Das ultraschallunterstützte Rührreibschweißen (USE-FSW) als innovatives Hybrid-Pressschweißverfahren zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus, welche es für die Kombination artfremder metallischer Werkstoffe mit deutlich unterschiedlichem Schmelzpunkt ermöglichen, qualitativ hochwertigere Verbunde zu realisieren. Die vorliegende Arbeit thematisiert experimentelle Untersuchungen der Auswirkungen des zusätzlich eingekoppelten Leistungsultraschalls auf das Prozessverhalten und die Bindungsmechanismen sowie daraus resultierender mechanischer Verbundeigenschaften beim ultraschallunterstützten Rührreibschweißen von Aluminium/Stahl-Verbunden. Im Anschluss an die Ermittlung geeigneter Parameter für das konventionelle Rührreibschweißen erfolgen grundlegende Betrachtungen des Einflusses des Leistungsultraschalls auf das Schwingungsverhalten, das thermische Verhalten und das insitu- Prozesskraftverhalten, aus denen bestmögliche Ultraschallparameter abgeleitet werden. Nachfolgende detaillierte, vergleichende Untersuchungen des konventionellen und des ultraschallunterstützten Rührreibschweißprozesses belegen unter anderem eine Reduktion der Dicke spröder, aluminiumreicher intermetallischer Phasen am Verbund-Interface des USE-FSW-Verbundes, was in einer Erhöhung der Zugfestigkeit und der Duktilität resultiert. / The ultrasound enhanced friction stir welding (USE-FSW) as an innovative hybrid solid state joining process is characterized by a number of advantages that enable the realization of higher quality joints for the combination of dissimilar, metallic material combinations with strongly differing melting points. The present work addresses the impact of the additional power ultra- sound transmission on the process behavior and the bonding mechanisms as well as resulting mechanical joint properties for the ultrasound enhanced friction stir welding of aluminum/steel joints via experimental investigations. Subsequent to the determination of suitable parameters for the conventional friction stir welding basic considerations of the power ultrasound influence on the oscillation behavior, the thermal behavior and the in-situ process force behavior take place for deriving a best possible set of ultrasound parameters. Moreover, the conventional and the ultrasound enhanced friction stir welding process are investigated comparatively in detail, proving a reduction in thickness for brittle, aluminum-rich intermetallic phases at the USE-FSW joint interface among other things, resulting in an improved tensile strength and ductility.

The current study focus on investigating a relationship between processing variables and microstructure evolution mechanism in 304L stainless steel subjected to hot torsion. The Gleeble 3800 with Mobile Torsion Unit (MTU) is utilized in the current study to conduct hot torsion test of 304L stainless steel. Samples are rotated at 1100℃ in the shear strain rate range of 0.02s-1 to 4.70s-1 and the shear strain range of 0.5 to 4. Orientation imaging microscopy (OIM) technique is used to collect and analyze the microstructure. At low strains (≤1) and strain rate (0.02s-1), average grain size remains relatively constant, but the lengths of DSs and LABs increase within grains. These are characteristics of the dynamic recovery (DRV). With increasing strain and strain rate, the lengths of DSs, LABs and HABs increase, accompanied by the decrease of average grain size. Subgrains with HAB segments are observed. These are characteristics of continuous dynamic recrystallization (CDRX). At strain rates greater than or equal to 0.94s-1, the fraction of deformation texture is about 3 times higher than that of rotated cube texture. The average grain size increases relative to that at a strain rate of 0.20s-1, accompanied by the increase of twin length per area. This indicates that grain growth take place after CDRX. Sigma phase is not observed in the current study due to the lack of static recrystallization (SRX) and the higher cooling rate.

