L’allégement des véhicules est un objectif incontournable dans l’industrie automobile. Parmi les voies exploitées par les constructeurs, le déploiement d’alliages d’aluminium pour le pavillon permet un allégement de plusieurs kilogrammes. C’est pourquoi, le procédé de soudo-brasage laser occupe une place de choix pour l’assemblage hétérogène pavillon aluminium/caisse acier. Cependant, en plus des problèmes liés à l’hétérogénéité du joint soudé (formation de composés intermétalliques par exemple), des difficultés inhérentes à la production en grande série émergent : un environnement avec de fortes contraintes industrielles, un niveau de conformité élevé et robuste ainsi qu’une cadence de production imposant des grandes vitesses de soudo-brasage comprises entre 4 et 6 m/min et adaptée à des configurations exploitables industriellement. L’objectif de ce travail de thèse est de conduire une analyse physique et technologique du process de soudo-brasage laser pour un assemblage hétérogène allégé pavillon/caisse. Dans un premier temps, un ensemble d’hypothèses sur l’influence de la physique du procédé, des variables process et de l’environnement d’étude sur la conformité et la reproductibilité de ces assemblages furent établies. Leur validation ensuite a été réalisée par des essais à l’échelle 1 sur une installation laser de production industrielle, prolongée par des analyses de la métallurgie et de la microstructure des assemblages ainsi que d’une simulation numérique du procédé. La physique du procédé en lien avec les paramètres du process de soudo-brasage laser acier/aluminium à haute vitesse a été identifiée. Les variables énergétiques ont montrées un fort impact sur le niveau de conformité atteint ainsi que sur la dispersion des résultats. Celles-ci tendent à influencer fortement les phénomènes physiques mises en jeu et notamment la thermique à l’interface acier/aluminium, impactant directement la formation des composés intermétalliques et leurs microstructures. Différentes tailles de grains ont été observés en fonction des paramètres process, contrôlant ainsi la tenue mécanique des assemblages soudo-brasés. La modulation in fine du cycle thermique de soudo-brasage, piloté par la physique activée du process, permet de discriminer les configurations les plus optimales pour une application industrielle du procédé. / Weight reduction of vehicles is a key objective in the automotive industry. Particularly, the use of aluminum alloys for the roof is one of the most promising path studied by manufacturers to save several kilograms. Therefore, the laser brazing process has a place of choice for assembling heterogeneous aluminum roof / steel body-side. However, in addition to issues related to the heterogeneity of the welded joint (formation of intermetallic compounds, for example), issues related to the mass production emerge: an environment with strong industrial constraints, high and robust levels of compliance, a production rate involving high brazing speeds between 4 and 6 m / min and fitting with industrial configurations. The objective of this thesis is to conduct a physical and technological analysis of laser brazing process in the case of a heterogeneous lightweight roof / body-side assembly. Firstly, a set of assumptions about the influence of the physical process, the process variables and the industrial environment on the compliance and the reproducibility of these assemblies are made. Then, validation was conducted by tests at scale 1 on a laser industrial production set-up, extended by analysis of metallurgy and microstructure of assemblies and a numerical simulation of the process. The link between the physical phenomena of the process and the high speed steel-aluminium brazing process parameters has been identified. Energy variables showed a strong impact on the level of compliance achieved and on the dispersion of results. These variables tend to strongly influence the physical phenomena of the process and especially thermal behaviors at the steel / aluminum interface, directly impacting the formation of intermetallic compounds and their microstructures. Different grain sizes were observed depending on the process parameters, influencing hence the mechanical strength of assemblies. Finally, the modulation of the brazing thermal cycle, driven by the activated physical phenomenon of the process, allows bringing out the most optimal configuration for an industrial application of the process.

