Assemblage des matériaux composites par soudage laser : caractérisation et modélisation 

Principe du soudage laser

Le mot laser signifie : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplification de la lumière par émission stimulée de radiation).
Le principe est basé sur les processus d’interaction entre la lumière et la matière dont les atomes acquièrent l’énergie du rayonnement qui est transformée en chaleur. L’amplification de ce rayonnement permet de produire l’effet laser.
Le principe du soudage laser des composites consiste à assembler deux parties, aux propriétés chimiques identiques (mêmes constituants en fibres et matrice), mais aux propriétés optiques différentes. L’une des plaques est constituée du composite à son état naturel tandis que l’autre partie comporte des pigments de noir de carbone. On parle alors de parties absorbante et transparente . Pendant le soudage, la partie dite transparente est traversée par les longueurs d’onde du faisceau laser qui sont transformées en chaleur au contact de la partie absorbante. Ce qui provoque la fusion locale de la partie absorbante et qui va faire fondre localement la partie transparente par conduction. Le refroidissement de la zone fondue devient le joint soudé qui va assembler les deux parties [JOL, Techniques de l’ingénieur] .

Sollicitation du joint soudé et mode de dégradation

Au cours de la sollicitation mécanique de l’assemblage, il est important de savoir ce que mesure le capteur de déplacement au sein de l’éprouvette. Car il peut mesurer les micro-déplacements dans le joint soudé, ou bien dans le composite à assembler, ou bien dans les deux en même temps. De cette exigence dépendra la rigueur de la démarche de caractérisation et la précision des résultats pour le dimensionnement.
Pour cette analyse, nous utilisons des éprouvettes de type simple-recouvrement. C’est une géométrie qui est facile à réaliser et à travers laquelle on peut obtenir assez rapidement des informations de base sur les assemblages des polymères ou des composites.

Tests par émission acoustique (EA)

L’émission acoustique est un phénomène de libération d’énergie sous forme d’ondes élastiques transitoires résultant de micro-déplacements locaux internes au sein d’un matériau soumis à sollicitation (AFNOR NF A 09-350). Ces ondes élastiques se déplacent jusqu’à la surface du matériau où elles sont détectées par des capteurs piézo-électriques (PAC micro 80).
Cette détection est facilitée par l’utilisation d’un gel silicone entre les capteurs et la surface du matériau. Le signal reçu par les capteurs est ensuite amplifié (amplificateurs de 40 dB) pour être traité par des logiciels appropriés (Noesis) afin d’obtenir les ondes d’émission acoustiques (discrètes ou continues) capables de donner des interprétations physiques sur la réponse du matériau. Plusieurs phénomènes physiques peuvent être à l’origine des activités acoustiques [HUG, 2002], [NIM et REN, 2009]:
Fissuration, Amorçage et propagation de fissures, Corrosion, érosion, Rupture de fibres, délaminage, fissuration de la matrice (matériaux composites), Frottement , Fuites (liquide, gaz). Ces différents mécanismes physiques sont identifiés grâce à l’interprétation des signaux EA (ou salves) à travers certains paramètres pertinents. Les paramètres les plus couramment rencontrés sont [HUG, 2002] :
L’amplitude, ou crête, (dB), La durée. Elle correspond au temps qui sépare le premier et le dernier dépassement de seuil, Le nombre de coups. Il correspond au nombre de franchissements de seuil par le signal sur toute sa durée ,Le nombre de coups au pic. Il correspond au nombre de franchissements de seuil par le signal entre le premier dépassement de seuil et l’amplitude maximale ,Le temps de montée. Il correspond au temps qui sépare le premier dépassement de seuil et l’amplitude maximale du signal ,La fréquence moyenne. Elle correspond au nombre de coups d’une salve divisée par sa durée. L’énergie du signal.
Activités acoustiques dans le composite :Dans un premier temps, on localise la zone dans laquelle les activités acoustiques sont considérées au sein du matériau composite . Cette zone de localisation (30 mm) est égale à la longueur de recouvrement dans le cas des éprouvettes soudées, et permet d’être relativement loin des mors pour minimiser les effets des bruits de fond. Après quelques essais sur les éprouvettes simple-recouvrement, nous nous étions rendu compte que l’assemblage ne dépassait pas 315 daN de résistance. Le composite sera donc sollicité jusqu’à cette valeur seuil pour relever ses activités acoustiques. Les paramètres analysés sont l’amplitude du signal (en fonction de la fréquence moyenne) et la densité de l’énergie (en fonction de la durée). On observe alors que l’amplitude du signal ne dépasse pas 64 dB dans le composite, et que la valeur de l’énergie ne dépasse pas 500 aJ (1 aJ=  10−21Joule) .
Activités acoustiques dans le joint soudé :Pour relever les activités acoustiques dans le joint soudé, les éprouvettes sont sollicitées jusqu’à la rupture. La localisation permet de centrer les analyses sur la largeur de la zone soudée (5 mm) . Ici (seulement), quand nous parlons de composite, il s’agit de la partie du composite qui se trouve dans la largeur de la zone soudée (5mm).
Partant des discriminations faites précédemment, on observe que l’amplitude du signal atteint 90 dB environ dans la zone soudée . Cette valeur correspond à une rupture des fibres, ou leur arrachement (pull out) [HUG, 2002], [NIM et REN, 2009].
On observe également que la densité d’énergie ainsi que celle de l’amplitude du signal sont concentrées dans le joint soudé . Cela prouve que les micro-déplacements y sont localisés pendant la sollicitation. Ce qui permet alors de faire l’hypothèse que le capteur de déplacement mesure quasi exclusivement ces micro-déplacements, au détriment de ceux qui seraient présents dans le composite.

