Soutenance de thèse : Benjamin LEFLON

Soudage à l'arc de l'acier à l'aluminium: prédiction de l'épaisseur de la couche de composé intermétallique

Doctorant : Benjamin LEFLON

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale n°34 ML - Matériaux

L'assemblage de l'aluminium et de l'acier est une méthode prometteuse pour réduire le poids des automobiles. Parmi les techniques d'assemblage existantes, le soudage à l'arc sous gaz inerte avec électrode en tungstène, connu sous le nom de soudage TIG, semble particulièrement intéressant. Cependant, le fer et l'aluminium réagissent pour former une couche de composé intermétallique (IMC) fragile dont l'épaisseur a un impact direct sur la tenue mécanique de l'assemblage, ce qui empêche son utilisation à l'échelle industrielle. Dans cette thèse, nous proposons de développer un modèle robuste pour prédire la formation de l'IMC pour différentes conditions de soudage. Avant de nous attaquer à la simulation proprement dite, nous nous attelons à concevoir une nouvelle méthode pour analyser en détail la morphologie de l'IMC à l'échelle microscopique et macroscopique, en quantifiant son épaisseur, ses interfaces avec les métaux de base et ses discontinuités à l'aide de plusieurs descripteurs. L'évolution de la morphologie est étudiée séparément en fonction du courant d'arc et de la vitesse de soudage, et en fonction de l'énergie de soudage qui combine ces deux paramètres. Il s'avère que le courant d'arc a une influence nettement plus importante sur l'IMC que la vitesse de soudage, ce qui explique l'incohérence manifeste de l'énergie de soudage en tant que paramètre de quantification. Ensuite, nous développons un modèle thermique par éléments finis pour évaluer les histoires thermiques dans la soudure, calibré à partir de mesures de température en surface réalisées sur le banc expérimental réel. Ce modèle est relié à un modèle de diffusion, et les épaisseurs d'IMC simulées sont comparées à des sections transversales des échantillons soudés. Le modèle s'avère robuste sur une large gamme de courants d'arc et de vitesses de soudage, et fournit même des estimations pertinentes lorsque le matériau de la plaque de support passe de l'acier au cuivre pur. Des investigations supplémentaires révèlent que l'effet de l'augmentation de la conductivité de la plaque de support est négligeable par rapport à celui de l'augmentation de sa conductance thermique avec la plaque de travail. Enfin, le régime transitoire de formation de l'IMC calculé met en évidence trois étapes de croissance, délimitées par les extrema des variations de température. Enfin, afin de discuter le bien fondé du choix de simuler la croissance de l'IMC à l'aide d'un modèle de diffusion pure, le mécanisme de formation de l'IMC est observé plus en détail en étudiant in situ la réaction de l'aluminium liquide avec le fer solide par tomographie à rayons X et diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron. Cette expérience permet de révéler les différentes quantités relatives des phases IMC possibles en fonction de la température et de la morphologie des échantillons (massifs ou en poudre). Cela permettra de quantifier l'évolution de l'épaisseur et de la morphologie au cours du temps. Ce dernier point confirme une forte dissolution de la couche par l'aluminium liquide en parallèle de sa croissance dans le fer solide, mais uniquement à long terme, ce qui réaffirme la pertinence d'un modèle de diffusion pure dans un processus transitoire rapide tel que le soudage à l'arc.