Etude expérimentale et numérique de l’élaboration et du soudobrasage par résistance d’une électrode de masse d’une bougie d’allumage

par Chaouki Tahri

Thèse de doctorat en Mécanique et Ingénierie

Soutenue le 07-07-2020

à Lyon en cotutelle avec 170300412 , dans le cadre de École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne) , en partenariat avec Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône) (laboratoire) , Ecole nationale d'ingénieurs (Saint-Etienne) (établissement opérateur d'inscription) et de École centrale de Lyon (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Alain Rassineux.

Le jury était composé de Jean-Michel Bergheau, Eric Feulvarch, Helmut Klöcker, Bernard Beaugiraud, Christophe Bertoni.

Les rapporteurs étaient Philippe Le Masson, Katia Mocellin.


  • Résumé

    Pour améliorer le rendement des moteurs, une possibilité est de changer les matériaux de quelques composants des bougies d’allumages tels que l’électrode de masse. Des alliages spéciaux à base de nickel, ainsi que des électrodes de masse à noyau de cuivre qui se distinguent par une bonne évacuation de la chaleur et une résistance élevée à la corrosion et à l’oxydation, sont utilisés. La réalisation d’une électrode de masse se déroule en plusieurs étapes : une étape de tassage du noyau de cuivre dans un godet en inconel, une étape de frappe à froid lubrifiée de mise en forme de l’électrode, une étape de recuit pour remettre la microstructure de l’inconel dans son état initial, une étape de soudobrasage par résistance de l’électrode sur le culot en acier et enfin une étape de cambrage de l’électrode lui donnant sa forme finale. Il a été industriellement constaté que le choix de certains matériaux conduisait à l’apparition de défauts dans l’électrode de masse qui peuvent être liés au changement de comportement métallurgique, mécanique ou de la répartition du chauffage par effet Joule pendant l’opération de soudobrasage. Les travaux réalisés au cours de cette thèse visent ainsi à mieux comprendre l’origine des défauts observés dans le cas d’une électrode de masse composée d’un noyau de cuivre revêtu par de l’inconel 601 et à proposer une solution industrielle pour y remédier. Dans un premier temps, on s’attache à recenser l’expérience industrielle : présence de gaps à l’interface cuivre-inconel 601 des électrodes de masse, présence d’oxydes, etc. Dans un second temps, une analyse chimique a été effectuée dans le but de comprendre l’oxydation de l’Inconel 601 à haute température en présence de résidus d’huile et ainsi d’expliquer son rôle sur la cohésion de l’interface cuivre-inconel 601. Dans une troisième étape, une étude expérimentale et numérique a permis de mieux comprendre l’origine des gaps à l’interface cuivre-inconel 601, gaps qui conduisent à une rupture de la liaison soudée lors du cambrage de l’électrode. Dans une quatrième étape, une étude numérique a été effectuée pour simuler le soudobrasage par résistance des électrodes de masse sur des culots en acier tout en changeant des paramètres de soudage (fréquence, type de courant, régulation de courant, présence ou non de gaps). Enfin, une étude numérique a permis de comprendre l’influence de la présence ou non des gaps sur la tenue mécanique de l’électrode pendant le cambrage. Il est clairement apparu que la présence d’huile était responsable du manque de cohésion de l’interface cuivre-inconel conduisant à la formation de gaps pendant la phase de recuit. Des solutions ont été proposées et testées pour y remédier. Ces solutions sont en cours d’industrialisation.

  • Titre traduit

    Experimental and numerical study of the development and resistance welding of a ground electrode of a spark plug


  • Résumé

    To improve engine performance, one possibility is to change the materials of some components of spark plugs such as the mass electrode. Special nickel-based alloys, as well as copper-core mass electrodes, which are distinguished by good heat removal and high resistance to corrosion and oxidation, are used. The production of a mass electrode is carried out in several stages: a step of pressing the copper core into an Inconel bucket, a lubricated cold-hitting step of shaping the electrode, an annealing step to restore the microstructure of the Inconel to its initial state, a resistance welding step of the electrode on the steel base and finally a cambering step of the electrode giving it its final shape. It has been found industrially that the choice of certain materials leads to the appearance of defects in the mass electrode which may be related to the change in metallurgical behavior, mechanical or heating distribution by Joule effect during the welding operation. The work carried out during this thesis aims to better understand the origin of the defects observed in the case of a mass electrode composed of a copper core coated with Inconel 601 and to propose an industrial solution to remedy it. First, we try to identify the industrial experience: presence of gaps at the copper-Inconel 601 interface of the mass electrodes, presence of oxides, etc. Secondly, a chemical analysis was performed to understand the oxidation of Inconel 601 at high temperature in the presence of oil residues and to explain its role in the cohesion of the copper-Inconel 601 interface. In a third step, an experimental and numerical study made it possible to better understand the origin of gaps at the copper-Inconel interface 601, gaps that lead to a break in the welded bond during the camber of the electrode. In a fourth step, a numerical study was carried out to simulate resistance welding of the mass electrodes on steel bases while changing welding parameters (frequency, type of current, current regulation, presence or absence of gaps). Finally, a numerical study made it possible to understand the influence of the presence or not of gaps on the mechanical resistance of the electrode during the camber. It was clear that the presence of oil was responsible for the lack of cohesion of the copper-Inconel interface leading to the formation of gaps during the annealing phase. Solutions have been proposed and tested to address them. These solutions are being industrialized.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 01-08-2030

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