ténacité critique est calculée par la méthode G-Theta au maximum de la charge supportée par l’éprouvette. Les simulations précédentes intègrent les conditions aux limites obtenues par corrélation et le comportement mécanique considéré est celui que nous avons identifié sur des essais de caractérisation. Deux nuances de matériau ont été étudiées avec cette méthode ; l’acier inoxydale 15-5PH ainsi que l’acier ferritique 16MND5. Pour ces deux matériaux, différentes températures d’essai ont été choisies avant, pendant et après la transformation pour effectuer les essais de rupture ainsi que de caractérisation du comportement mécanique. Les résultats de cette étude montrent que la transformation de phase peut avoir un impact non négligeable sur la ténacité. Ainsi, pour le 15-5PH, le taux d’austénite résiduel est un facteur important et les essais pendant la transformation martensitiques montrent que la ténacité critique peut être inférieure pendant celle ci à celle du matériau purement austénitique. Dans le cas du 16MND5, la ténacité est beaucoup plus faible à 600°C (et bainitique) qu’à température ambiante ce qui est assez logique. Par contre, lors du refroidissement, depuis 600° (austénitique) jusqu’à la température ambiante (bainitique), nous avons obtenu une ténacité critique relativement constante. En conclusion, cette étude apporte une solution quant à la mesure de la ténacité critique de matériau pendant des transformations de phases, ce que ne permettent pas forcément les essais normalisés. Pour le 15-5PH, la ténacité critique semble évoluer pendant la transformation martensitique et est assez dépendante du taux d’austénite résiduelle. Il semble par contre que pour le 16MND5, la ténacité critique soit assez peu dépendante de la fraction volumique d’austénite et la valeur obtenue varie peu au cours du refroidissement du matériau depuis 600°C. / Ou study focuses on the effects of phase transformations on crack propagation. We want to understand the changes of fracture toughness during welding. In this work, fracture toughness is expressed by J-integral. There are many experimental methods to obtain the critical toughness JIC but they are impractical for our investigation during phase transformation. That is the reason why we have proposed a method coupling mechanical tests, digital image correlation and finite element simulation. The fracture tests are implemented on pre-cracked single edge notched plate sample which is easy for machining and heat conduct during phase transformation. The tests are conducted at different temperatures until rupture. Digital image correlation gives us the displacement information on every sample. Each test is then simulated by finite element where the fracture toughness is evaluated by the method G-Theta at the crack propagation starting moment found by potential drop method and digital image correlation technical. Two materials have been studied, 15Cr-5Ni martensitic precipitation hardening stainless steel and 16MND5 ferritic low carbon steel. For these two materials, different test temperatures were chosen before, during and after phase transformation for testing and failure characterization of the mechanical behavior. Investigation result shows that metallurgical phase transformation has an influence on fracture toughness and further crack propagation. For 15-5PH, the result of J1C shows that the as received 15-5PH has higher fracture toughness than the one at 200°C. The toughness is also higher than the original material after one cycle heat treatment probably due to some residual austenite. Meanwhile, pure austenite 15-5PH at 200°C has higher fracture toughness than pure martensitic 15-5PH at 200°C. For 16MND5, the result also proves that the phase transformation affects fracture toughness. The as received material has bigger J1C than the situation where it was heated to 600°C. On the other hand, the material at 600°C just before isothermal bainite transformation after the austenitization during cooling process also has higher fracture toughness than the one at 600°C before austenitization. These two conclusions are consistent well with the result of 15-5PH. But the final situation of 16MND5 after one cycle heat treatment has a slightly smaller J1C than the receiving situation. It means that one cycle heat treatment hasn't an significant influence on 16MND5fracture toughness. Conclusions show that one should pay attention to the heating period before austenitization of the substrate material when people do the welding as the higher temperature will bring the lower fracture toughness during this process. While during cooling period, the fracture toughness doesn't change a lot during, before or after the cooling induced phase transformation. Even for 15-5PH, it has a better fracture toughness after the martensite transformation than before.