Dans ce travail nous étudions les aspects physicochimiques et mécaniques des joints brasés cuivre/acier inoxydable et cuivre/alumine. Dans la partie physicochimique nous étudions la mouillabilité, la réactivité aux interfaces et la microstructure des joints brasés. La partie mécanique porte sur les joints cuivre/alumine obtenus par brasage réactif et comprend des tests de traction et des essais de décollement par poinçon. A partir de résultats obtenus nous proposons des solutions optimales d'assemblage en terme de température, de durée de brasage et de composition des alliages de brasure.

L'objectif de ce travail est d'apporter une réponse quant à la robustesse des nouvelles technologies de modules de puissance pour l'application automobile et plus particulièrement les solutions micro-hybrides. Cette thèse, initiée par les travaux menés au sein du projet Européen PIDEA PEPPER, a permis la comparaison d'un point de vue de la durée de vie d'une technologie de report de puce nue classique d'une part et de celle par échauffement local rapide, élaborée dans le cadre de ce projet d'autre part. En s'appuyant sur ces résultats, il a été possible, par la suite, d'extrapoler ce travail afin de l'adapter aux exigences des futures modules de puissance comprenant une évacuation double face. Finalement, une comparaison des deux solutions d'un point de vue de la durée de vie a été réalisée.

Le secteur aéronautique connaît un important essor depuis les années 1960, avec pour conséquence l’augmentation majeure des températures de fonctionnement des turbines. L’utilisation de capteurs, au plus proche de la chambre de combustion, est nécessaire pour maîtriser les performances des turboréacteurs. Cela justifie le besoin industriel de développer des assemblages céramique-métal résistants à un environnement sévère (>1100°C sous air, vibrations, etc.)L’alumine est sélectionnée en raison de son caractère isolant à haute température. La principale difficulté réside dans le choix du substrat métallique, qui doit être à la fois : réfractaire, résistant à l’oxydation, pour un coût abordable. Le potentiel d’un carbure ternaire (de type phase MAX) est évalué en tant que substrat métallique. La composition des brasures est ajustée pour chaque système afin de garantir : une tenue en température, une excellente ductilité et une compatibilité métallurgique vis-à-vis du substrat métallique.Des brasures ternaires Au-Pd-Pt sont formulées et élaborées. Les contours de solidus et de liquidus de ce ternaire sont déterminés expérimentalement. Les mécanismes de diffusion, de dissolution ou encore de pénétration inter-granulaire, à l’interface métal/brasure, sont décrits afin d’apporter des améliorations aux systèmes développés. Au cours du brasage, la diffusion de l’aluminium des substrats alumino-formeurs vers la brasure est prédominante, malgré la mise en place d’une barrière de diffusion. Le recours à des substrats métalliques nobles s’avère incontournable.Les paramètres géométriques et chimiques de l’assemblage sont établis pour chaque nouveau système étudié sur la base des processus physico-chimiques survenant au cours du brasage et du vieillissement sous air. Les meilleurs assemblages développés présentent une excellente herméticité après brasage. Les essais de vieillissement en cyclage thermique, dans des conditions sévères, sollicitent fortement la liaison céramique-brasure jusqu’à la rupture interfaciale. Deux voies d’améliorations sont proposées pour assurer la durabilité de la liaison céramique-brasure au cours du cyclage thermique. / Aerospace technology developments are blooming. Since the 1960’s the Turbine Entry Temperature for aero-engines gas turbines keeps rising to improve their efficiency. Sensors working close to the combustion chamber are required in order to master the turbine performances. This results in an industrial urge to develop ceramic-to-metal assemblies able to endure severe engine environment (>1100°C under air, vibrations, etc.)The choice of an alumina as the ceramic part ensures a good insulation at high temperature. The main issue remains the metallic material which must be refractory, resistant to oxidation and affordable. The application of a ternary carbide (phase MAX) is tested. The braze alloy composition is adjusted to each system so as to provide a good ductility, thermal stability and a metallurgical matching as regards dissolution and brittle compounds formation.Braze alloys based on the Au-Pd-Pt system are investigated. The aforesaid liquidus and solidus surfaces are defined from experimental measures. Diffusion, dissolution and inter-granular penetration at the metal/braze alloy interface are described to suggest improvements. Aluminum diffusion from alumina-forming materials towards the braze alloy is the dominant phenomenon during brazing, despite the use of a diffusion barrier. The use of noble materials for the metallic substrate is mandatory.Geometrical and chemical assembly parameters are defined for selected brazed system based on the physicochemical interactions occurring during brazing and aging under air. The best brazed assemblies present an excellent hermeticity after brazing. Thermal cycling aging in severe conditions is detrimental to ceramic-braze alloy bonding, leading to interfacial cracks. Two promising strategies are suggested to ensure a reliable ceramic-to-braze alloy bonding during thermal cycling.

