Étude expérimentale et numérique de l'assemblage du matériau de contact Ag-SnO2 (88/12) par procédé résistif

par Adrien Miguel Fuentes

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Tahar Loulou.

Soutenue en 2010

à l'Université européenne de Bretagne .


  • Résumé

    Cette étude est réalisée dans le cadre d’une convention CIFRE en collaboration avec Schneider-Electric et le Laboratoire d’Ingénierie des MATériaux de Bretagne (LIMATB). Elle a pour principal objet d’optimiser l’assemblage du matériau de contact (MDC) Ag-SnO2 88/12 (%m) sur son support cuivre par procédé résistif. Une double approche expérimentale et numérique a permis de réaliser les essais d’assemblage sur des machines à courants conventionnels, et de mettre au point un modèle numérique intégrant les principaux phénomènes physique, électrique et thermique. Schneider-Electric a mis au point et industrialisé un protocole pour assembler le MDC sur le support par brasage résistif en utilisant deux matériaux intermédiaires (une sous-couche argent directement intégré au MDC lors de l’élaboration et une brasure Cu-Ag-P). Il s’agit d’optimiser cette configuration de référence (ASC-AB) en limitant au maximum les matériaux intermédiaires, tout en conservant une qualité de liaison optimum. Trois configurations d’assemblages ont été considérées pour réduire au maximum les matériaux intermédiaires : la première, la plus intéressante au plan économique, sans sous couche argent et sans brasure (SSC-SB), la seconde sans sous couche argent et avec brasure (SSC-AB), et la dernière avec sous couche argent et sans brasure (ASC-SB). Des observations fines microstructurales des liaisons réalisées sur chaque configuration et différents tests d’expertise mécanique et d’endurance électrique pour qualifier les liaisons obtenues, ont permis de montrer que seul l’assemblage ASC-SB était équivalent à la référence ASC-AB. Pour les deux autres configurations, l’absence de la sous-couche argent sur le MDC se traduit par des mécanismes d’enrichissement en SnO2 à l’interface MDC-support qui favorise la fragilité de la liaison. L’effort au niveau du modèle Electrocinétique-Thermique retenu a surtout porté sur la modélisation des conditions interfaciales. Deux approches ont été proposées pour modéliser les phénomènes électrothermiques au niveau des interfaces statiques et dissipatives présentes dans les assemblages : un modèle macroscopique à paramètres surfaciques et un modèle mésoscopique à paramètres volumiques avec des couches de contact. Une importante campagne de caractérisation des propriétés physiques du MDC et des résistances de contact électrique et thermique en fonction de la pression et de la température a permis de compléter le jeu de données d’entrée du modèle. L’opération d’assemblage par soudage résistif de la configuration ASC-SB a été simulée numériquement à l’aide du logiciel aux éléments finis Sysweld™. Des cinétiques thermiques mesurées dans le MDC et le support ont permis de valider le modèle. Dans le cas de la configuration ASC-SB, le modèle a permis de révéler le rôle essentiel d’initiateur joué par les résistances de contact électrique (RCE) aux interfaces électrode/MDC et rivet/électrode

  • Titre traduit

    Experimental and numerical study of the assembly of the contact material Ag-SnO2 (88/12) by resistive process


  • Résumé

    This study is realised in the framework of a CIFRE agreement in cooperation with Schneider-Electric and the research laboratory, “Laboratoire d’Ingénierie des MATériaux de Bretagne” (LIMATB). The principal subject of this study is to improve the resistance welding process of a Contact Material (CM) Ag-SnO2 88/12 (%w) to a copper support. A double approach, based on experimental and numerical methods, made it possible to carry out welding tests with a conventional current system and permitted us to develop a numerical model which integrates the principal physical, electrical and thermal phenomena. Schneider-Electric has developed and industrialized a protocol to join the CM by resistance brazing technology, with the use of two intermediate materials (a fine silver layer directly integrated in the CM during its elaboration and an interfacial brazing alloy Cu-Ag-P). The aim of this study is to improve this reference configuration (WSL-WBA) [with silver layer-with brazing alloy] by limiting the intermediate materials while maintaining the welding quality. Three configurations have been considered to reduce the intermediate materials: the first, the most economically valuable without silver layer and interfacial brazing alloy (NSL-NBA), the second without silver layer and with an interfacial brazing alloy (NSL-WBA) and the last with silver layer and without interfacial brazing alloy (WSL-NBA). Some fine microstructure observations and various mechanical and electrical endurance expertise tests for the realised bonds of every configuration have made it possible to show that only the WSL-NBA assembling was equivalent to the reference WSL-WBA. For the other two configurations, the absence of the silver layer on the CM involves enrichment mechanisms in SnO2 at the CM-support interface favours the fragility of the bond. The effort for the retained Electrokinetic-Thermal model has focused on the modelling of the interfacial conditions. Two approaches have been proposed for modelling the electrothermal phenomena at the static dissipative interfaces presents in assemblies: a macroscopic model with surfaces parameters and a mesoscopic model with volumes parameters and contacts layers. A consequent campaign of characterisation of physical properties and electrical and thermal contact resistances depending on the pressure and the temperature has permitted to complete the input data of the model. The resistance welding operation of the WSL-NBA configuration has been simulated with the help of the Sysweld™ finite elements software. Thermals kinetics measured in the CM and the support have permitted to validate the model. In the case of the WSL-NBA configuration, the model has permitted to reveal the essential role of ignition played by the electrical contact resistances (ECR) at the electrode/CM and rivet/electrode interfaces.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XII-210 p.)
  • Notes : Thèse confidentielle jusqu'en décembre 2015
  • Annexes : Bibliographie p. 183-187

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