Effets des paramètres sur l’énergie de soudage

L’énergie enregistrée par l’unité de soudage est directement fonction des paramètres utilisés. Bien qu’une portion de cette énergie soit potentiellement absorbée par la déformation involontaire de certaines composantes comme la sonotrode, il est raisonnable d’affirmer que la majeure partie de l’énergie est acheminée à la pièce sous forme de déformation et de chaleur. Cette affirmation provient de la rigidité des composantes utilisées, soit la table de la machine à commande numérique et la tête de FASU. L’hypothèse posée est que l’énergie déployée par l’unité de soudage est proportionnelle à l’énergie transmise à la pièce. Dans le cas où le feuillard est solidement agrippé par la sonotrode, cette énergie est alors à son tour proportionnelle à celle distribuée à l’interface soudée.

La détermination de l’énergie déployée en fonction des paramètres lors du soudage est intéressante pour plusieurs raisons. Tout d’abord, le module d’ultrasons est protégé par des limites maximales d’utilisations. Lors de l’atteinte d’une puissance maximale instantanée (~3 000 W), l’unité tombe en faute et interrompt les vibrations, mettant fin au soudage. La faute peut également se produire sans l’atteinte d’un pic maximal mais par l’atteinte de puissances jugées trop élevées pour un temps déterminé. La gestion de l’énergie permet également l’atteinte de différentes propriétés mécaniques, aspects abordés à la section 4.3. Dans le but de déterminer quels sont les effets des paramètres sur l’énergie, un plan d’expériences du type Box-Behnken a été utilisé. Ce plan a été sélectionné pour les raisons suivantes :

 Permet l’évaluation de 3 facteurs ;

 Permet l’évaluation de 10 paramètres, incluant des conjugaisons de paramètres et des paramètres quadratiques pour produire la régression d’Équation 5 ;

𝜂 = 𝛽0+ 𝛽1𝑥1+ 𝛽2𝑥2+ 𝛽3𝑥3+ 𝛽12𝑥12+ 𝛽13𝑥13+ 𝛽23𝑥23+ 𝛽11𝑥12+ 𝛽22𝑥22+ 𝛽33𝑥32 (Éq.5)

 Comporte 3 niveaux plutôt que 5 comparativement aux plans composites centrés, facteur particulièrement important dans la situation présente puisque la plage d’opération pour l’amplitude admissible pour la fabrication d’échantillons n’est pas très large ;

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Puisqu’il est impossible de joindre l’alliage d’aluminium 5056 de manière adéquate, le plan d’expériences ne fut pas réalisé sur cette nuance. Dans l’optique de réduire la variabilité au sein des résultats, des bandes les plus longues possibles mais également représentatives de dimensions produites ont été soudées, soit une longueur de 254 mm. L’énergie surfacique totale analysée est donc l’énergie moyenne sur la bande comportant la combinaison de paramètres à étudier. Cette lecture a été effectuée lors du dépôt de la sixième couche pour toutes les conditions et les deux alliages. Le choix d’utiliser la sixième bande est pour bien représenter l’énergie de soudage entre une bande préalablement soudée, plus rugueuse due au passage de la sonotrode, et une bande de même alliage, le tout en limitant les effets possibles de la plaque de base. En utilisant l’énergie selon une couche spécifique, ceci évite d’avoir à prendre en compte la perte énergétique, fonction de la hauteur, pour les bandes simples. Cet aspect est d’ailleurs discuté un peu plus loin (Section 4.4).

Le Tableau 8 résume les résultats, basé sur les niveaux discutés précédemment (Tableau 6) où seuls les points centraux sont issus de plusieurs mesures. Les données ainsi que les analyses statistiques complètes se trouvent en Annexe A pour l’alliage 5005-H38 et en Annexe B pour l’alliage 5052-H38.