Cette étude présente le brasage isotherme sous vide des alliages d’aluminium appliqué à la fabrication d’échangeurs thermiques. Ainsi, on étudie les évolutions microstructurales des nuances 3003 (Al-Mn) et 4004 (Al-Si-Mg) au cours des différentes étapes du cycle de brasage. Une double approche est mise en œuvre. Dans un premier temps, des échantillons modèles sont traités thermiquement en laboratoire. On suit l’évolution des phases en présence dans les deux alliages et les phénomènes de diffusion à l’état solide grâce à des analyses EDS. Nous montrons que les outils de simulation thermodynamique Thermo-Calc et DICTRA sont fiables à des températures supérieures à 400°C. On propose ensuite une description des mécanismes gouvernant la fusion du métal d’apport. Nous montrons qu’elle aboutit à la ségrégation d’un liquide enrichi en Si à la surface du métal d’apport. Dans un deuxième temps, des essais sont réalisés en industrie afin de prendre en compte les paramètres du brasage réel. Nous mettons en évidence des phénomènes de dissolution excessive et de pénétration de liquide aux joints de grains. Nous identifions les mécanismes qui gouvernent l’apparition de ces problèmes métallurgiques au cours du brasage. Ainsi, une faible taille de grains du métal de base et une diffusion préférentielle aux joints de grain sont mises en cause / This study deals with the vacuum TLP (Transient Liquid Phase) brazing of aluminum alloys applied to the manufacture of heat exchangers. Thus, the microstructure evolutions of 3003 (Al-Mn) and 4004 (Al-Si-Mg) alloys during the whole assembly process are studied. Firsty, model samples are heat treated in laboratory. The phase transformations and the solid state diffusion between the filler alloy and the base alloy are studied. The results are compared to thermodynamic predictions obtained with both Thermo-Calc and DICTRA softwares. We conclude that these tools are reliable at temperatures above 400°C. The fusion path of the filler alloy is described. It is shown that a Si enriched liquid is formed at the clad surface. On a second time, tests are carried out in industrial conditions, in order to take actual brazing parameters into account. Excessive dissolution and liquid penetration at grain boundaries are observed. The fine grained structure of the base alloy associated to a preferential diffusion at grain boundaries appear to be the main causes

L'automobile nécessite l'utilisation d'échangeurs thermiques permettant d'assurer au moteur des conditions de fonctionnement en température acceptables (autour de 90°C). La fiabilité de ces échangeurs ne peut être négligée car ils peuvent être à l'origine de complications mécaniques importantes en cas de dysfonctionnement. La maîtrise des divers modes d'endommagement des échangeurs thermiques liés aux conditions d’utilisation devient dès lors un enjeu incontestable pour les industriels en charge de leur production, tant du point de vue matériaux, que du comportement général de la structure en service (influence du procédé d'assemblage, design,...). Les échangeurs thermiques présentent aujourd’hui une sensibilité accrue aux sollicitations thermomécaniques cycliques induites en service, du fait, essentiellement, d’une constante diminution des épaisseurs des composants. Celle-ci est responsable d’une augmentation significative des contraintes internes pour des conditions en service identiques, pouvant avoir pour conséquence directe et irréversible la rupture d’un tube, témoin d’une incompatibilité matière/design/process. Deux configurations matières industrielles ont ici été étudiées. Il s’agit de structures tri-couches colaminées de type tube, constituées respectivement de deux et trois alliages d’aluminium distincts (4xxx/3xxx/4xxx ou 4xxx/3xxx/7xxx), pour une épaisseur totale de 270µm. Ces dernières ont été développées pour permettre l’utilisation du procédé de brasage comme procédé d’assemblage (alliage 4xxx). Toutefois, une telle architecture, combinée à un procédé thermique d’assemblage sévère (600°C), est responsable d’une modification profonde de la microstructure avec l’apparition de structures