Friction wood welding for a high environmental quality products : a tribological approach
Soudage du bois par frottement pour la réalisation de produits à haute qualité environnementale : approche tribologique
Résumé
This PhD thesis concerns the friction wood welding process and the study of the operating parameters and materials on the quality of the weld joint. This process allows to obtain assemblies without contribution of external material (contrary to adhesives). This makes the process environmentally friendly and less expensive. The mechanical energy supplied during the friction between two wooden samples and the resulting thermal energy allows to locally transforming the interface under certain experimental conditions. The transformation of the interface into a molten material, which then solidifies, allows the creation of a joint ensuring the assembly of the two samples. Most of researches on this subject has focused either on the chemical modification of wood constituents linked to the increase of the temperature at the interface, or on the optimization of the different parameters and their influence on the quality of the joint. A bibliographic study summaries this scientific knowledge related to the structure of the material. The heat generated in the contact is one of the key parameter to trigger the chemical reactions. We have developed a protocol coupling experimental friction tests and numerical simulations to determine the evolution of the temperature at the interface during the welding process. We then studied the influence of ten parameters (experimental ones: welding pressure, velocity, duration of friction, pressure and holding time; and material ones: roughness, moisture, orientation and number of annual rings) that can affect the quality of the joint: mechanical strength (through tensile tests) and morphology of the welded joint (X-ray tomography). To this end, a definitive screening design comprising a relatively small number of tests has been carried out. We have been able to quantify the influence of the different factors and especially their couplings on the mechanical strength, the volume of the joint, the wear of the samples, and the temperature of the interface. This highlights the influence of parameters that have been fewly studied simultaneously, such as the moisture content, the number of annual rings, and the relative orientation of the samples. Finally, under optimal friction test conditions, interrupted experiments have allowed to reveal the welded joint building up.
Ce travail de thèse concerne le soudage du bois par frottement et l’étude des paramètres opératoires et matériaux sur la qualité du joint de soudure. Le procédé de soudage du bois par frottement est un procédé permettant d’obtenir des assemblages sans apport de matière extérieure (contrairement aux colles). Ceci rend ce processus respectueux de l’environnement et moins coûteux. L’énergie mécanique fournie lors du frottement entre deux corps en bois et l’énergie thermique qui en découle permet, dans certaines conditions expérimentales, de transformer localement l’interface. La formation de matériau fondu à l’interface, qui se solidifie ensuite, permet la création d’un joint assurant l’assemblage des deux corps. La plupart des recherches sur ce sujet se sont principalement concentrées soit sur la modification chimique des constituants du bois lié à l’augmentation de la température à l’interface, soit sur l’optimisation des différents paramètres et leurs influences sur la qualité du joint. Une étude bibliographique permet d’aborder ces aspects tout en dévoilant la structure du matériau. La chaleur générée dans le contact est l’un des paramètres clé dans ce procédé pour déclencher les réactions chimiques. Nous avons mis au point une procédure couplant les données tribologiques expérimentales et la simulation numérique pour déterminer l’évolution de la température à l’interface durant le processus de soudage. Nous avons ensuite étudié l’influence de dix paramètres (expérimentaux : pression de contact, vitesse, durée, pression et temps de maintien ; et matériau : rugosité, humidité, orientations et nombres de cernes annuels) pouvant influer sur la qualité du joint : résistance mécanique (essais de traction) et morphologie du joint de soudure (tomographie à rayons X). Pour ce faire, un plan de criblage définitif, permettant un nombre relativement réduit d’essais a été effectué. Nous avons pu quantifier l’influence des différents facteurs et surtout de leurs couplages sur la résistance mécanique, le volume du joint, l’usure des pièces et la température à l’interface. Ceci a mis en évidence l’influence de paramètres peu étudiés simultanément comme le taux d’humidité, le nombre de cernes annuels, et l’orientation relative des échantillons. Finalement, en se plaçant dans des conditions optimales, des essais interrompus permettent d’étudier qualitativement l’évolution de la formation du joint durant le soudage.
Domaines
Matériaux| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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