Une caisse automobile est un ensemble complexe formé de plusieurs éléments qui sont souvent constitués de matériaux différents et assemblés principalement par points soudés, généralement à plus de 80%. Au stade de la conception, plusieurs critères doivent être vérifiés numériquement et confirmés expérimentalement par le prototype de la caisse, dont sa tenue en endurance. Dans le contexte économique actuel, la politique de réduction des dépenses énergétiques ou autres a conduit les constructeurs automobiles à optimiser les performances des véhicules actuels, en particulier en réduisant de façon très conséquente la masse de leur caisse. Des problèmes liés à la tenue structurelle ou à la tenue en fatigue de la caisse sont alors apparus. Afin d'être validé, le prototype de caisse doit avoir une résistance suffisante pour supporter les essais de fatigue. Les tests de validation sur bancs d'essais réalisés en amont sur un prototype sont très coûteux pour l'industriel, en particulier lorsque les tests d'essais en fatigue sur la caisse ne permettent pas de confirmer les zones d'apparition des fissures identifiées par simulations numériques. Le sujet de la thèse se limitera à ce dernier point. Il porte sur l'ensemble des analyses à mettre en oeuvre afin d'étudier la tenue en endurance de caisses automobiles soumises à des profils de mission sévérisés. L'objectif principal est de mettre au point un processus d'analyse en simulation numérique permettant de garantir un bon niveau de prédictivité de tenue en endurance des caisses automobiles. On entend par bon niveau de prédictivité, le fait d'être en mesure de corréler correctement les résultats d'essais associés aux profils de missions sévérisés classiquement utilisés dans les plans de validation de la caisse. Cette thèse a conduit à :_ analyser le comportement mécanique de la caisse et les forces d'excitations appliquées au cours de l'essai de validation,_ établir une nouvelle méthode de réduction d'un chargement pour les calculs en endurance,_ mettre au point une nouvelle modélisation EF des liaisons soudées par points,_ améliorer les modèles de prédiction de durée de vie des PSR. Les études menées ont ainsi permis d'améliorer le niveau de prédiction des calculs en fatigue de la caisse afin :_ d'identifier la majorité des zones réellement critiques sur la caisse,_ d'évaluer de manière fiable de la criticité relative de chacune de ces zones,_ d'estimer de façon pertinente la durée de vie associée à chacune de ces zones / A body-in-white (biw) is a complex structure which consists of several elements that are made of different materials and assembled mainly by spot welds, generally above 80%. At the design stage, several criteria must be verified numerically and experimentally by the car prototype, as the biw durability. In the current economic context, the policy of reducing energy and other costs led automotive companies to optimize the vehicle performances, in particular by reducing very consistently the mass of the biw. As a consequences, some structural design problems appeared. In order to be validated, validation test benches are carried out upstream on a prototype vehicle. They are very costly to the manufacturer, especially when fatigue tests do not confirm the cracks areas identified by numerical simulations. The thesis is focused on numerical biw durability analysis. It covers all the numerical analysis to be implemented to study the biw durability behavior. The main objective is to develop a numerical simulation process to ensure a good level of durability prediction. It means to be able to have a good correlation level between test bench results and numerical fatigue life prediction. This thesis has led to:_ analyze the biw mechanical behavior and the excitation forces applied to the biw during the validation tests,_ establish a new fatigue data editing technique to simplify load signal,_ create a new finite element spot weld model,_ develop a new fatigue life prediction of spot welds. The studies have thus improved the level of biw fatigue life prediction by:_ identifying the majority of critical areas on the full biw,_ reliably assessing the relative criticality of each area,_ accurately estimating the lifetime associated with each of these areas

Les standards consacrés à la conception des oléoducs se concentrent principalement sur les chargements opérationnels, tels que les pressions internes et externes, et les procédures d'analyse de défauts actuelles n'exploitent pas les capacités d'écrouissage du matériau. Pourtant, dans des conditions extrêmes, les oléoducs peuvent être soumis à des contraintes au-delà de la limite d'élasticité jusqu'à atteindre 2.5% de déformations plastiques. Ici, les procédures proposées par ExxonMobil et PRCI basées sur des critères en déformation sont présentées, et l'utilisation de l'éprouvette SENT (Single Edge Notched Tension) pour caractériser la ténacité est étudiée, en comparant les différentes procédures d'essais recommandées. Puis, une importante campagne expérimentale a été réalisée pour caractériser deux aciers pour oléoducs à température ambiante et à basses températures. Les comportements mécaniques des matériaux de base et d'apport ont été identifiés grâce à l'utilisation de l'analyse inverse, et il est montré que le modèle d'endommagement GTN permet de modéliser finement les essais sur éprouvettes de laboratoire. Enfin, deux essais sur structures (pression et flexion, puis pression et traction) ont été réalisés de manière à comparer les approches globales et le modèle d'endommagement GTN. Ce dernier démontre une bonne transférabilité de l'éprouvette vers la structure. / Pipeline design codes and standards traditionally focus on the operational loadings such as internal and external pressures that are likely to exist over the entire lifetime of the pipeline. Existing Engineering Critical Assessments are mostly based on stress considerations, where the design margin is given as a percentage of the yield strength. In extrem environments, pipelines may experience stresses beyond the yield and plastic deformations up to 2.5 %. In such conditions, strain-based design procedures apply. In this work, a literature review of the existing strain based methods is proposed, including ExxonMobil and PRCI multi-tier approaches. The use of the Single Edge Notched Tension (SENT) specimen to measure the material toughness is then studied, benchmarking the recommended testing procedures from literature. A comprehensive experimental campaign was carried out to fully characterize two actual line pipes at room and low temperatures. The mechanical behavior of parent and weld materials are identified using an inverse analysis, and GTN damage model is shown to allow accurate modeling of the laboratory testings. Finally, two full scale tests (pressure + bending or pressure + tension) were carried out to benchmark the global approaches and GTN damage model. The latter showed a very good transferability from specimens to the structure.

