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The work presented in this paper deals with the study of the influence of the operating parameters of welding on observables which are the geometrical characteristics of the melted zone. In this study, the method implemented is of the SMAW (Shielded metal arc welding) manual arc type and is used to assemble the pipes through the filling of a V-shaped chamfer between two tubes 1219.5 mm in diameter, 13 mm thick, and a material of grade X70 steel. In order to increase the productivity and reliability of the chamfer filling operation, we used the experimental designs method, on the one hand to estimate the effects of the operating parameters and their interactions on several functions characterizing the morphology of the weld bead, and on the other hand, to provide a mathematical model that links the welding process operating parameters to the objective functions studied.

Inverse heat transfer problems deal with the estimation of parameters or functions appearing in the mathematical formulation of problems in thermal sciences, by utilizing measurements of dependent variables of the formulation. Inverse problems are extremely useful for the indirect measurement of thermophysical properties, in particular for challenging situations involving high temperatures, where coupled multi-physics phenomena and nonlinearities must be taken into account. In this paper, basic inverse problem concepts are reviewed. Solution techniques within the Bayesian framework of statistics are briefly described and applied to two inverse problems related to the authors� experience on the estimation of thermophysical properties at high temperatures.

The hardness of AA 2024 is mainly dependent of the precipitation state in the material. This one will vary through the process of friction stir welding (FSW) which generates heat and deformations. The most important effect will be the thermal excursion which greatly affects the nature and the distribution of precipitates and so the mechanical properties of the material. Three Myhr & Grong-type submodels have been used in this study in order to simulate the variation of hardness in AA 2024-T3 FSW welds. These models allowed to simulate the hardening by growth of S-precipitates and the softening by coarsening and dissolution of GPB zones / co-clusters or S-precipitates. Finally, the natural ageing was taken into account following the Robson model. The complete model has been calibrated with isothermal data found in the literature and still has to be optimised. Nevertheless, preliminary results show the coherence of the model when performed on isothermal data. The model has been also applied to predict FSW hardness profiles that are compared to those found in the literature.

International audience; This work presents the first step concerning the design of a very high temperature inductive furnace dedicated to the characterization of molten metals in the 1 600 K-2 800 K temperature range. One major constraint is to provide homogeneous temperature within the tested sample and thus avoid thermal gradients as well as magnetic fields. For that, the choice of materials for the furnace design has been made and validated through both a magneto-thermal simulation and some in situ temperature measurements of the sample with both thermocouples until 1 600 K, and with a visible-NIR pyrometer used for the upper temperatures. Experimentally, the pyrometer has been calibrated using the melting temperature measurement of a pure nickel sample placed in the furnace. Finally, the furnace heating capacity limit has been tested and reached during the niobium sample melting. During this test, technical difficulties occurred due to physico-chemical contamination from the crucible.

International audience; The work presented in this paper relates to the optimization of operating parameters of the welding by the experimental design approach. The welding process used is the hybrid laser-MAG welding, which consists in combining a laser beam with an MAG torch, to increase the productivity and reliability of the chamfer filling operation in several passes over the entire height of the chamfer. Each pass, providing 2 mm deposited metal and must provide sufficient lateral penetration of about 0.2 mm. The experimental design method has been used in order to estimate the operating parameters effects and their interactions on the lateral penetration on one hand, and to provide a mathematical model that relates the welding parameters of welding to the objective function lateral penetration on the other hand. Furthermore, in this study, we sought to the identification of the set of optimum parameters sufficient to comply with a constraint on the quality of weld bead. This constraint is to simultaneously obtain a total lateral penetration greater than 0.4 mm and an H/L ratio less than 0.6. In order to obtain this condition, the multi-objective optimization (for both response functions) of a weld bead by the implementation of the plans method using two categories of Experiments Plans, on two levels has been used: the first is a complete experimental design (CED) with 32 tests and the second a fractional experimental design (FED) with 8 tests. A comparative analysis of the implementation of both types of experiments plans identified the advantages and disadvantages for each type of plan.

