Soutenance mémoire
Technique d’assemblage par collage structural
Le collage structural est une alternative innovante et efficace à des procédés d’assemblages plus traditionnels comme le soudage, le rivetage ou encore le boulonnage. Il contribue de manière substantielle permanente à l’intégrité structurelle d’un produit manufacturé. C’est un procédé dans lequel deux matériaux identiques ou non sont assemblés par un adhésif de façon solide et permanente . Les adhésifs constituent ainsi « des jonctions » entre les surfaces des substrats à assembler.
Il y a plusieurs raisons qui incitent les industriels à se tourner vers les assemblages collés plutôt que les traditionnels. Le collage permet d’assembler des matériaux différents, durs, mous, flexibles ou fragiles. Il permet également d’améliorer l’apparence et surtout d’alléger des structures grâce à la suppression des éléments tels que les vis et boulons par exemple. Il garantit une meilleure répartition des efforts sur l’ensemble de la structure et permet d’amortir les vibrations à haute fréquence .
Cependant, le collage a des inconvénients aussi. D’une part, il faut veiller à la bonne préparation des surfaces des substrats à assembler. En effet, il est habituellement nécessaire de traiter les surfaces des substrats à encoller, via des traitements mécaniques et/ou chimiques ce qui est une opération coûteuse mais indispensable. D’autre part, le choix même de l’adhésif est important. Ce dernier doit généralement être sélectionné en fonction de l’application envisagée, de la nature des substrats à assembler, de ses caractéristiques de mouillabilité et de la durée de la solidification [12].Cependant, cette technologie est encore relativement récente et l’évaluation systématique de la tenue mécanique des assemblages collés est absolument nécessaire via les essais mécaniques destructifs.
Familles de défauts de collage
Grâce aux essais mécaniques réalisés sur les assemblages collés, dont on peut citer ceux de traction, cisaillements, de pelage et en flexion 3 points, deux familles de rupture de collage ont été observées et classées comme suit :
Défauts cohésifs
On appelle défaut cohésif un défaut susceptible d’être localisé dans la couche de l’adhésif, comme par exemple des porosités ou des bulles d’air piégées dans la colle. Une réticulation incomplète de l’adhésif peut également provoquer un défaut cohésif. En effet, la réticulation est un phénomène chimique qui dépend des conditions environnantes, notamment la température. Plus le taux de réticulation de l’adhésif est élevé, plus la mobilité des chaînes moléculaires est réduite, ce qui permet à l’adhésif une meilleure cohésion. D’autres paramètres peuvent causer une faible cohésion d’après l’étude de Bikerman [13] comme la présence de substances (additifs du polymère ou impuretés du métal) ou encore de l’air au niveau de l’interphase, dû à la rugosité importante du substrat ou à une mouillabilité médiocre entre l’adhésif et le substrat.
Défauts adhésifs
Les défauts adhésifs se situent au niveau de l’interface entre l’adhésif et le substrat. On en distingue trois types :
❖ Les décollements qui peuvent avoir lieu à cause d’une mauvaise répartition de la colle pendant l’assemblage ou encore de la présence des impuretés comme de la graisse sur la surface des substrats à encoller, mais aussi d’une dégradation environnementale (humidité, infiltration d’eau) [14]. Afin d’éviter ce type de défauts, un nettoyage minutieux des surfaces des substrats est essentiel, permettant ainsi d’éliminer toutes les impuretés telles que les matières grasses et les poussières [13].
❖ Une faible adhésion Elle peut être synonyme d’une liaison faible entre la colle et le substrat sans nécessairement provoquer un décollement. Ceci est souvent causé par la présence d’un polluant à la surface de l’adhérent ou d’un mauvais traitement de surface.