Friction bit joining (FBJ) is a new solid-state spot joining technology developed in cooperation between Brigham Young University of Provo Utah, and MegaStir Technologies of West Bountiful Utah. Although capable of joining several different material combinations, this research focuses on the application of FBJ to joining 5754 aluminum to DP 980 steel, two alloys commonly used in automotive applications. The thicknesses of the materials used were 0.070 inches (1.78 mm) and 0.065 inches (1.65 mm), respectively. The FBJ process employs a consumable 4140 steel bit and is carried out on a purpose built research machine. In the first stage of the weld cycle the bit is used to drill through the aluminum top sheet to be joined. After this, spindle speed is increased so that the bit tip effectively forms a friction weld to the steel bottom sheet. Momentary stoppage of the spindle facilitates weld cooling before the spindle is restarted, shearing the bit tip from the bit shank, and retracted. Incorporated into the bit tip geometry is a flange that securely holds the aluminum in place after joint formation is complete. This research consists of several developmental steps since the technology only recently began to be formally studied. Initial joint strengths observed in lapshear tensile testing averaged only 978.5 pounds (4.35 kN), with a relatively high standard deviation for the data set. Final lapshear tensile test results were improved to an average of 1421.8 pounds (6.32 kN), with a significantly lower, and acceptable, standard deviation for the data set. Similar improvements were realized during the development work in cross tension tensile test results, as average strengths increased from 255.8 pounds (1.14 kN) to 566.3 pounds (2.52 kN). Improvements were also observed in the standard deviation values of cross tension data sets from initial evaluation to the final data set presented in this work.

La fumée du tabac est un aérosol extrêmement complexe constitué de milliers de composés répartis entre la phase particulaire et la phase vapeur. Il a été démontré que les effets toxicologiques de cette fumée sont associés aux composés appartenant aux deux phases. Plusieurs composés biologiquement actifs ont été identifiés dans la fumée du tabac; cependant, il n’y a pas d’études démontrant la relation entre les réponses biologiques obtenues via les tests in vitro ou in vivo et les composés présents dans la fumée entière du tabac. Le but de la présente recherche est de développer des méthodes fiables et robustes de fractionnement de la fumée à l’aide de techniques de séparation analytique et de techniques de détection combinés à des essais in vitro toxicologiques. Une étude antérieure réalisée par nos collaborateurs a démontré que, suite à l’étude des produits de combustion de douze principaux composés du tabac, l’acide chlorogénique s’est avéré être le composé le plus cytotoxique selon les test in vitro du micronoyau. Ainsi, dans cette étude, une méthode par chromatographie préparative en phase liquide a été développée dans le but de fractionner les produits de combustion de l’acide chlorogénique. Les fractions des produits de combustion de l’acide chlorogénique ont ensuite été testées et les composés responsables de la toxicité de l’acide chlorogénique ont été identifiés. Le composé de la sous-fraction responsable en majeure partie de la cytoxicité a été identifié comme étant le catéchol, lequel fut confirmé par chromatographie en phase liquide/ spectrométrie de masse à temps de vol. Des études récentes ont démontré les effets toxicologiques de la fumée entière du tabac et l’implication spécifique de la phase vapeur. C’est pourquoi notre travail a ensuite été focalisé principalement à l’analyse de la fumée entière. La machine à fumer Borgwaldt RM20S® utilisée avec les chambres d’exposition cellulaire de British American Tobacco permettent l’étude in vitro de l’exposition de cellules à différentes concentrations de fumée entière du tabac. Les essais biologiques in vitro ont un degré élevé de variabilité, ainsi, il faut prendre en compte toutes les autres sources de variabilité pour évaluer avec précision la finalité toxicologique de ces essais; toutefois, la fiabilité de la génération de la fumée de la machine n’a jamais été évaluée jusqu’à maintenant. Nous avons donc déterminé la fiabilité de la génération et de la dilution (RSD entre 0,7 et 12 %) de la fumée en quantifiant la présence de deux gaz de référence (le CH4 par détection à ionisation de flamme et le CO par absorption infrarouge) et d’un composé de la phase particulaire, le solanesol (par chromatographie en phase liquide à haute performance). Ensuite, la relation entre la dose et la dilution des composés de la phase vapeur retrouvée dans la chambre d’exposition cellulaire a été caractérisée en utilisant une nouvelle technique d’extraction dite par HSSE (Headspace Stir Bar Sorptive Extraction) couplée à la chromatographie