Dégradation du joint soudé

Suite aux analyses par émission acoustique réalisées sur les éprouvettes simple-recouvrement soumises à une sollicitation de traction, on observe que le nombre de coups croît de manière quasi brutale dans le joint soudé . Nous avons alors faire l’hypothèse que l’instabilité créée par les premières microfissures est à l’origine de la rupture finale de l’assemblage. Ce qui nous permet de faire l’hypothèse de l’existence d’un maillon faible dans le joint soudé. Notons que cette hypothèse reste quand même discutable, car il y’a eu un temps de retard (d’une centaine de secondes) avant le début de cette propagation.

Détermination des caractéristiques mécaniques du joint soudé

Des observations microscopiques (microscopie optique) à travers une coupe transversale montrent la présence de fibres dans la zone soudée . Celle-ci peut alors être considérée comme un troisième composite unidirectionnel confiné entre les plaques transparente et absorbante.
La première difficulté reste la mesure de la géométrie de cette zone d’assemblage. Car, si les paramètres de soudage sont choisis pour obtenir une largeur de l’interface du joint soudé quasi homogène (5 mm), il est cependant impossible de contrôler la profondeur de la matière fondue qui lie les deux parties assemblées. En effet, la dispersion de l’hétérogénéité de la microstructure confère au matériau des propriétés locales différentes, comme il a été montré précédemment. Ainsi, dans la réalité aucun joint soudé n’a de caractéristiques géométriques identiques à un autre. La seule similitude observée est la forme pseudo-ellipsoïdale (ou de lentille) de la section droite. Néanmoins, et dans un souci de simplification, nous allons considérer une profondeur moyenne de 500 µm.

Essai de type simple-recouvrement (lap-shear test)

La caractérisation mécanique des assemblages (collage, soudage, etc.) se fait dans beaucoup de cas sur des éprouvettes de type simple-recouvrement  [AGE, 2000, 2001], [RUS, 2003], [STA et BER, 2005], [GHA et MAL, 2005], [KNA et al, 2010]. Ce choix s’explique, comme nous le disions tantôt, par la facilité de fabrication de ces types d’éprouvettes et la rapidité (relative) d’obtention des résultats pour établir les premières analyses sur les propriétés mesurées.
Nous avons précédemment indiqué que deux types de joints soudés seront comparés afin de choisir la configuration qui sera retenue pour la suite de l’étude. Pour ce faire, les éprouvettes sont assemblées en fonction de la direction parallèle ou perpendiculaire du faisceau laser par rapport à la direction des fibres . Nous les notons respectivement E0 et E90. Le pilotage de l’essai se fait en déplacement de la traverse à une vitesse de 0,25 mm/mn jusqu’à la rupture du joint soudé.
Pour pouvoir mieux comparer les deux configurations de soudage nous avons choisi de diviser la force par la surface du joint soudé dans chaque essai. Il n’est pas tout à fait exact d’affirmer, en toute rigueur, qu’il s’agit d’une contrainte de cisaillement. Mais nous allons l’appeler tout de même «contrainte». Pour pouvoir obtenir cette «contrainte», la surface de chaque joint est calculée par analyse d’image après chaque essai.
Les premiers résultats montrent une meilleure tenue de la configuration E90 par rapport à la configuration E0 , avec une dispersion au niveau des contraintes à rupture qui est dans le même ordre de grandeur, même si ces dispersions semblent beaucoup plus prononcées  (configuration E90). On note en revanche un faible niveau de déplacement avant la rupture du joint dans la configuration E90 (une moyenne de 0,2mm, tandis que celui de la configuration E0 est d’environ 0,4 mm, soit deux fois plus).

