Comportement mécanique des soudures par points : mécanismes et stratégies de prédiction dans le cas des tôles en acier pour automobile

= Mechanical behaviour of automotive steels resistance spot welds : failure mechanisms and prediction strategies

• Auteur / Autrice : Sylvain Dancette
• Direction : Véronique Massardier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Soudage

Résumé

Dans le cadre du développement de nouveaux aciers plus performants pour les applications automobiles, il est nécessaire de disposer d'outils permettant de prévoir la tenue mécanique des points soudés par résistance. En effet, si les propriétés mécaniques élevées des nouveaux aciers à Très Haute Résistance (THR) permettent d'envisager une réduction de l'épaisseur des tôles, la tenue mécanique de l'assemblage final dépend de celle des liaisons soudées. Une première phase du travail de thèse a été consacrée à une exploitation statistique de données expérimentales de soudage par points disponibles chez ArcelorMittal, afin d'obtenir un aperçu global du comportement mécanique des points soudés en acier THR. Un modèle empirique de prévision de la tenue mécanique des points soudés a été proposé. Néanmoins, les limites d'une telle approche ont été identifiées et un programme expérimental a été établi afin d'affiner la compréhension des mécanismes mis en jeu dans la rupture des points soudés, en traction en croix et en traction cisaillement. Des essais de traction interrompus ont été réalisés et les aspects tridimensionnels de l'endommagement des points soudés ont pu être compris par une utilisation conjointe des techniques de microtomographie aux rayons X, de métallographie et de fractographie. Trois zones de rupture principales ont été identifiées, ainsi que les mécanismes principaux entrant en jeu dans les différents modes de rupture. De plus, une simulation expérimentale des cycles thermiques de soudage a été conduite afin d'évaluer l'impact du soudage sur les propriétés mécaniques locales du point soudé. Les données obtenues ont conduit à la mise en place d'une modélisation mécanique par éléments finis du comportement de l'assemblage soudé. Le modèle réalisé a permis d'estimer la tenue mécanique du point dans les modes de rupture principaux et de retrouver l'évolution du mode rupture en fonction des caractéristiques géométriques du point et du type de chargement.

Predicting the strength of Advanced High Strength Steels resistance spot welds is a huge challenge in the automotive industry. Indeed, the crash properties of a car body structure depends on the performance of the welded joints. A first step in the PhD work consisted in a statistical analysis of experimental spot welding data available at ArcelorMittal in order to get insights into spot welds mechanical behaviour. An empirical model was proposed for the prediction of spot welds strength. An experimental protocol was developed to overcome the limits of such a model and obtain a better understanding of failure mechanisms. Interrupted Cross Tension and Tensile Shear tests were performed and spot welds failure was investigated with optical micrographs, SEM fractography and 3D-tomography in order to follow the three-dimensional crack paths due to the complex loading modes. A limited number of failure zones and damage mechanisms could be distinguished. Next, a Finite Elements model of spot welds behaviour was developed, requiring an appropriate description of Heat Affected Zones mechanical properties. This has been obtained by experimental simulations of the spot welding thermal cycles with a Gleeble machine followed by classical mechanical tests. Spot welds strength and failure type could be predicted as a function of the geometrical features the weld assembly and the loading mode.