Kissing bond
Bien que les défauts cités plus haut aient une signification précise, la nature réelle des défauts de type kissing bond n’est pas bien établie et plusieurs définitions sont données dans la littérature[15]–[19]. Par contre, elles ne sont pas toujours cohérentes et peuvent même mener à des confusions. Adams et al. [20] le définissent comme un contact sans adhésion, certains auteurs le classent parmi les défauts de faible adhésion[19], [20], alors que d’autres [16] le considèrent comme un contact parfait entre deux surfaces sans transmission de contraintes de cisaillement. Marty et al[23]énumèrent dans leur étude trois critères expérimentaux pour qualifier un kissing bond. En premier lieu, la contrainte de rupture doit être inférieure à 20 % de la contrainte de rupture nominale en cas d’adhésion parfaite pendant un test de pelage, en second lieu, la rupture est purement adhésive et en troisième lieu, la prospection de la structure par des ondes ultrasonores longitudinales ne détecte pas la présence d’un défaut au niveau des interphases. Najib et al [24] a étudié l’effet du kissing bond modélisé par des éléments de contact sur le comportement dynamique non-linéaire des structures avec un joint adhésif flexible, et a démontré que la zone du défaut kissing bond entraine une distorsion harmonique. Il a définit ainsi, des indicateurs de dommage non linéaire capables d’identifier l’effet du kissing bond dans les joints adhésif.
Les méthodes de contrôle et d’évaluation non destructives du collage
Comment assurer la sûreté des structures collées dans les domaines du transport et de l’industrie ? Un défaut de collage pouvant avoir des conséquences sérieuses, plusieurs techniques de contrôle non destructif ont été élaborées et contribuent à prévenir ces défauts. Nous présentons ci-dessous un récapitulatif non exhaustif des méthodes les plus courantes.
Ressuage
Le contrôle par ressuage est une des méthodes non destructives les plus prisées dans le monde industriel. En effet, c’est une méthode très simple à mettre en œuvre et peu coûteuse utilisée pour faire apparaître les défauts superficiels débouchant comme les fissures à la surface de tous les matériaux non poreux. Sur une surface préalablement nettoyée, on applique un liquide mouillant et coloré afin qu’il pénètre par capillarité dans le défaut, après quelques minutes, on élimine l’excédent du liquide. Ensuite, toute la surface ainsi traitée est recouverte d’un révélateur qui va provoquer le ressuage du liquide coloré retenu dans les défauts, ces derniers sont alors révélés et localisés. Le ressuage permet de détecter les fissures, les éclats, la porosité, les piqûres, etc… sur des pièces à différents stades de la fabrication, lors de la préparation au soudage et lors du soudage. Le ressuage permet de détecter la fatigue du métal (fissures de fatigue,…), les piqûres, etc…sur des installations en service. Parmi ses avantages : sa haute sensibilité de détecter des défauts ainsi que son pouvoir de les localiser et les dimensionner.
Radiographie
Le contrôle radiographique est une technique utilisant des rayons de hautes énergies qui peuvent traverser certains matériaux et créer une imagerie indispensable au diagnostic et au traitement[25], [26]. Ce contrôle est réalisé, soit à l’aide d’une source radioactive Y, soit par un poste émetteur de rayon X. Son principe est de faire traverser un matériau par un faisceau électromagnétique X ou Y et récupérer en sortant une image 3D qui traduit l’absorption subie par un rayonnement ayant traversé la structure [27].Cette technique permet de détecter des défauts de compacité (internes) souvent très fins (fissures, soufflures, inclusions, manque de liaison, manque de fusion, etc…) en se basant sur la quantité de rayonnement transmise. Plus concrètement, la présence d’un défaut qui correspond en général à un manque de matière va engendrer une faible absorption et donc une forte intensité sur l’image récupérée.
Des études récentes employant cette technique de radiographie ont montré son efficacité pour caractériser et évaluer la qualité de collage à condition que les substrats n’aient pas une absorption trop élevée. En effet, elle a permis de localiser les défauts superposés en profondeur, ce qui représente une nouveauté dans ce domaine [28]–[30]. Jama et al [31] ont montré qu’il est possible d’observer des variations d’épaisseur du film de colle (en mesurant le taux de comptage des photons) et de détecter des décollements dans des assemblages aluminium/colle/composite à partir de la mesure du spectre d’énergie des photons diffusés. Dans tous les cas, les fortes contraintes d’utilisation en matière de sécurité limitent le recours à cette technique.
