Développement et caractérisation du soudage par induction en continu utilisant un suscepteur électromagnétique mobile

Bobet, Corentin (2020). Développement et caractérisation du soudage par induction en continu utilisant un suscepteur électromagnétique mobile. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le soudage utilise l’habilité des matériaux thermoplastiques à fondre, ou se ramollir, lorsque leur température est élevée au-dessus de la température de fusion (pour les matériaux semicristallins) ou au-dessus de la température de transition vitreuse (pour les matériaux amorphes). Dans ce procédé, l’interface entre deux pièces à assembler est chauffée. Lorsque le contact intime est achevé, les molécules peuvent diffuser à travers l’interface de soudure jusqu'à ce que le joint soit cicatrisé. Enfin, le joint est refroidi sous l’application de pression.

La chaleur peut être apportée à l’interface de différentes façons. Ce travail présente le développement d’un nouveau procédé de soudage par induction en continu, appliqué à un composite fibres de verre/poly-ether-imide (GF/PEI). Les laminés à souder sont fins (0,24mm) et flexibles. Ce procédé de soudage utilise une plaque en acier inoxydable appelé « suscepteur », placée à l’interface entre les échantillons, qui glisse le long de la zone à souder avec l’inducteur électromagnétique. Un rouleau est utilisé pour appliquer la pression et assurer une bonne consolidation. L’avantage principal de cette technique est qu’aucun corps étranger ne reste à l’interface de soudure puisque le suscepteur transfère la chaleur par contact avec les échantillons, mais ne reste pas à l’interface lors de la consolidation avec le rouleau.

La performance des joints soudés par recouvrement est évaluée grâce à des essais de traction, pour obtenir la force à la rupture des éprouvettes. Ces essais conduisent à l’obtention d’abaques permettant de connaître la résistance mécanique des éprouvettes en fonction de la vitesse de soudage, de l’intensité du courant dans l’inducteur et de la force de consolidation du rouleau. Les zones de rupture observées sur les éprouvettes testées ne permettent pas de conclure sur la performance mécanique des joints soudés. En effet, des concentrations de contraintes induites aux bords de la soudure mènent à une rupture dans le laminé de composite, plutôt que dans la soudure. La force à la rupture minimale, lorsque la rupture est dans le laminé, avec des concentrations de contraintes, équivaut à 60 % de la force maximale à la rupture du matériau sans soudure. La force à la rupture maximale atteinte correspond quant à elle à 92 % de la force maximale à la rupture du matériau sans soudure. De plus, des essais d’étanchéité à l’air ont été menés, et les soudures respectent le critère de fuite maximale autorisé par l’entreprise partenaire du projet.

Une simulation numérique de ce procédé de soudage a été réalisée sur ANSYS® pour prédire la température dans les soudures. Une étude de sensibilité a été réalisée sur certaines propriétés des matériaux, pour lesquelles une grande incertitude existait. Les courbes de température simulées et expérimentales coïncident pour une vitesse de soudage comprise entre 6 mm/s et 13 mm/s, et une intensité comprise entre 500 A et 600 A.

Titre traduit

Development and characterisation of a continuous induction welding process using a moving electromagnetic susceptor

Résumé traduit

Fusion bonding, also called welding, uses the ability of a thermoplastic polymer to melt or soften when its temperature is risen above the melting temperature (for semi-crystalline thermoplastics) or above the glass transition temperature (for amorphous thermoplastics). In this process, heat is applied at the interface of two parts to be joined. When intimate contact is achieved, molecular diffusion occurs across the interface until it is healed. Finally, the joint cools down, under the application of pressure.

Heat can be applied to the joint interface in several ways. This work presents the development of a new continuous induction welding process for glass fibre/poly-ether-imide (GF/PEI) composite. The two laminates to be welded are thin (0,24mm) and flexible. The induction welding process involves the use of a stainless-steel plate named “susceptor”, placed between the two laminates and moved along the weld length with the induction coil. A roller is used to apply pressure and assure a good consolidation. The main advantage of this process is that no foreign material is added to the joint, as the susceptor slides along the weld interface to produce the heat without remaining at the weld interface during the consolidation with the roller.

The joints performance is evaluated by tensile testing on lap joints to obtain the failure load of the specimens. These tests lead to the construction of tables, allowing to know the mechanical strength of the specimens according to the welding speed, the intensity of the current in the inductor and the consolidation force of the roller. The fracture zones observed on the tested specimens do not allow the mechanical performance of the welds to be known. The stress concentrations induced at the edges of the joint lead to a fracture in the bulk laminates rather than in the weld itself. The minimum failure load when failure occurs in the laminate, with stress concentrations, is 60% of the strength of the bulk material. The maximum failure load reached is 92 % of the breaking force of the bulk material. In addition, air tightness tests were conducted, and the welds meet the maximum leakage criteria authorized by the project partner company.

A numerical simulation of this welding process was performed on ANSYS® to predict the temperature in the weld. A sensitivity study was carried out on various properties of the materials, for which there was considerable uncertainty. Simulated curves fit the experimental curves for a welding speeds between 6 mm/s and 13 mm/s and an intensity between 500 A and 600 A.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanqiue". Comprend des références bibliographiques (pages 146-151).
Mots-clés libres:	soudage, induction, éléments finis, composites thermoplastiques
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dubé, Martine
Codirecteur:	Codirecteur Joncas, Simon
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	12 juill. 2022 18:20
Dernière modification:	12 juill. 2022 18:20
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2635

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