Modélisation et étude expérimentale du soudage par induction de composites thermoplastiques

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.

Date	11 déc. 2014
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Martine Dubé (Directeur(-trice))