en phase liquide/ spectrométrie de masse. La répétabilité de la méthode a donné une valeur de RSD se situant entre 10 et 13 % pour cinq des composés de référence identifiés dans la phase vapeur de la fumée de cigarette. La réponse offrant la surface maximale d’aire sous la courbe a été obtenue en utilisant les conditions expérimentales suivantes : intervalle de temps d’exposition/ désorption de 10 0.5 min, température de désorption de 200°C pour 2 min et température de concentration cryogénique (cryofocussing) de -75°C. La précision de la dilution de la fumée est linéaire et est fonction de l’abondance des analytes ainsi que de la concentration (RSD de 6,2 à 17,2 %) avec des quantités de 6 à 450 ng pour les composés de référence. Ces résultats démontrent que la machine à fumer Borgwaldt RM20S® est un outil fiable pour générer et acheminer de façon répétitive et linéaire la fumée de cigarette aux cultures cellulaires in vitro. Notre approche consiste en l’élaboration d’une méthodologie permettant de travailler avec un composé unique du tabac, pouvant être appliqué à des échantillons plus complexes par la suite ; ex : la phase vapeur de la fumée de cigarette. La méthodologie ainsi développée peut potentiellement servir de méthode de standardisation pour l’évaluation d’instruments ou de l’identification de produits dans l’industrie de tabac. / Tobacco smoke is an extremely complex aerosol composed of thousands of constituents distributed amongst the particulate and vapor phases. Toxicological effects have been linked to compounds present in both of these phases. Many biologically active compounds have been identified within tobacco smoke; however, there is a lack of studies correlating specific in vitro or in vivo biological responses to components within whole tobacco smoke. The goal of this research was to develop reliable and robust smoke fractionation methods using analytical separation and detection techniques in combination with in vitro toxicological assays. In a previous study by our collaborators, toxicological assessment of the particulate phase combustion products of twelve individual tobacco components revealed that the combustion products of chlorogenic acid were the most cytotoxic using the in vitro micronucleus test. Therefore, a preparative liquid chromatography method was developed in this work to fractionate the combustion products of chlorogenic acid to assess the bioactivity of these fractions and to identify the compounds responsible for the toxicity observed. The sub-fraction responsible for the most cytotoxic response comprised catechol, which was identified by liquid chromatography/time-of-flight mass spectrometry. Emerging studies have highlighted the toxicological significance of whole tobacco smoke and specifically the vapor phase, which shifted our focus to whole smoke analyses. The Borgwaldt RM20S® smoking machine in combination with British American Tobacco’s in vitro cell exposure chamber allow for the generation of fresh cigarette smoke in various doses and delivery to cell cultures. In vitro biological assays have a high degree of variability, thus, all other sources of variability must be accounted for to accurately assess toxicological endpoints; however, the reliability of dose delivery of the instrument had not been assessed until now. We have determined the reliability (RSD from 0.7-12%) of smoke generation and dilution by quantifying two reference standard gases (CH4 by flame ionization detection and CO by infrared absorption) and the tobacco particulate phase marker, solanesol (by high performance liquid chromatography-ultraviolet absorption detection). The relationship between dose and diluted vapor phase components found within the exposure chamber was then characterized by developing a headspace stir-bar sorptive extraction-gas chromatography/mass spectrometry method. The method repeatability gave an RSD from 10-13% for five reference compounds identified in the vapor phase of cigarette smoke. The maximal peak area response was obtained using the following experimental conditions: exposure-to-desorption time interval of 10  0.5 min, desorption temperature of 200 °C for 2 min, and a cryofocussing temperature of -75 °C. The dilution precision was found to yield a linear response of analyte abundance and was observed to be a function of concentration (RSD from 6.2-17.2 %) with quantities of 6-450 ng for the reference compounds. The findings obtained suggest the Borgwaldt RM20S® is a reliable tool to generate and deliver repeatable and linear doses of cigarette smoke to in vitro cell cultures. Our approach began with designing the methodology to work with an individual tobacco component, which could then be applied to a more complex sample, e.g., the vapor phase of cigarette smoke. The methodology developed can potentially serve as standardized methods for the assessment of instrumentation or screening of products for the Tobacco Industry.