This study presents the joining of steel (DP600) and PA66GF (Polyamide 6.6 reinforced with glass fibers) with a 6 kW Nd:YAG Laser.The phenomena at the interface between the two materials are fundamental elements of analysis in the behavior of the assembly. To understand the impact of process parameters, an experimental plan with different powers and joining speeds is presented. For a better understanding, a specific thermal measurement with micro-thermocouples (wire diameter: 50 µm) is added in the middle of the thermal affected area. The mechanisms leading to a good adhesion are identified, and will allow us to optimize the joining process and increase the understanding. Shear tensile tests are presented to characterize the strength of the assembly. The presented method is compared with bonded assembly as reference.This study presents the joining of steel (DP600) and PA66GF (Polyamide 6.6 reinforced with glass fibers) with a 6 kW Nd:YAG Laser.The phenomena at the interface between the two materials are fundamental elements of analysis in the behavior of the assembly. To understand the impact of process parameters, an experimental plan with different powers and joining speeds is presented. For a better understanding, a specific thermal measurement with micro-thermocouples (wire diameter: 50 µm) is added in the middle of the thermal affected area. The mechanisms leading to a good adhesion are identified, and will allow us to optimize the joining process and increase the understanding. Shear tensile tests are presented to characterize the strength of the assembly. The presented method is compared with bonded assembly as reference.

International audience; This work focuses on the integration of an electrical conduction heating of circular blank in a bulge test device. This device will be used to characterize the thermomechanical behaviour of Usibor (R) 1500 under biaxial deformation at very high temperature (to 930 degrees C). First a thermoelectric model using COMSOL Multiphysics (R) was developed to study the heating of a rectangular blank. This model is validated by comparing the calculated temperatures with thermocouples measurements. Secondly electrical field optimization is approached to obtain a fast and uniform heating of a circular blank.

There is a demand from industry and research laboratories for the thermophysical properties of metals in the liquid state (1700 K - 3000 K). This thesis, therefore, set the goal of developing an experimental device for measuring the density and surface tension of such materials and particularly steels. The two measurement methods are based on the principle of the drop in aerodynamic levitation, heated by a laser and positioned in a vacuum chamber filled with a neutral gas. These criteria are set because of an important requirement about the non-pollution of the drop by foreign bodies (mostly crucible and oxygen). The density is measured by observing with a high speed camera the volume variation of the drop during the cooling and by weighting the solidified drop. This first method gave satisfying results on pure substances in comparison with the literature and was applied to an industrial steel. The surface tension is measured by observing the resonance frequency of the drop oscillating thanks to an acoustic excitation. A particular attention is given to the aerodynamic levitation of drop and developments have been undertaken to cancel the hazardous motions of the sample thus facilitating the measurement. This method gives satisfactory results but requires additional developments to avoid pollution impacting the results obtained., Il existe, venant de l’industrie et des laboratoires de recherches, un besoin de connaissance des propriétés thermophysiques des métaux à l’état liquide (1 700 K – 3 000 K). Cette thèse s’est donc posée comme objectif de développer un dispositif expérimental de mesure de la masse volumique et de la tension superficielle de ces matériaux, et plus particulièrement les aciers. Les deux méthodes de mesure sont basées sur le principe de la goutte en lévitation aérodynamique, chauffée par laser et placée dans une enceinte étanche rempli avec un gaz neutre. Ces critères répondent à une importante exigence en matière de non-pollution de la goutte par des corps étrangers (principalement creuset et oxygène). La masse volumique est mesurée en observant avec une caméra haute vitesse la variation de volume de la goutte lors de son refroidissement et en pesant la goutte solidifiée. Cette première méthode a donné des résultats satisfaisant sur des corps purs en comparaison de la littérature et a été appliquée à un acier industriel. La tension superficielle est mesurée en observant la fréquence de résonnance de la goutte mise en oscillation par une excitation acoustique. Une attention particulière a été portée sur la stabilité aérodynamique de la goutte et des développements ont été entrepris pour annuler les rotations hasardeuses de l’échantillon facilitant ainsi la mesure. Cette méthode donne des premiers résultats encourageants mais requiert des développements supplémentaires pour éviter une pollution impactant les résultats obtenus.