Essai Arcan-Mines

Pour caractériser des joints de colle de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres, un dispositif particulier appelé Arcan-Mines est utilisé depuis quelques années dans l’équipe de Jacques RENARD au centre des matériaux de l’Ecole des Mines de Paris [JOA, 2007], [MAR, 2007], [LER, 2011], [BAS, 2011]. Ce dispositif est une modification du dispositif d’origine, qui tire son nom de son concepteur ARCAN [ARC, 1987] et permet d’appliquer des sollicitations uniaxiales et multiaxiales sur le joint soudé, pour la détermination de son comportement mécanique intrinsèque. Le dispositif est constitué de deux demi-disques avec des trous équidistants sur sa circonférence. Le passage entre deux trous voisins situés sur le même rayon fait tourner le dispositif d’un angle de 15°. Cette disposition des trous permet d’appliquer les sollicitations en fonction de la direction souhaitée.  Ce qui revient à imposer une sollicitation de traction sur l’éprouvette. En passant aux deux trous suivants , on applique une sollicitation orientée de 30° (2x 15°) sur l’éprouvette. Et lorsqu’on oriente le dispositif de 90°, on applique une sollicitation de cisaillement.
Dans cette étude, nous appliquerons au joint soudé des sollicitations de traction (0°), de cisaillement (90°) et des sollicitations mixtes (30°, 60°).
L’application des sollicitations suivant plusieurs directions est nécessaire, pour pouvoir obtenir une réponse mécanique multiaxiale du joint soudé, vue son état confiné dans l’assemblage. Ce qui permettra également de mieux choisir les hypothèses pour la construction du modèle de comportement mécanique. Les quatre directions choisies (0°, 30°, 60°, 90°) nous semblent suffisantes pour cela.

Validation du modèle de comportement sur un raidisseur

Bien qu’il ne représente pas, de part sa taille, une structure industrielle, le raidisseur peut représenter un bon compromis entre les échantillons de laboratoire et les pièces structurales (pare-choc de voiture, portière de voiture, etc.).
Dans cette partie, nous allons le modéliser et prendre en compte le modèle du joint soudé dans la zone d’assemblage pour la validation. Deux approches peuvent alors être exploitées. Nous convenons d’appeler la première, approche globale. Elle consiste à étudier la réponse du raidisseur à une sollicitation extérieure en se situant assez loin de la zone soudée (principe de Saint-Venant). Ceci nous affranchit plus ou moins des effets du maillage local dans cette zone.
La deuxième approche (locale) consiste à étudier la réponse du raidisseur en analysant les points autour de la zone soudée. Cette approche est plus critiquable car elle est fortement tributaire de la finesse du maillage. Un maillage relativement raisonnable (ni trop raffiné, ni trop grossier) permet, néanmoins, d’obtenir une première approximation pour vérifier le niveau de précision du modèle de comportement.

Approche globale

Le raidisseur est fabriqué dans le même matériau (PA6+ fibres de verre continues) que les éprouvettes qui ont servi à la caractérisation mécanique, avec la même fraction volumique (40%). Des pigments de noirs de carbone sont ajoutés pour le rendre absorbant au rayonnement du faisceau laser. L’assemblage par faisceau laser est obtenu en soudant le raidisseur sur une plaque transparente constituée de 5 plis unidirectionnels . Nous utilisons les mêmes paramètres de soudage que pour les échantillons qui ont permis la caractérisation du joint soudé. Ce qui permet de considérer que la profondeur du joint soudé au sein du raidisseur est de 500 µm en moyenne. Après l’assemblage par un joint soudé sur toute sa longueur , le raidisseur sera découpé pour pouvoir être placé dans le dispositif, spécialement conçu pour cet essai. Chaque partie découpée a une largeur de 30 mm.

Approche locale

Malgré la difficulté de l’interprétation des résultats dans une zone si sensible à la taille et à la qualité du maillage, des analyses ont été menées sur le comportement mécanique autour de la zone soudée. Pour cela, un mouchetis a été pulvérisé autour de la zone soudée, pour prendre des points témoins comme des capteurs qui serviront à évaluer le déplacement local .