La fumée du tabac est un aérosol extrêmement complexe constitué de milliers de composés répartis entre la phase particulaire et la phase vapeur. Il a été démontré que les effets toxicologiques de cette fumée sont associés aux composés appartenant aux deux phases. Plusieurs composés biologiquement actifs ont été identifiés dans la fumée du tabac; cependant, il n’y a pas d’études démontrant la relation entre les réponses biologiques obtenues via les tests in vitro ou in vivo et les composés présents dans la fumée entière du tabac. Le but de la présente recherche est de développer des méthodes fiables et robustes de fractionnement de la fumée à l’aide de techniques de séparation analytique et de techniques de détection combinés à des essais in vitro toxicologiques. Une étude antérieure réalisée par nos collaborateurs a démontré que, suite à l’étude des produits de combustion de douze principaux composés du tabac, l’acide chlorogénique s’est avéré être le composé le plus cytotoxique selon les test in vitro du micronoyau. Ainsi, dans cette étude, une méthode par chromatographie préparative en phase liquide a été développée dans le but de fractionner les produits de combustion de l’acide chlorogénique. Les fractions des produits de combustion de l’acide chlorogénique ont ensuite été testées et les composés responsables de la toxicité de l’acide chlorogénique ont été identifiés. Le composé de la sous-fraction responsable en majeure partie de la cytoxicité a été identifié comme étant le catéchol, lequel fut confirmé par chromatographie en phase liquide/ spectrométrie de masse à temps de vol. Des études récentes ont démontré les effets toxicologiques de la fumée entière du tabac et l’implication spécifique de la phase vapeur. C’est pourquoi notre travail a ensuite été focalisé principalement à l’analyse de la fumée entière. La machine à fumer Borgwaldt RM20S® utilisée avec les chambres d’exposition cellulaire de British American Tobacco permettent l’étude in vitro de l’exposition de cellules à différentes concentrations de fumée entière du tabac. Les essais biologiques in vitro ont un degré élevé de variabilité, ainsi, il faut prendre en compte toutes les autres sources de variabilité pour évaluer avec précision la finalité toxicologique de ces essais; toutefois, la fiabilité de la génération de la fumée de la machine n’a jamais été évaluée jusqu’à maintenant. Nous avons donc déterminé la fiabilité de la génération et de la dilution (RSD entre 0,7 et 12 %) de la fumée en quantifiant la présence de deux gaz de référence (le CH4 par détection à ionisation de flamme et le CO par absorption infrarouge) et d’un composé de la phase particulaire, le solanesol (par chromatographie en phase liquide à haute performance). Ensuite, la relation entre la dose et la dilution des composés de la phase vapeur retrouvée dans la chambre d’exposition cellulaire a été caractérisée en utilisant une nouvelle technique d’extraction dite par HSSE (Headspace Stir Bar Sorptive Extraction) couplée à la chromatographie en phase liquide/ spectrométrie de masse. La répétabilité de la méthode a donné une valeur de RSD se situant entre 10 et 13 % pour cinq des composés de référence identifiés dans la phase vapeur de la fumée de cigarette. La réponse offrant la surface maximale d’aire sous la courbe a été obtenue en utilisant les conditions expérimentales suivantes : intervalle de temps d’exposition/ désorption de 10 0.5 min, température de désorption de 200°C pour 2 min et température de concentration cryogénique (cryofocussing) de -75°C. La précision de la dilution de la fumée est linéaire et est fonction de l’abondance des analytes ainsi que de la concentration (RSD de 6,2 à 17,2 %) avec des quantités de 6 à 450 ng pour les composés de référence. Ces résultats démontrent que la machine à fumer Borgwaldt RM20S® est un outil fiable pour générer et acheminer de façon répétitive et linéaire la fumée de cigarette aux cultures cellulaires in vitro. Notre approche consiste en l’élaboration d’une