Préparation des assemblages soudés pour la microscopie

Préalablement à toute observation microscopique, il est nécessaire de mettre en place un protocole de préparation des échantillons. Ainsi, la première étape de la procédure de préparation est effectuée en découpant sur les échantillons soudés une tranche de maté- riau dans le but de pouvoir s’affranchir d’éventuels effets de bords : diffusion d’éléments oxydants (air, lubrifiants,etc.), échauffement local dû au frottement, etc. Cette étape de découpe est exécutée grâce à une meule constituée d’un abrasif et d’un liant, tandis qu’un liquide de refroidissement (eau) est aspergé sur la meule dans le but d’éviter l’échauffe- ment de l’échantillon en cours de découpe et d’évacuer les éléments d’abrasion hors de la zone de tronçonnage. Les échantillons sont placés et serrés sur un porte-échantillon en forme d’étau. Les paramètres de fonctionnement de ce tronçonnage abrasif sont la vitesse de rotation de la meule et l’effort de pression de la meule sur l’échantillon.

Dans le but d’insérer les échantillons dans une structure figée, de faciliter les mani- pulations pour les étapes de polissage et d’améliorer le résultat de la préparation, les échantillons sont enrobés dans une résine polymère thermo-durcissable. Dans notre cas d’étude, la méthode employée est l’enrobage chimique à froid et consiste à placer l’échan- tillon dans un moule en silicone dans lequel on verse un mélange liquide/résine en poudre. Enfin, la dernière étape de préparation consiste en une préparation mécanique par enlèvement de matière. Ceci est réalisé à l’aide de papiers abrasifs fixes de granulomé- trie décroissante (tableau 4.2) et s’effectue généralement sous l’eau, afin à la fois d’éviter l’échauffement de l’échantillon et d’éliminer les éléments abrasés. Par la suite, l’étape de polissage a pour but d’effacer le réseau de rayures introduit par les étapes du pré-polissage et utilise une suspension composée de particules abrasives calibrées de 3 à 0, 25 µm (po- lissage diamanté) qui permet d’atteindre l’état poli miroir. Afin de retirer totalement l’écrouissage superficiel résiduel, la préparation peut être complété par un suprapolis- sage à base de silice colloïdale (granulométrie 0, 06 µm) ou par un polissage électroly- tique (principe de la dissolution anodique). Enfin, l’oxydation anodique permet de révéler l’orientation cristallographique des grains en microscopie optique.

Papier (FEPA) P240 P320 P600 P1000 P1200 P2500 P4000

Granulométrie moyenne (µm) 58, 5 46, 25 25, 8 18, 3 15, 3 8, 4 5

CHAPITRE

5

ESSAI DE TRACTION-COMPRESSION

ET DE TORSION ALTERNÉE

L

’effet du couplage entre le cisaillement et la pression hydrostatique joue un rôle primordial dans le processus de jonction thermomécanique. L’essai de compression et de torsion alternée de l’assemblage de deux demi-éprouvettes (éprouvette sectionnée) permet de soumettre l’interface à une pression hydrostatique (compression) combiné à un cisaillement cyclique (torsion alternée). Cet essai a été développé et mis en œuvre grâce à une presse biaxiale servo-hydraulique de traction-compression et de torsion alternée, disponible au Laboratoire 3S-R de Grenoble-INP. Cet essai sera appelé dans la suite essai

de soudabilité de deux demi-éprouvettes en compression et torsion alternée.

Ce chapitre a pour objectif de présenter le cadre de définition de cet essai : description du dispositif, état de déformation et de contrainte, tenue en flambement, méthodes de mesure de la déformation en cours d’essai et enfin protocole d’essai pour le soudage de deux demi-éprouvettes.

5.1 Dispositif de traction-compression et de torsion

alternée

Les essais sont réalisés sur une presse biaxiale électro-hydraulique asservie de traction- compression et de torsion alternée, de marque MTS (figure 5.1). Celle-ci est située dans une pièce climatisée (≈ 20℃). En traction-compression, ses capacités maximales sont définies par une force de ± 100 kN et un déplacement de ± 100 mm. En torsion, ses capacités maximales sont définies par un couple de ± 1200 N.m et un angle de ± 45°.

La force et le couple appliqués à l’éprouvette sont mesurés par un capteur d’effort fixé à la traverse coulissante. Le déplacement et la rotation du vérin sont mesurés par des cap- teurs internes de déplacement axial et de rotation. La relation PC-machine est réalisée au travers d’une carte d’acquisition DAP1216e/4 qui permet, à chaque pas de temps défini par l’utilisateur, d’accéder à la mesure des quatre champs pré-cités. De même, la carte d’acquisition permet d’effectuer un pilotage de la force ou du déplacement en traction– compression ainsi que du couple ou de l’angle en torsion. La gestion de la communication entre la carte et la machine est réalisé au moyen du logiciel DASYLab version 2.00.15.