Liquation cracking may occur in the heat-affected zone during welding. Two factors influence this phenomenon: the tensile stresses generated during welding and the potential loss of ductility due to the presence of a liquid film at grain boundaries depending on their chemical composition. Gleeble hot ductility tests have been used to study the combined effect of boron content and holding time on ductility drop in the liquation temperature range of a 316L type austenitic stainless steel. It is shown that high boron contents and short holding times promote the loss of ductility in this temperature range. Secondary ion mass spectrometry has been used inattempt to correlate mechanical results to boron distribution either at grain boundaries or in the bulk. Other hot cracking tests (Varestraint, PVR) have been performed to confirm the influence of boron content on hot cracking sensitivity of AISI 316L stainless steels during welding. Results indicate that cracks appear on all specimens and that the minimum external mechanical loading for liquation cracking decreases with boron content. The higher the boron content is, the more the specimen exhibits tendency to hot cracking. A liquation hot cracking criterion has been determined, based on the results of the hot ductility tests and the simulation of welding tests., La fissuration à chaud par liquation peut se produire dans la zone affectée thermiquement lors du soudage. Deux facteurs influent ce phénomène : les contraintes thermiques dues au gradient de température et la perte potentielle de ductilité due à la présence d'un film liquide aux joints de grains en fonction de leur composition chimique. Des essais de ductilité à chaud (Gleeble) ont été utilisés pour étudier l'effet combiné de la teneur en bore et du temps de maintien sur la chute de la ductilité dans la plage de température de liquation pour l’acier inoxydable austénitique de type 316L. Il est démontré que les teneurs en bore élevées et les temps de maintien courts favorisent la perte de ductilité dans cette plage de température. En complément la spectrométrie de masse à ionisation secondaire a été utilisée pour tenter de corréler les variations de ductilité à la distribution du bore aux joints de grains. D'autres essais de fissuration à chaud en soudage (Varestraint, PVR) ont été effectués pour confirmer l'influence de la teneur en bore sur la sensibilité à la fissuration de l’acier 316L. Les résultats indiquent que des fissures apparaissent sur toutes les éprouvettes et que le chargement mécanique externe minimal pour créer les fissures de liquation diminue avec la teneur en bore. Plus la teneur en bore est élevée, plus le matériau est donc sensible à la fissuration à chaud par liquation. Un critère de fissuration à chaud par liquation a été déterminé en se basant sur les résultats des essais de ductilité à chaud et la simulation des essais de soudage.