méthodologie permettant de travailler avec un composé unique du tabac, pouvant être appliqué à des échantillons plus complexes par la suite ; ex : la phase vapeur de la fumée de cigarette. La méthodologie ainsi développée peut potentiellement servir de méthode de standardisation pour l’évaluation d’instruments ou de l’identification de produits dans l’industrie de tabac. / Tobacco smoke is an extremely complex aerosol composed of thousands of constituents distributed amongst the particulate and vapor phases. Toxicological effects have been linked to compounds present in both of these phases. Many biologically active compounds have been identified within tobacco smoke; however, there is a lack of studies correlating specific in vitro or in vivo biological responses to components within whole tobacco smoke. The goal of this research was to develop reliable and robust smoke fractionation methods using analytical separation and detection techniques in combination with in vitro toxicological assays. In a previous study by our collaborators, toxicological assessment of the particulate phase combustion products of twelve individual tobacco components revealed that the combustion products of chlorogenic acid were the most cytotoxic using the in vitro micronucleus test. Therefore, a preparative liquid chromatography method was developed in this work to fractionate the combustion products of chlorogenic acid to assess the bioactivity of these fractions and to identify the compounds responsible for the toxicity observed. The sub-fraction responsible for the most cytotoxic response comprised catechol, which was identified by liquid chromatography/time-of-flight mass spectrometry. Emerging studies have highlighted the toxicological significance of whole tobacco smoke and specifically the vapor phase, which shifted our focus to whole smoke analyses. The Borgwaldt RM20S® smoking machine in combination with British American Tobacco’s in vitro cell exposure chamber allow for the generation of fresh cigarette smoke in various doses and delivery to cell cultures. In vitro biological assays have a high degree of variability, thus, all other sources of variability must be accounted for to accurately assess toxicological endpoints; however, the reliability of dose delivery of the instrument had not been assessed until now. We have determined the reliability (RSD from 0.7-12%) of smoke generation and dilution by quantifying two reference standard gases (CH4 by flame ionization detection and CO by infrared absorption) and the tobacco particulate phase marker, solanesol (by high performance liquid chromatography-ultraviolet absorption detection). The relationship between dose and diluted vapor phase components found within the exposure chamber was then characterized by developing a headspace stir-bar sorptive extraction-gas chromatography/mass spectrometry method. The method repeatability gave an RSD from 10-13% for five reference compounds identified in the vapor phase of cigarette smoke. The maximal peak area response was obtained using the following experimental conditions: exposure-to-desorption time interval of 10  0.5 min, desorption temperature of 200 °C for 2 min, and a cryofocussing temperature of -75 °C. The dilution precision was found to yield a linear response of analyte abundance and was observed to be a function of concentration (RSD from 6.2-17.2 %) with quantities of 6-450 ng for the reference compounds. The findings obtained suggest the Borgwaldt RM20S® is a reliable tool to generate and deliver repeatable and linear doses of cigarette smoke to in vitro cell cultures. Our approach began with designing the methodology to work with an individual tobacco component, which could then be applied to a more complex sample, e.g., the vapor phase of cigarette smoke. The methodology developed can potentially serve as standardized methods for the assessment of instrumentation or screening of products for the Tobacco Industry.

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.