Ce dispositif a subi d’importantes transformations afin d’en améliorer la rigidité, l’ali- gnement des axes et le système d’attaches des éprouvettes [72]. Ces améliorations se sont avérées essentielles quant à la réussite des essais de soudage puisqu’elle ont notamment permis un alignement rigoureux des axes des demi-éprouvettes et un parallélisme maîtrisé des surfaces en contact. Pour ces raisons, nous avons choisi de décrire de façon succincte dans la suite de ce paragraphe les améliorations apportées à ce dispositif.

Figure 5.1 – Presse servo-hydraulique de

traction-compression et de torsion alternée [72]. Figure 5.2 – Perspective éclatée dusystème d’alignement [72]. • Orientation précise et fixation de l’éprouvette

Un système de fixation par clavettes pentées permet d’assurer un centrage précis de l’éprouvette par rapport à l’axe des efforts de la machine et une absence totale de jeu aux inversions du sens de sollicitation (figures 5.2 et 5.4). Par ailleurs, ce système d’amarrage par clavettage simplifie grandement les opérations de montage et de démontage des éprou- vettes. La forme en queue d’aronde des méplats sur l’éprouvette permet, après serrage, de plaquer la base de l’éprouvette au fond du logement de l’attache et de l’immobiliser simultanément dans le sens de la traction-compression et de la torsion alternée.

Chap. 5 - Essai de traction-compression et de torsion alternée

Figure 5.3 – Coupe du système d’alignement

par alliage de Wood [72]. Figure 5.4 – Système de fixation del’éprouvette par clavettes [72]. • Système d’alignement par alliage de Wood

L’axe de l’éprouvette est aligné avec celui du vérin grâce à l’attache inférieure et au sys- tème de clavettage (figures 5.4). La liaison de l’éprouvette en partie supérieure avec la cellule d’effort de la machine est assurée par l’attache supérieure centrée dans le noyau. Le rôle de ces deux pièces est d’ajouter des degrés de liberté permettant le montage de l’éprouvette sans efforts ni flexions parasites. Ceci est réalisé par l’intermédiaire d’un vo- lume d’alliage de Wood (Tf = 70℃), qui peut être amené en fusion à l’aide de quatre

résistances électriques noyées dans l’attache supérieure (figure 5.3). Une fois l’éprouvette fixée sur l’attache inférieure et donc rigoureusement alignée par rapport à la tige du vé- rin, l’alliage de Wood est fondu, ce qui permet à l’attache supérieure de se positionner correctement par rapport à l’axe de l’éprouvette. Le système est ensuite figé par refroidis- sement lent de l’alliage de Wood. Dans notre cas, étand donne que les essais de soudage sont effectués sur des éprouvettes sectionnées, l’alignement est effectué au moyen d’une éprouvette étalon de grande rigidité.

• Augmentation de la rigidité du cadre de la machine

Le cadre de la machine est constitué par quatre colonnes et une traverse coulissante. Ce cadre doit être suffisamment rigide pour maintenir en cours d’essai la bonne qualité de l’alignement des axes obtenue et améliorer le comportement dynamique de la machine. Une augmentation de la rigidité du cadre a été réalisée simplement en reliant les colonnes par une série de traverses rigides (figure 5.1). Cette modification a permis d’augmenter la rigidité en torsion d’au moins un ordre de grandeur et d’améliorer nettement le compor- tement dynamique de la machine.

• Guidage de la tige du vérin par des paliers fluides

La tige du vérin est guidée grâce à deux paliers fluides placés de chaque côté du vérin. Chaque palier est alimenté par quatre chambres avec une pression P = 200 bar. Ces chambres sont régulièrement réparties sur le diamètre du vérin et diamétralement oppo- sés deux à deux. Au cours des essais, la tige du vérin peut être amenée à se déplacer radialement par rapport aux palier d’une valeur δr sous l’effet d’une action engendrée par l’éprouvette. Un débit de fuite se crée alors et induit un déséquilibre de la pression

d’une valeur δP dans les chambres, ce qui tend à annuler le déplacement δr. Ce système augmente la rigidité du guidage et assure une orientation précise de la tige du vérin par rapport au bâti de la machine au cours des essais.

5.2 Déformations et contraintes en cours d’essai

Dans un repère cylindrique (r, θ, z), on considère un tube d’axe de révolution ~ez, de

section annulaire constante (rayons interne Ri et externe Re) et de longueur L0. La face

supérieure (z = L0) du cylindre est fixe et les surfaces latérales sont libres (σ · −→er = 0).

La face inférieure (z = 0) subit à la fois une force de compression−F→z = Fz−→ez et un couple

de torsion −C→z = Cz−→ez qui produisent respectivement une contrainte normale σzz et une

contrainte de cisaillement σθz. Le couple induit une rotation de la face inférieure d’un

angle α et on note γ l’angle de distorsion.

Figure 5.5 – Schémas du tube en compression-torsion.

À titre indicatif, nous donnons en annexe B la solution élastique d’un barreau en compression-torsion.

Dans le document Etude de la soudabilité à froid des alliages d’aluminium : influence de la sollicitation mécanique sur la création des jonctions métalliques (Page 63-67)