L’agencement relatif de systèmes cristallins moléculaires, par une méthode d’organisation avancée est une stratégie de premier plan. Le développement de tels systèmes permet la conception de dispositifs innovants dans le domaine des matériaux poreux, magnétiques ou optiques.Les travaux menés dans le cadre de cette étude ont pour objectif l’élaboration d’architectures macroscopiques hiérarchisées concernant l’état cristallin, de type « réseaux de cristaux ». Dans un premier temps, le développement et la caractérisation de réseaux iso-structuraux ont été réalisés. Ces séries, formées par liaisons hydrogènes, servent à l’étude de la croissance cristalline épitaxiale, développée par la suite. À partir de ces résultats, la préparation d’architectures monocristallines de type cristal cœur-coquille ainsi que la soudure cristalline sont entreprises.Enfin, la généralisation de cette mise en forme de l’état cristallin à des systèmes formés par liaisons de coordination est présentée. / The relative disposition of applicative molecular systems by an advanced organization method is a well-defined strategy (core-shell type crystals). It is aimed at developing innovative materials.The presented study deals with the elaboration of a new organization method concerning the crystalline matter to obtain “network of crystals”. This strategy of materials processing occurs at a macroscopic scale and in a hierarchical way.Firstly, series of isostructural crystalline molecular networks have been designed with a molecular tectonics approach. These series, formed by hydrogen bonds, are then used for the study of the epitaxial growth of crystal. The preparation of a single crystalline architecture with a defined sequenced area of different compositions is demonstrated: core-shell crystals and welded crystals.Finally, the developed strategy is applied to coordination networks exhibiting luminescent properties in order to generalize the described process.

Cette étude visait à améliorer la compréhension des principaux phénomènes (interdiffusion et cristallisation) impliqués dans l'adhésion de composites thermoplastiques semi-cristallins (PEEK ou PPS renforcés de fibres de carbone) et à optimiser le procédé d'empilement avec soudage et consolidation en continu. L'utilisation d'un nouveau dispositif expérimental de soudage a permis de découpler les paramètres du procédé (temps, température, pression), et d'explorer leurs effets sur la qualité des assemblages réalisés, évaluée par test de clivage en coin. Les cinétiques de cristallisation ont été déterminées expérimentalement, dans des conditions similaires aux essais de soudage, puis modélisées. Les temps de relaxation des polymères ont été caractérisés par rhéologie pour évaluer les cinétiques d'interdiffusion. Finalement, l'évolution de la température d'interface lors du procédé a été étudiée expérimentalement et modélisée pour expliquer les différences d'énergie d'adhésion mesurées.

Le travail présenté dans cette thèse concerne la modélisation et la commande robuste en force de robots manipulateurs industriels à articulations flexibles utilisés pour le procédé FSW. Afin de réduire les temps de calcul et l'occupation de la mémoire, une approche basée sur la méthode par intervalle est proposée en vue de la simplification des modèles dynamiques des robots industriels, et contribue à identifier les paramètres d'inertie qui sont négligeables. Des études de cas sur trois types de trajectoires de test et l’analyse des couples moteurs ont démontré l'efficacité et les bonnes performances de la méthode de simplification. Ensuite, la modélisation dynamique et l'identification des paramètres du procédé FSW ont été effectuées. Les paramètres des modèles linéaires et non-linéaires de forces axiales sont identifiés. Sur la base de la modélisation du procédé FSW qui considère simultanément la cinématique du système complet, le modèle de déplacement du robot rigide, les flexibilités des articulations et le modèle dynamique de la force axiale, un contrôleur robuste en force est obtenu par la méthode de réglage fréquentielle. En outre, un simulateur du procédé FSW robotique est développé et les résultats de simulation montrent les bonnes performances du contrôleur en force. L'oscillation de la force axiale dans le procédé FSW peut être simulée en utilisant un modèle de perturbation de la position verticale de référence. / The work presented in this thesis focuses on the modeling and robust force control of flexible joints industrial robot manipulators used for FSW process. In order to reduce computation time and memory occupation, a novel interval-based approach for dynamic model simplification of industrial robots is proposed, which applies to arbitrary trajectories of whole robot workspace and contributes to obtaining negligible inertia parameters. Cases studies have been carried out on three kinds of test trajectories and torques analysis of robot dynamic equation, demonstrating the effectiveness and good performance of the simplification method. Then, the dynamic modeling and identification of robotic FSW process is performed, and the parameters of linear and nonlinear dynamic axial force process models are identified by using the plunge depth and its derivative. On the basis of the modeling of robotic FSW process which simultaneously considers the complete kinematics, the rigid robot displacement model, the joint flexibility and the dynamic axial force process model, a robust force controller can be obtained by using the frequency response approach. Besides, a simulator of robotic FSW process is developed and simulation results show good performance of the force controller. The oscillation of axial force in FSW process can be simulated when a disturbance model of initial vertical reference position is proposed and used in the simulation.