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Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
Chapitre 1 : REVUE DE LITTÉRATURE PRÉLIMINAIRE
1 Revue de littérature préliminaire
1.1 Technique d’assemblage par collage structural
1.2 Familles de défauts de collage
1.2.1 Defauts cohésifs
1.2.2 Defauts adhésifs
1.2.3 Kissing bond
1.3 Les méthodes de contrôle et d’évaluation non destructives du collage 27
1.3.1 Ressuage
1.3.2 Radiographie
1.3.3 La thermographie infrarouge
1.3.4 Courants de Foucault
1.3.4 Les ultrasons
1.4 Conclusion
Chapitre 2 : Evaluation des niveaux d’adhésion dans un tricouche métal/époxy/matériau composite par ondes de Lamb
1 Introduction
2 Rappels théoriques sur les ondes de Lamb
2.1 Milieu élastique, homogène et isotrope
2.2 Théorie des ondes élastiques
2.3 Ondes de Lamb dans une plaque plane dans le vide
2.4 Ondes de Lamb dans une plaque plane anisotrope
2.5 Cas des matériaux orthotropes
3 Simulation 1D de l’adhésion aux interfaces collées substrat/colle par éléments finis
3.1 Modèle rhéologique aux interphases
3.1.1 Propriétés des matériaux de l’assemblage
3.1.2 Présentation du modèle
3.2 Comparaison avec le modèle adhésif de Jones
3.3 Implémentation sous Comsol
3.4 Courbes de dispersion numériques
3.5 Sensibilité des modes de Lamb aux coefficients d’adhésion α et β
3.5.1 Cas où α= 1 et β<1
3.5.2 Cas où α<1 et β=1
3.6 Sensibilité aux épaisseurs des matériaux de la structure
3.6.1 Sensibilité à l’épaisseur de la couche de composite
3.6.2 Sensibilité à l’épaisseur de la couche d’aluminium
3.6.3 Sensibilité à l’épaisseur de la couche de colle
3.6.4 Sensibilité aux modules de cisaillement Cij du matériau composite
4 Caractérisation expérimentale de la qualité de collage avec des modes de Lamb
4.1 Protocole de réalisation des échantillons
4.1.1 Préparation de surface
4.1.2 Choix de l’adhésif époxy et protocole d’assemblage des matériaux
4.1.3 Echantillons étudiés
4.2 Résultats expérimentaux de l’étude par ondes de Lamb
4.2.1 Dispositif expérimental
4.2.2 Acquisition et traitements de signal
4.2.3 Confrontation des résultats expérimentaux aux résultats de simulations
5 Conclusion
Chapitre 3 : évaluation de niveaux d’adhésion par ondes guidées de type SH. Modélisation et détection de défauts de type kissing bond
1. Introduction
2. Rappel théorique sur les ondes SH
3. Simulation 1D de l’adhésion aux interfaces collées substrat/colle par éléments finis
3.1 Modèle rhéologique aux interphases pour les ondes SH
3.1.1 Présentation du modèle
3.2 Implémentation sous Comsol
3.3 Courbes de dispersion numériques
3.4 Sensibilité aux coefficients d’adhésion α et β
3.4.1.Cas où α= 1 et β<1
3.4.2.Cas où α< 1 et β=1
3.5 Sensibilité aux épaisseurs des matériaux de la structure
3.5.1 Sensibilité à l’épaisseur de la couche d’aluminium
3.5.2 Sensibilité à l’épaisseur de la couche de composite
3.5.3 Sensibilité à l’épaisseur de la couche de colle
3.5.4 Sensibilité aux modules de cisaillement Cij du matériau composite
4. Simulation 2D de la propagation d’une onde SH
4.1 Description du modèle
4.2 Implémentation sous Comsol
4.3 Validation du modèle de simulation 2D
4.4 Modélisation d’un défaut de type kissing bond (KB)
4.4.1. Interaction d’un mode SH sensible à la qualité du collage avec un défaut de type kissing bond de grande dimension
4.4.2. Interaction d’un mode SH insensible à la qualité du collage avec un défaut de type kissing bond de grande dimension
4.4.3Etude paramétrique selon la taille du kissing bond
5 Résultats expérimentaux
5.1 Etude énergétique sur la non excitabilité des modes SH sensibles à la qualité de l’adhésion
5.2 Le banc expérimental EMAT pour la génération des ondes SH
5.3 Reproductibilité des mesures
5.4 Etude d’atténuation des modes SH
5.4.1 Echantillonsde l’étude
5.4.2 C-scan pour valider la présence d’une dégradation du collage
5.4.3 Résultats expérimentaux de l’étude d’atténuation
6 Conclusion
CONCLUSIONS