Table des matières

Chapitre 1 
1 Introduction générale
1-1 Motivations
1-2 Contexte et contenu de l’étude
PARTIE I : Caractérisation mécanique et microstructurale du composite 
Chapitre 2 
2 Caractérisation mécanique du matériau
2-1 Présentation du matériau
2-1-1 Le PA6
2-1-2 Les fibres de verre
2-2 Détermination de la fraction volumique
2-3 Caractérisation mécanique
2-3-1 Essais longitudinaux
2-3-2 Essais de traction transversale
3-2-3 Modules de cisaillement
2-4 Conclusion
Chapitre 3
3 Analyse et caractérisation microstructurale
3-1 Analyse microstructurale
3-1-1 La capacité de Choquet
3-1-2 La covariance
3-1-3 La portée intégrale
3-2 Application au matériau de l’étude
3-3 Analyse des fluctuations locales
3-3-1 Fluctuations de la fraction surfacique des fibres
3-3-2 Fluctuation de la taille des fibres
3-4 Caractérisation microstructurale
3-4-1 Homogénéisation
3-4-1-1 Homogénéisation par la MEF
3-4-1-2 Homogénéisation par la méthode des bornes
3-4-2 Détermination de VER (Volume Elémentaire Représentatif)
3-4-3 Application au matériau de l’étude
3-4-3-1 Influence des fluctuations locales de la microstructure sur la conductivité thermique locale
3-4-3-2 Influence des fluctuations locales sur les modules d’élasticité
3-4-3-3 Détermination du VER du composite
3-5 Comparaison entre les résultats expérimentaux et les propriétés effectives du VER
3-6 Conclusion
PARTIE II : Assemblage des matériaux composites par soudage laser : caractérisation et modélisation 
Chapitre 4 
4 Assemblage des matériaux composites par soudage laser 
4-1 Principe du soudage laser
4-1-1 Influence des fibres dans le soudage
4-1-2 Influence de la matrice
4-2 Sollicitation du joint soudé et mode de dégradation
4-2-1 Tests par émission acoustique (EA)
4-2-1-1 Activités acoustiques dans le composite
4-2-1-2 Activités acoustiques dans le joint soudé
4-2-2 Dégradation du joint soudé
4-3 Conclusion
Chapitre 5 
5 Caractérisation mécanique du joint soudé
5-1 Détermination des caractéristiques mécaniques du joint soudé
5-1-1 Essai de type simple-recouvrement (lap-shear test)
5-1-2 Essai Arcan-Mines
5-1-2-1 Résultats des essais de traction (0°)
5-1-2-2 Résultats des essais à 30°
5-1-2-3 Résultats des essais à 60°
5-1-2-4 Résultats des essais à 90°
5-2 Discussion
5-3 Conclusion
Chapitre 6 
6 Modélisation mécanique et lois de comportement
6-1 Concepts généraux
6-1-1 Méthode de l’état local
6-1-1-1 Variables d’état
6-1-1-2 Potentiel thermodynamique, lois d’état
6-1-1-3 Dissipation
6-1-2 Surface de charge- Fonction seuil. Lois complémentaires
6-2 Modélisation mécanique du comportement élastique : méthode analytique
6-3 Modélisation du comportement non-linéaire du joint soudé: Surface de charge-Fonction seuil
6-3-1 Vérification du comportement élastique du joint soudé
6-3-2 Vérification du comportement élasto-plastique du joint soudé
Chapitre 7 
7 Validation du comportement mécanique du joint soudé
7-1 Validation sur les éprouvettes de type simple-recouvrement
7-2 Validation du modèle de comportement sur un raidisseur
7-2-1 Approche globale
7-2-2 Approche locale
7-3 Conclusion
PARTIE III : Approche probabiliste 
Chapitre 8 
8 Approche probabiliste : Généralités et applications
8-1 Modèle statistique de Weibull
8-1-1 Mode de dégradation du joint soudé, hypothèse du maillon faible
8-1-2 Modèle de Weibull
8-1-3 Détermination des paramètres de Weibull
8-1-4 Application au matériau de l’étude
8-1-4-1 Application au composite unidirectionnel
8-1-4-2 Application au joint soudé
8-2 Critères probabilistes de rupture
8-3 Conclusion
Chapitre 9 
9 Conclusion générale et perspectives 
Références Bibliographiques

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