Contribution à la qualification du procédé industriel de soudo-brasage laser acier-aluminium à grande vitesse

Contribution to the qualification of the industrial steel-aluminium laser brazing process at high brazing speed

• Auteur / Autrice : Guillaume Filliard
• Direction : Mohamed El Mansori, Sabeur Mezghani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 17/11/2016
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mechanics surfaces and materials processing (MSMP) - Mechanics surfaces and materials processing
• Jury : Président / Présidente : Hassan Zahouani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed El Mansori, Alexandre Mathieu, Sabeur Mezghani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Michel Bergheau, Mirentxu Dubar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aciers alliés

Soudage laser

Mots clés libres

Soudo-Brasage laser

Vitesse de soudo-Brassage

Conformité

Paramètres process

Laser weld-Brazing process

Brazing speed

Compliance

Process parameters

Résumé

L’allégement des véhicules est un objectif incontournable dans l’industrie automobile. Parmi les voies exploitées par les constructeurs, le déploiement d’alliages d’aluminium pour le pavillon permet un allégement de plusieurs kilogrammes. C’est pourquoi, le procédé de soudo-brasage laser occupe une place de choix pour l’assemblage hétérogène pavillon aluminium/caisse acier. Cependant, en plus des problèmes liés à l’hétérogénéité du joint soudé (formation de composés intermétalliques par exemple), des difficultés inhérentes à la production en grande série émergent : un environnement avec de fortes contraintes industrielles, un niveau de conformité élevé et robuste ainsi qu’une cadence de production imposant des grandes vitesses de soudo-brasage comprises entre 4 et 6 m/min et adaptée à des configurations exploitables industriellement. L’objectif de ce travail de thèse est de conduire une analyse physique et technologique du process de soudo-brasage laser pour un assemblage hétérogène allégé pavillon/caisse. Dans un premier temps, un ensemble d’hypothèses sur l’influence de la physique du procédé, des variables process et de l’environnement d’étude sur la conformité et la reproductibilité de ces assemblages furent établies. Leur validation ensuite a été réalisée par des essais à l’échelle 1 sur une installation laser de production industrielle, prolongée par des analyses de la métallurgie et de la microstructure des assemblages ainsi que d’une simulation numérique du procédé. La physique du procédé en lien avec les paramètres du process de soudo-brasage laser acier/aluminium à haute vitesse a été identifiée. Les variables énergétiques ont montrées un fort impact sur le niveau de conformité atteint ainsi que sur la dispersion des résultats. Celles-ci tendent à influencer fortement les phénomènes physiques mises en jeu et notamment la thermique à l’interface acier/aluminium, impactant directement la formation des composés intermétalliques et leurs microstructures. Différentes tailles de grains ont été observés en fonction des paramètres process, contrôlant ainsi la tenue mécanique des assemblages soudo-brasés. La modulation in fine du cycle thermique de soudo-brasage, piloté par la physique activée du process, permet de discriminer les configurations les plus optimales pour une application industrielle du procédé.

Weight reduction of vehicles is a key objective in the automotive industry. Particularly, the use of aluminum alloys for the roof is one of the most promising path studied by manufacturers to save several kilograms. Therefore, the laser brazing process has a place of choice for assembling heterogeneous aluminum roof / steel body-side. However, in addition to issues related to the heterogeneity of the welded joint (formation of intermetallic compounds, for example), issues related to the mass production emerge: an environment with strong industrial constraints, high and robust levels of compliance, a production rate involving high brazing speeds between 4 and 6 m / min and fitting with industrial configurations. The objective of this thesis is to conduct a physical and technological analysis of laser brazing process in the case of a heterogeneous lightweight roof / body-side assembly. Firstly, a set of assumptions about the influence of the physical process, the process variables and the industrial environment on the compliance and the reproducibility of these assemblies are made. Then, validation was conducted by tests at scale 1 on a laser industrial production set-up, extended by analysis of metallurgy and microstructure of assemblies and a numerical simulation of the process. The link between the physical phenomena of the process and the high speed steel-aluminium brazing process parameters has been identified. Energy variables showed a strong impact on the level of compliance achieved and on the dispersion of results. These variables tend to strongly influence the physical phenomena of the process and especially thermal behaviors at the steel / aluminum interface, directly impacting the formation of intermetallic compounds and their microstructures. Different grain sizes were observed depending on the process parameters, influencing hence the mechanical strength of assemblies. Finally, the modulation of the brazing thermal cycle, driven by the activated physical phenomenon of the process, allows bringing out the most optimal configuration for an industrial application of the process.