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Modélisation et étude expérimentale du soudage par induction de composites thermoplastiques

Gouin O'Shaughnessey, Patrice (2014). Modélisation et étude expérimentale du soudage par induction de composites thermoplastiques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’utilisation des matériaux composites thermoplastiques hautes performances augmente de plus en plus. Il est donc pertinent d’étudier en profondeur leurs procédés d’assemblage et de déterminer les paramètres permettant d'obtenir de bonnes performances mécaniques. Ce travail porte principalement sur le soudage par induction, mais survole également le soudage par résistance et ultrasonique de composites thermoplastiques.

À l’aide du logiciel Comsol Multiphysics®, un modèle numérique par éléments finis en trois dimensions du soudage par induction de composites thermoplastiques constitués de fibres unidirectionnelles de carbone/polysulfure de phénylène (CF/PPS) est développé. Le modèle prend en compte un élément chauffant en acier inoxydable positionné à l'interface des deux stratifiés de composite qui seront soudés. Cet élément chauffant permet une chauffe localisée là où elle est nécessaire, c’est-à-dire, à l'interface de la soudure. Les propriétés magnétiques, électriques et thermiques des différents matériaux sont mesurées ou estimées et introduites dans le modèle. Le modèle prédit la courbe température-temps lors de la chauffe ainsi que la distribution de température dans le joint. De plus, une analyse de sensibilité est produite afin de déterminer les paramètres et les propriétés ayant le plus grand effet sur la température. Ceux-ci sont le courant de bobine, la fréquence, la distance séparant la bobine et le joint et la conductivité électrique du stratifié. Les trois premiers se contrôlent aisément alors que la conductivité électrique du stratifié est la propriété à évaluer avec le plus de précision.

L'effet des dimensions de l'élément chauffant et du courant de bobine sur le comportement thermique est investigué expérimentalement et à l’aide du modèle numérique. Pour ce faire, quatre différents éléments chauffant et trois différents courants ont été testés. La qualité des joints a été évaluée à l'aide d'observation au microscope, de tests mécaniques et d'une inspection visuelle des surfaces de fracture. Cela a permis d'établir qu'un taux de chauffe de l'ordre de 5°C/s ainsi qu'un ratio d’aire ouverte de l’élément chauffant sur le diamètre de fil de 14 engendrent un joint de haute qualité. De plus, une vitesse de chauffe élevée semble engendrer un plus haut taux de porosité dans le joint. Une comparaison avec le soudage ultrasonique et par résistance montre que la performance mécanique des joints est similaire. Ceci laisse croire que le choix du procédé devrait plutôt se baser sur d'autres paramètres tels que la géométrie du joint.

Titre traduit

Modelling and experimental investigation of inudction welding of thermoplastic composites

Résumé traduit

The use of high performance thermoplastic composite material increases more and more. It is therefore relevant to study in depth their joining processes and to determine the parameters allowing good mechanical performance. This study focuses on induction welding but also gives an overview of resistance welding and ultrasonic welding. These three welding processes were identified in the literature as the most promising ones.

A three dimensional finite element model of the induction welding of carbon fiber/polyphenylene sulfide (CF/PPS) thermoplastic composites is developed using the Comsol Multiphysics® software. The model takes into account a stainless steel mesh heating element located at the interface of the two composite adherends to be welded. This heating element permits to localize the heating where it is needed most, i.e., at the weld interface. The magnetic, electrical and thermal properties of the CF/PPS and other materials are identified experimentally or estimated and implemented in the model. The model predicts the temperature-time curves during the heating as well as the temperature distribution over the weld area. Furthermore, a sensibility analysis is developed with the aim of identifying the parameters and properties that have the greatest effect on temperature. These are input current, frequency, distance between coil and joint and adherend electrical conductivity. The first three parameters are easily controlled and the last one must be identified with good accuracy.

The effect of the heating element size and input current on the thermal behavior is investigated, both experimentally and using the developed model with four different heating elements and three input currents. The welds quality is assessed through microscopic observations of the weld interfaces, mechanical testing and observations of the fracture surfaces. A heating rate of 5°C/sec and a ratio of the open gap area on wire diameter of the heating element of 14 lead to a good weld quality. A higher heating rate leads to more porosity at the weld line. A comparison with resistance welding and ultrasonic welding was carried out and showed similar joint mechanical performance, indicating that that the welding process selection should be based on other parameters such as the joint geometry.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Rapport de mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire par article en génie mécanique". Bibliographie : pages 157-164.
Mots-clés libres: Composites thermoplastiques Soudage Modèles mathématiques. Composites thermoplastiques Propriétés mécaniques. Soudage par ultrasons. Soudage électrique. induction, résine thermoplastique, élément finis
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Dubé, Martine
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 17 mars 2015 20:49
Dernière modification: 14 mars 2017 00:37
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1433

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