de solidification, responsables entre autres de nombreuses irrégularités de surface (appelées Gouttes de Placage Résiduelles - GPR) ainsi que d’importants gradients de propriétés mécaniques dans l’épaisseur. Ces travaux de recherche s’appuient sur une approche expérimentale et numérique développée pour étudier les mécanismes d'endommagement en fatigue relatifs à de telles structures fines hétérogènes. Associant diverses techniques expérimentales telles que la corrélation d’images numériques (2D-3D) ou la tomographie à rayons X (de laboratoire ou à l’ESRF), elle permet une analyse précise des mécanismes d’amorçage et de propagation des fissures de fatigue (sur éprouvette de fatigue classique ou de type échangeur thermique). Le rôle des différents placages dans chacune des phases de l’endommagement a ainsi été mis en évidence (4xxx : amorçage, 7xxx : propagation des fissures). Des simulations par la méthode des éléments finis nous ont permis de compléter ces observations en proposant une quantification précise de l’influence de l’état de surface (GPR) sur la tenue en fatigue des éprouvettes testées. Enfin, des essais de fatigue réalisés directement sur échangeurs thermiques ont permis de corroborer les résultats obtenus sur éprouvettes modèles. / The automotive industry, like many other industrial fields, requires the use of heat thermal exchangers to allow optimal thermal service conditions of the engine (around 90°C for a car engine). The exchangers’ reliability has to be guaranteed to avoid a decrease of the engine efficiency or detrimental mechanical damage resulting from too high service temperatures. It is therefore necessary to control the different damage modes of such thermal heat exchangers according to the conditions of use. Thanks to their good thermal, corrosion and mechanical properties, aluminium alloys have steadily replaced copper alloys and brass for manufacturing heat exchangers in cars or trucks. Such components have been constantly optimized in terms of exchange surface area and, nowadays, this has led to Al components in heat exchangers with a typical thickness of the order of 0.2 to 1.5 mm. With such small thicknesses, the load levels experienced by heat exchangers components has drastically increased leading to an important research effort in order to improve the resistance to damage development during service life. Two industrial materials made of 3 co-rolled aluminium alloys (total thickness 0.27 mm) have been studied. In spite of their small thickness, the materials exhibit a composite structure comprising a core material (3xxx alloy) and 2 clads (4xxx and/or 7xxx alloys according to material configuration: 4xxx/3xxx/4xxx or 4xxx/3xxx/7xxx). The lower melting point 4xxx alloy is used for producing the heat exchanger assembly during a brazing process while the 7xxx alloy improves internal corrosion resistance. Such complex architecture, combined to the severe brazing thermal treatment, leads to important microstructural modifications, mainly characterized by the formation of brazing joints or Clad Solidification Drops (CSD) on the surface. Both of them are responsible for significant gradients of the mechanical properties on the thickness. The present study is based on an original experimental and numerical approach developed to characterise the different fatigue damage mechanisms operating in such thin heterogeneous structures. Digital image correlation (2D-3D) and X-rays tomography (at different resolutions) have been used to analyze the crack initiation and propagation mechanisms, highlighting the impact of each clad on each damage step. While the 4xxx clad corresponds to preferential crack initiation zones, the 7xxx clad seems to affect significantly the crack propagation phase. Finite Elements simulations have been carried out to complete these experimental observations, putting forward an accurate quantification of the surface state influence (through the CSD). All the different results and observations made on fatigue samples with a simplified geometry have been finally confirmed by fatigue tests on thermal exchanger configurations.