Réarrangement spatial des fibres de verre au sein de la zone soudée

La présence de fibres de verre diminue la soudabilité du matériau. En effet, il a été montré que le facteur de soudage (Relative Strength of Joint dans le Tableau 3), qui correspond à la contrainte à la rupture du matériau soudé par rapport à la contrainte à la rupture du même matériau non soudé, diminue avec l’augmentation du taux de fibres de verre (Kagan & Roth, 2004). La résistance absolue de la soudure (Joint Strength) augmente avec l’ajout de fibres jusqu’à atteindre un optimum à 14% de fibres de verre puis diminue.

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Tableau 3 : Impact du taux de fibres sur la résistance mécanique de la soudure du nylon (Kagan & Roth, 2004)

Plusieurs hypothèses sont apportées pour expliquer cette diminution de la soudabilité avec l’ajout de fibres (Patham & Foss, 2011). Tout d’abord, la réorientation des fibres dans la zone soudée selon des directions transverses à la sollicitation (qui est confondue avec la direction d’assemblage). En effet, lors des opérations de soudage par vibration, deux flux de matière fondue se forment à l’interface : le flux de cisaillement (shear flow) dû à la vibration d’une des

deux pièces et le flux d’écrasement ou d’écoulement (squeeze flow) dû à l’application d’une

pression sur la zone fondue. Les directions de ces flux, tous deux susceptibles d’induire une réorientation des fibres, sont illustrées sur la Figure 31.

Figure 31 : Flux de matière présents à l’interface lors du soudage par vibration longitudinal (Kamal, et al., 2008)

Kamal, et al. (Kamal, et al., 2008) ont caractérisé la réorientation des fibres dans le plan de soudure pour le cas du polyamide 6 avec 30% de fibres de verre à l’aide d’images 2D obtenues par microscopie optique. Ils ont utilisé les composantes diagonales axx, ayy et azz du tenseur

d’orientation des fibres pour quantifier la réorientation. Plus la valeur de ces composantes est grande plus cela signifie que les fibres sont orientées selon l’axe correspondant. La Figure 32 montre les valeurs du tenseur d’orientation (histogramme a) selon la direction d’assemblage y et la contrainte à la rupture des échantillons correspondants (histogramme b) pour quatre conditions de soudage différentes (1 - 4) ainsi que pour la référence non soudé (5). Les conditions ξ = 0 et ξ = 0,5 correspondent à différentes localisations le long de l’axe x. Il s’agit respectivement du milieu de l’épaisseur et de la mi-distance entre le milieu et le bord de la plaque, comme illustré sur la Figure 31.

En cohérence avec le Tableau 3, les résultats indiquent que l’ajout de fibres permet d’améliorer la contrainte à la rupture lorsque le matériau n’est pas soudé mais la diminue pour les

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assemblages soudés. De plus, la valeur minimale de ayy pour chaque configuration, lisible sur

l’histogramme a, varie de manière relativement semblable à la contrainte à la rupture des échantillons renforcés de l’histogramme b. La réorientation des fibres pourrait donc expliquer la baisse de contrainte à la rupture lors du soudage des polymères renforcés.

Figure 32 : Quantification de l’orientation des fibres dans la zone soudée et en dehors (a, b, c) et contraintes à rupture des assemblages correspondants (d) (Kamal, et al., 2008)

Dans cette étude, les fibres sont initialement orientées perpendiculairement à la direction d’assemblage avant l’opération de soudage puisque la valeur de ayy est très faible (ayy =0,14)

dans le bulk alors que azz vaut 0,8. L’orientation initiale au sein des plaques à assembler est

donc défavorable à une orientation des fibres dans la direction d’assemblage. Ainsi, la diminution de la quantité de fibres orientées dans cette direction est relativement faible (passage de ayy =0,14 à ayy compris entre 0,02 et 0,10 selon les conditions de soudage).

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C’est pourquoi, Dai et Bates (Dai & Bates, 2008) ont tenté de déterminer l’impact de l’orientation initiale des fibres, au sein de la pièce avant soudage, sur la tenue mécanique de l’assemblage. Comme expliqué précédemment, l’orientation initiale des fibres au sein des plaques injectées est due au procédé d’injection qui oriente majoritairement (à l’exception de la couche de cœur) les fibres dans la direction d’injection. Ainsi, pour réaliser des soudures avec différentes orientations initiales de fibres, les auteurs ont découpé les plaques injectées selon différents axes, comme illustré sur la Figure 33. Les résultats de cette étude ne montrent qu’une très légère hausse de la contrainte à la rupture, visible à droite sur la Figure 33, pour les échantillons soudés avec un plan de soudure choisi de manière à favoriser l’orientation initiale des fibres pour qu’elles puissent traverser l’interface.

Figure 33 : Valeurs de résistance en traction du polypropylène renforcé par des fibres de verre à 30% (SF30) et 40% (SF40) soudé avec différentes orientations de fibres initiales (Dai & Bates, 2008)

Comme expliqué par Fiebig et Schoepnner (Fiebig & Schoeppner, 2016) l’orientation des fibres de verre due au procédé d’injection présente également des effets de bords, illustrés sur la Figure 34 - a, aux abords des parois du moule qui tendent à orienter les fibres parallèlement aux surfaces de la plaque. Ainsi, l’orientation des fibres dans la configuration

Transverse direction de la Figure 33 présente probablement une orientation des fibres proche de la configuration Flow direction expliquant pourquoi la contrainte a rupture n’est pas très différente entre les deux configurations.

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Figure 34 : Illustration schématique des effets de bords (a) induit par le procédé d’injection et stratégie de soudage (b) (Fiebig & Schoeppner, 2016)

Dans leur étude, Fiebig et Schoepnner (Fiebig & Schoeppner, 2016) ont découpé une partie des plaques au milieu avant de les souder et ont réalisé des analyses en microtomographie afin de vérifier l’orientation réelle des fibres de verre sur des échantillons en PP et PA, comme illustré sur la Figure 34 - b. Leur étude montre qu’orienter initialement les fibres dans la direction d’assemblage ne permet pas d’obtenir des soudures avec des contraintes à rupture plus élevées car les fibres sont réorientées dans tous les cas par les flux de cisaillement et d’écoulement. Leurs résultats indiquent également que pour certaines configurations de soudage, il n’y a pas de corrélation entre la quantité de fibres orientées dans la direction de sollicitation au sein de la zone soudée et la contrainte à la rupture des échantillons soudées. Ceci est peut-être dû au fait que les zones d’analyses pour la quantification de l’orientation des fibres ne sont pas représentatives de la zone soudée puisqu’il existe d’importantes hétérogénéités dans la soudure dues notamment à la présence des deux flux de cisaillement et d’écoulement qui réorientent les fibres dans des directions perpendiculaires. Si le volume d’analyse est mal défini, une section contenant peu de fibres dans la direction d’assemblage peut ne pas être détectée car englobée dans la moyenne avec les zones voisines.

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