This project explores the feasibility of the solid-state welding method direct-drive friction welding to be used as a joining method for the nitrogen alloyed steel Uddeholm Vanax SuperClean, produced via processes based on powder metallurgy. Vanax SuperClean cannot be welded using fusion welding methods where the base material melts, due to nitrogen escaping the material, resulting in inferior quality welds. The cost of the material motivates the use of Vanax SuperClean for critical parts in applications, combined with a less costly material for the remaining parts, causing alternative joining methods to be examined. Vanax SuperClean is friction welded to itself and to Uddeholm steel types Stavax ESR and UHB 11. Samples are prepared for a number of examinations. Microstructures of the samples are examined using microscopy, microhardness testing is carried out per the Vickers principle, retained austenite is measured using X-ray diffraction and tensile testing of the welded samples is performed. Defect-free welds are produced in all examined samples, showing that the method is suitable for Vanax SuperClean and that no preheating or slow cooling of workpieces are necessary. The possibility of using friction stir welding as a joining method for Vanax SuperClean is discussed. / Detta projekt undersöker möjligheten att använda trycksvetsningsmetoden friktionssvetsning som sammanfogningsmetod för det kvävelegerade pulvermetallurgiskt framställda stålet Uddeholm Vanax SuperClean. Vanax SuperClean kan inte svetsas med smältsvetsmetoder där grundmaterialet smälter, på grund av kvävgasbildning som resulterar i undermåliga svetsfogar. Kostnaden för materialet motiverar användandet av Vanax SuperClean för kritiska delar i applikationer, kombinerat med ett mindre kostsamt material till övriga delar, vilket föranleder undersökning av alternativa sammanfogningsmetoder. Vanax SuperClean friktionssvetsas mot sig själv, såväl som mot Uddeholmsstålen Stavax ESR och UHB 11. Prov tas fram för ett antal undersökningar. Mikrostruktur undersöks med mikroskopi, mikrohårdhetsprovning utförs enligt Vickersprincipen, restaustenitnivåer mäts med röntgendiffraktion och dragprovning utförs. Lyckade svetsfogar fås i alla undersökta prover, vilket visar att svetsmetoden är lämplig för Vanax SuperClean och att varken förvärmning eller långsamt svalnande av arbetsstycken krävs. Möjligheten att använda friktionsomrörningssvetsning som sammanfogningsmetod för Vanax SuperClean diskuteras.

<p>Within the framework of presented PhD, friction stir spot welding (FSSW) of<br />multiple ultrathin sheets of AA 5754 &ndash; H111 (AlMg3) alloy 0.3 mm thick, was<br />studied. The influence of tool geometry and process parameters such as rotational<br />speed and axial load have been analysed using numerous techniques. It has been<br />understood that during the welding at low rotational speeds weld zone undergoes<br />strain hardening, while at high rotational speeds weld zone undergoes thermal<br />softening. It was observed that during FSSW at low rotational speeds a complex<br />layer at weld interface is present, which causes delamination when welded samples<br />are subjected to load.</p> / <p>У оквиру ове докторске дисертације испитивано је тачкасто заваривање трењем са мешањем ултратанких лимова дебљине 0.3 mm од легуре АА 5754 &ndash; H111 (AlMg3). Утицај геометрије алата и параметара као што су угаона брзина и аксијално оптерећење су детаљно анализирани уз помоћ бројних техника. Установљено је да приликом заваривања ниским угаоним брзинама долази до деформационог ојачавања, док на високим угаоним брзинама долази до термичког омекшавања зоне завара. Код узорка завареног са најмањим бројем обртаја долази до формирања комплексног слоја на међуконтактној површини који изазива деламинацију приликом испитивања механичких особина.</p> / <p>U okviru ove doktorske disertacije ispitivano je tačkasto zavarivanje trenjem sa mešanjem ultratankih limova debljine 0.3 mm od legure AA 5754 &ndash; H111 (AlMg3). Uticaj geometrije alata i parametara kao što su ugaona brzina i aksijalno opterećenje su detaljno analizirani uz pomoć brojnih tehnika. Ustanovljeno je da prilikom zavarivanja niskim ugaonim brzinama dolazi do deformacionog ojačavanja, dok na visokim ugaonim brzinama dolazi do termičkog omekšavanja zone zavara. Kod uzorka zavarenog sa najmanjim brojem obrtaja dolazi do formiranja kompleksnog sloja na međukontaktnoj površini koji izaziva delaminaciju prilikom ispitivanja mehaničkih osobina.</p>