To reduce greenhouse gas emissions, car makers are looking for innovative lightening solutions. Thanks to its very high mechanical properties, the quenchable boron steel Usibor®1500 allows to reduce thicknesses of structural parts. The use of this steel requires a specific forming process named hot stamping. In this process, the blank is heated to induce austenitization microstructure, followed by a forming and quenching step to obtain a completely martensitic structure which confers high mechanical properties on the part. The ANR PRICECAT project consists in developing a process which includes successive forming steps under the same press. In this context, the aim of this thesis is to increase the heating rate using electrical conduction. This technology is suitable for rectangular blank heating, but with a shape blank, the section variations lead to a heterogeneous heating incompatible with a completely martensitic structure. However, in automobile industry, parts have various shapes. So, it was necessary to determine new methods of heating shape blanks by electrical conduction. After a review of the electrical heating methods, a thermoelectric model was developed under COMSOL Multiphysics®. It was validated experimentally on a rectangular blank heating case. This model was used to analyze the influence of different heating parameters and to design two heating devices. Thus, the electrical conduction heating was first integrated to a biaxial expansion device. The tests showed that homogeneous heating of a circular blank is possible during heating and forming steps. The numerical model also led to another heating solution where the shape blank is converted into rectangular strips with minimization of the added surface. This method was used to build a heating demonstrator for a windscreen upright.; Pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, les constructeurs automobiles cherchent à alléger lesvéhicules. L’Usibor®1500 permet de réduire les épaisseurs des pièces de structure grâce à ses propriétés mécaniques élevées obtenues suite au procédé d’emboutissage à chaud. Ce procédé comporte une chauffe où le flan (la tôle) est austénisé, puis mis en forme et trempé simultanément pour obtenir une structure entièrement martensitique qui confère des propriétés mécaniques élevées. Le projet ANR PRICECAT consiste à développer un procédé dans lequel la mise en forme se fait par multi- passes dans une presse unique. Dans ce cadre, l’objectif de la thèse est d’augmenter la vitesse de montée en température en utilisant la technologie de chauffe par conduction électrique. Cette technologie est adaptée pour la chauffe de flan rectangulaire, mais lorsque le flan est de forme quelconque, les variations de section mènent à une chauffe hétérogène incompatible avec l’obtention d’une structure entièrement martensitique. Or, les flans rencontrés dans l’industrie automobile ont des formes diverses. Il a donc été nécessaire de déterminer de nouvelles méthodes de chauffe par conduction électrique de flan de forme. Après une revue sur les différentes méthodes de chauffe par conduction électrique rencontrées dans la littérature, un modèle thermoélectrique a été développé sous COMSOL Multiphysics® et validé expérimentalement sur un cas de chauffage de flan rectangulaire. Ce modèle a permis d’analyser l’influence de divers paramètres de chauffe et a servi de base pour le développement de deux dispositifs de chauffe. La technologie de chauffe a ainsi été intégrée à un dispositif d’expansion biaxiale. Les essais ont montré qu’une chauffe homogène d’un flan circulaire était possible même lors de l’étape de mise en forme. Le modèle numérique a aussi conduit à une solution de chauffe où l’on discrétise le flan de forme en bande rectangulaire tout en minimisant la surface ajoutée. Cette méthode s’est concrétisée par la réalisation d’un démonstrateur à l’échelle 1 de chauffe de montant de baie.

To reduce greenhouse gas emissions, car makers are looking for innovative lightening solutions. Thanks to its very high mechanical properties, the quenchable boron steel Usibor®1500 allows to reduce thicknesses of structural parts. The use of this steel requires a specific forming process named hot stamping. In this process, the blank is heated to induce austenitization microstructure, followed by a forming and quenching step to obtain a completely martensitic structure which confers high mechanical properties on the part. The ANR PRICECAT project consists in developing a process which includes successive forming steps under the same press. In this context, the aim of this thesis is to increase the heating rate using electrical conduction. This technology is suitable for rectangular blank heating, but with a shape blank, the section variations lead to a heterogeneous heating incompatible with a completely martensitic structure. However, in automobile industry, parts have various shapes. So, it was necessary to determine new methods of heating shape blanks by electrical conduction. After a review of the electrical heating methods, a thermoelectric model was developed under COMSOL Multiphysics®. It was validated experimentally on a rectangular blank heating case. This model was used to analyze the influence of different heating parameters and to design two heating devices. Thus, the electrical conduction heating was first integrated to a biaxial expansion device. The tests showed that homogeneous heating of a circular blank is possible during heating and forming steps. The numerical model also led to another heating solution where the shape blank is converted into rectangular strips with minimization of the added surface. This method was used to build a heating demonstrator for a windscreen upright., Pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, les constructeurs automobiles cherchent à alléger lesvéhicules. L’Usibor®1500 permet de réduire les épaisseurs des pièces de structure grâce à ses propriétés mécaniques élevées obtenues suite au procédé d’emboutissage à chaud. Ce procédé comporte une chauffe où le flan (la tôle) est austénisé, puis mis en forme et trempé simultanément pour obtenir une structure entièrement martensitique qui confère des propriétés mécaniques élevées. Le projet ANR PRICECAT consiste à développer un procédé dans lequel la mise en forme se fait par multi- passes dans une presse unique. Dans ce cadre, l’objectif de la thèse est d’augmenter la vitesse de montée en température en utilisant la technologie de chauffe par conduction électrique. Cette technologie est adaptée pour la chauffe de flan rectangulaire, mais lorsque le flan est de forme quelconque, les variations de section mènent à une chauffe hétérogène incompatible avec l’obtention d’une structure entièrement martensitique. Or, les flans rencontrés dans l’industrie automobile ont des formes diverses. Il a donc été nécessaire de déterminer de nouvelles méthodes de chauffe par conduction électrique de flan de forme. Après une revue sur les différentes méthodes de chauffe par conduction électrique rencontrées dans la littérature, un modèle thermoélectrique a été développé sous COMSOL Multiphysics® et validé expérimentalement sur un cas de chauffage de flan rectangulaire. Ce modèle a permis d’analyser l’influence de divers paramètres de chauffe et a servi de base pour le développement de deux dispositifs de chauffe. La technologie de chauffe a ainsi été intégrée à un dispositif d’expansion biaxiale. Les essais ont montré qu’une chauffe homogène d’un flan circulaire était possible même lors de l’étape de mise en forme. Le modèle numérique a aussi conduit à une solution de chauffe où l’on discrétise le flan de forme en bande rectangulaire tout en minimisant la surface ajoutée. Cette méthode s’est concrétisée par la réalisation d’un démonstrateur à l’échelle 1 de chauffe de montant de baie.