Tableau 8 : Énergie surfacique en fonction des paramètres pour les alliages 5005 et 5052-H38

Niveaux Énergie

Force Avance Amplitude 5005-H38 5052-H38

x1 x2 x3 J/cm² J/cm² -1 -1 0 78,8 58,5 1 -1 0 83,1 60,7 -1 1 0 51,5 42,9 1 1 0 54,0 45,2 -1 0 -1 55,4 42,6 1 0 -1 54,4 38,3 -1 0 1 71,8 62,4 1 0 1 70,8 55,5 0 -1 -1 70,9 57,2 0 1 -1 43,3 33,8 0 -1 1 91,4 73,8 0 1 1 59,6 49,7 0 0 0 62,9 ±2 4,3 ±2

Suite à l’analyse statistique, il s’avère que seuls quatre paramètres sont significatifs selon un niveau de confiance de 95 %. Dans le cas de l’alliage 5005 comme du 5052, il s’agit

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exactement des mêmes paramètres soient : 𝛽₀ l’ordonnée à l’origine, 𝛽₂ la vitesse d’avance, 𝛽₃ l’amplitude d’oscillation et 𝛽₂₂ la vitesse d’avance au carré. L’équation générale pour l’estimation de l’énergie (Éq.6) est d’abord affichée suivie des régressions normalisées trouvées pour les alliages respectifs (Éq.7 et 8). Selon les tests d’hypothèses présentés en Annexe A et Annexe B, les deux modèles sont uniquement composés d’effets significatifs et sont adéquats.

𝐸 = 𝛽0+ 𝛽2𝑥2+ 𝛽3𝑥3+ 𝛽22𝑥22 (Éq.6) 𝐸5005−𝐻38 = 62,8 − 14,5𝑥2+ 8,69𝑥3+ 3,61𝑥22 (Éq.7) 𝐸5052−𝐻38 = 47,3 − 9,82𝑥2+ 8,68𝑥3+ 4,19𝑥22 (Éq.8)

Les régressions déterminées aux Équation 7 et 8 possèdent respectivement des coefficients de détermination (R²) de 0,99 et 0,95, ainsi que des coefficients de détermination ajustés de 0,98 et 0,93. La Figure 39 présente les surfaces pour chacune des régressions mentionnées précédemment afin de faciliter la visualisation de l’effet quadratique, où la surface bleue représente le 5005-H38 et la rouge en dessous celle du 5052-H38. Le décalage latéral des surfaces au niveau de l’amplitude provient de la différence entre les niveaux utilisés pour caractériser l’amplitude d’oscillation (Tableau 6). Ces surfaces sont très similaires autant visuellement que mathématiquement, mais ne possèdent aucun point d’intersection. Pour une vitesse d’avance identique, mais avec une amplitude inférieure de 5 %, l’alliage 5005 requiert plus d’énergie. Cette tendance est par ailleurs identique sur la totalité de la superposition des plages de ces alliages.

Dans l’intervalle paramétrique commune des deux surfaces, soit pour une amplitude d’oscillation entre 70 et 75 % ainsi que pour une vitesse d’avance comprise entre 64 et 106 mm/s, l’énergie pour souder l’alliage 5052-H38 est en moyenne inférieure de 24 J/cm². Dans le cas des deux alliages, l’énergie enregistrée par l’unité de soudage est plus élevée lorsqu’une vitesse d’avance est réduite ainsi que par l’augmentation de l’amplitude d’oscillation.

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Figure 39 : Surfaces réponses pour les régressions approximant l’énergie surfacique selon l’avance et l’amplitude pour les alliages 5005 et 5052-H38

Les paramètres de soudage sélectionnés ont donc une importance notable sur la quantité d’énergie transférée. Les régressions obtenues expliquent par le fait même l’incapacité de l’appareil à souder l’alliage 5005-H38 à température ambiante pour des amplitudes d’oscillations très élevées jumelées à une vitesse de dépôt plus lente. Ces conditions forçant l’unité de soudage à tomber en faute régulièrement par une demande énergétique trop importante.

Considérant la relation présente entre l’énergie transmise et les paramètres, les termes « énergie minimale » et « énergie maximale » sont utilisés pour la suite du rapport et attribués à certaines combinaisons de paramètres. Bien que la force normale ne possède pas un effet significatif à l’intérieur des régressions trouvées pour exprimer l’énergie, l’énergie minimale est tout de même associée à la combinaison d’une force normale minimale (-1), d’une avance maximale (+1) et d’une amplitude minimale (-1) lors de l’utilisation des niveaux déterminés au Tableau 6. Ainsi, les paramètres complètement opposés servent à décrire un état d’énergie surfacique maximal.

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