Les simulations numériques représentent un outil fondamental pour la conception et l'optimisation de procédés industriels de fabrication tels que le soudage. Malgré le développement impressionnant des méthodes numériques et des moyens de calcul utilisables, la complexité des procédés de fabrication et les nouvelles exigences des industries les plus avancées obligent à repenser les méthodes, les stratégies et les algorithmes de simulation disponibles. Dans cette thèse, de nouvelles méthodes numériques avec une approche de Réduction des Modèles sont proposées, une discipline consolidée qui a fourni des solutions étonnantes dans différentes applications, comme les procédés de fabrication avancés. Tout d'abord, différentes stratégies sont proposées pour la simulation efficace des procédés de soudage conventionnel, à cet effet, l'utilisation de Computational Vademecums est introduite. L’introduction de ces abaques numériques améliorent des méthodes telles que : les Éléments Finis Généralisés pour le calcul thermique, l'approche local-global pour le calcul mécanique et enfin, la construction directe des abaques numériques utiles pour la phase de pré-design. En second lieu, un solveur PGD efficace est présenté pour les simulations thermo-mécaniques de soudage par friction-malaxage. Cette thèse montre comment la réduction des modèles,en plus d'être une fin en soi, peut être un excellent ingrédient pour améliorer l'efficacité des méthodes numériques traditionnelles. Cela représente un grand intérêt pour l'industrie. / Numerical simulations represent a fundamental tool for the design and optimization of industrial manufacturing processes such as welding. Despite the impressive development of the numerical methods and the means of calculation, the complexity of these processes and the new demands of the more advanced industries make it necessary to rethink the available methods, strategies and simulation algorithms. In this thesis, we propose new numerical methods with a Model Order Reduction approach, a consolidated discipline that has provided surprising solutions indifferent applications, such as advanced manufacturing processes. First, different strategies for the efficient simulation of conventional welding processes are proposed. To this end, the use of Computational Vademecums is introduced for the improvement of methods such as the Generalized Finite Element for thermal calculation, the local-global approach for the mechanical calculation or the direct construction of vademecums useful for predesign phases. Then, an efficient PGD solver for thermomechanical simulations for friction stir welding is presented. This thesis shows how Model Reduction, besides being an end, it can be an excellent ingredient to improve the efficiency of traditional numerical methods, with great interest for the industry.

Friction stir welding (FSW) of steel is often performed with an insert made of polycrystalline cubic boron nitride (PCBN). Specifically, MS80 is a grade of PCBN made by Smith MegaDiamond that has been optimized for the FSW process. The PCBN insert is attached to a tungsten carbide (WC) shank by a compression fitting. However, FSW tools manufactured by this method inevitably fail by fracture in the PCBN. Permanently bonding PCBN to WC would likely solve the fracturing problem and increase the life of PCBN FSW tools to be economically viable. Partial transient liquid phase (PTLP) bonding, a process used to join ceramics with thin metallic interlayers, was proposed as a method to permanently bond PCBN to WC. PTLP bonding is often performed using three layers of pure elements. On heating, the two thin outer interlayers melt and bond to the ceramics. Concurrently, these liquid layers diffuse into the thicker refractory core until solidification has occurred isothermally. A procedure was developed to reduce the number of possible three-layer PTLP bonding setups to a small set of ideal setups using logical filters. Steps in this filtering method include a database of all existing binary systems, sessile drop testing of 20 elements, and a routine that calculates maximum interlayer thicknesses. Results of sessile drop testing showed that the PCBN grade required for this research could only be bonded with an alloy of Ti, Cu, Mg, and Sb. Two PTLP bond setups were tested using this special coating on the PCBN, but a successful bond could not be achieved. However, a PTLP bond of WC to WC was successful and proved the usefulness of the filtering procedure for determining PTLP bond setups. This filtering procedure is then set forth in generalized terms that can be used to PTLP bond any material. Also, recommendations for future research to bond this grade of PCBN, or some other grade, to WC are presented.