Welding simulation can be improved by a better knowledge of molten metals thermophysical properties. This improvement requires characterization using a very high temperature apparatus. After portraying a state of the art on characterization technics adapted to this temperature range (chapter 1), this manuscript details works, principally experimental, dedicated to the developments of a device able to heat metals up to 2 500 °C (chapters 3 and 4) and of a five wavelengths pyrometer in order to measure this temperature (chapters 2, 4 and 5). The device heats by induction a graphite tower, the crucible being placed at its center, and has been dimensioned by a magneto-thermal 2D axisymmetric simulation using the Comsol Multiphysics® software. In parallel, the pyrometer has been developed in order to measure both temperature and emissivity. In the absence of a high temperature blackbody, several experiments were carried out for the calibration of it; they were based on the use of the luminance of pure metals at their melting point. In order to cover the largest temperature range possible, chosen metals were iron, chromium, and even niobium. These experiments showed the efficiency of the pyrometer and the maximal ability of the high temperature device during the niobium melting around 2 500 °C. Finally, the pyrometer has been used on an arc welding process, in which temperature has been evaluated over a 1 000 °C – 2 500 °C temperature range., La simulation numérique du soudage peut être améliorée par une meilleure connaissance des propriétés thermophysiques des métaux à l’état liquide. Un approfondissement de cette connaissance requiert un dispositif capable de conditionner ces métaux à de très hautes températures en vue de les caractériser. Après un état de l’art sur les techniques de caractérisation adaptées à ces échelles de températures (chapitre 1), ce manuscrit détaille les travaux, principalement expérimentaux, dédiés aux développements d’un dispositif capable d’élever des métaux jusqu’à 2 500 °C (chapitres 3 et 4) et d’un pyromètre à cinq longueurs d’onde pour mesurer cette température (chapitres 2, 4 et 5). Le dispositif chauffe par induction une tour en graphite, le creuset étant placé en son centre, et a été dimensionné via une simulation magnéto-thermique 2D axisymétrique à l’aide du logiciel Comsol Multiphysics®. Parallèlement, le pyromètre a été développé dans le but de mesurer simultanément la température et l’émissivité. En l’absence de corps noir à hautes températures, plusieurs expériences ont été menées pour étalonner ce dernier ; elles ont été basées sur la mesure de la température de fusion/solidification de corps purs. En fonction de leur tenue et pour couvrir la plus large gamme de température possible, les métaux choisis sont le fer, le chrome, ou encore le niobium. Les expériences ont montré l’efficacité du pyromètre et la capacité maximale du dispositif hautes températures lors de la fusion du niobium à environ 2 500 °C. Enfin, le pyromètre a été utilisé lors d’une opération de soudage à l’arc, au cours de laquelle la température a été estimée sur une gamme de 1 000°C – 2 500°C.