Evaluation non destructive par ultrasons de l'adhésion aux interfaces de joints collés

par Emmanuel Siryabe

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Michel Castaings.

Le président du jury était Michael J. Lowe.

Le jury était composé de Michel Castaings, Eric Papon, Mathieu Renier, David Meziane, David Barnoncel.

Les rapporteurs étaient Emmanuel Le Clézio, Mounsif Ech-Cherif El-Kettani.


  • Résumé

    Cette thèse a pour objectif de développer des méthodes ultrasonores pour l’END de l’adhésion de joints collés. Pour aborder ce problème, les assemblages sont réalisés avec des substrats en aluminium (isotrope, élastique) et un adhésif de type époxy(isotrope, viscoélastique). Selon la géométrie des assemblages, deux méthodes sont proposées pour obtenir une information quantitative sur le niveau d’adhésion. La première est adaptée à des échantillons de type tri-couches avec recouvrement total.Elle consiste à analyser la transmission d’ondes ultrasonores planes de volume à travers l’assemblage immergé dans l'eau.Les conséquences d'un mauvais traitement de surface des substrats sur la mesure des modules de viscoélasticité du joint adhésif sont étudiées. Il a été montré que des interphases dégradées provoquent une anisotropie apparente des modules mesurés pour le joint de colle. Cette anisotropie a été quantifiée à l'aide de deux paramètres β1 et β2 dont les valeurs permettent de révéler la qualité des interphases. Ensuite, les modules élastiques (ou raideurs kL et kT) des interphases ont été estimés, en supposant les propriétés de l'adhésif connues. On montre que leurs valeurs sont maximales lorsque l'adhésion est nominale, et qu’elles diminuent franchement lorsque l'adhésion est dégradée, mais dans des proportions différentes. Des mesures de la contrainte à rupture, réalisées sur des échantillons préparés dans les mêmes conditions, corroborent la chute des modules des interphases. La seconde méthode est adaptée à des échantillons collés avec un recouvrement partiel. Elle es tbasée sur la mesure du coefficient de transmission d'ondes de Lamb se propageant d'un substrat à l'autre, à travers la zone de recouvrement. Une étude de sensibilité numérique (par éléments finis) des coefficients de transmission des modes de Lamb a montré que les propriétés mécaniques des interphases (modélisées par des raideurs surfaciques) peuvent être évaluées si les autres caractéristiques de l’assemblage sont connues. Des mesures expérimentales de ces coefficients de transmission ont ensuite été réalisées avec deux échantillons. L’un d’eux possède des interphases à adhésion nominale et l’autre des interphases dégradées. Une confrontation entre les résultats des mesures obtenus pour les différents modes et les simulations numériques permet de déterminer les valeurs des raideurs d’interfaces pour chaque échantillon. Là encore, il est observé qu’une mauvaise adhésion se traduit par des valeurs faibles des raideurs d’interfaces, qui peuvent être quantifiées, cette fois,grâce aux ondes ultrasonores guidées.

  • Titre traduit

    Ultrasonic non-destructive evaluation of the adhesion at the interfaces of bonded joints


  • Résumé

    The aim of this thesis is to develop NDT ultrasonic methods for the evaluation of the adhesion at interfaces in bonded joints.To address this problem, the assemblies are made of aluminum substrates (isotropic, elastic) and epoxy adhesive (isotropic,viscoelastic). Depending on the geometry of the studied assemblies, two methods are proposed to obtain quantitativeinformation on the adhesion level. The first method is suitable for three-layered plate-like samples. It consists in analyzingthe transmission of bulk ultrasonic plane waves through the assembly immersed in water. The consequences of a inapropriatesurface treatment of the substrates on the measurement of viscoelastic moduli of the joint are studied. It has been shown thatdegraded interphases cause an apparent anisotropy of the measured elastic moduli of the joint. This anisotropy was quantifiedusing two parameters β1 and β2 whose values can reveal the quality of the interphases. Then, the elastic moduli (or stiffnesseskL and kT) of the interphases were estimated, assuming that the adhesive layer properties are known. It was shown that theirvalues are higher when the adhesion is nominal, and are strongly decreased when the adhesion is degraded. Measurements ofthe mechanical strength, on samples prepared under the same conditions, confirmed the drops in these elastic moduli. Thesecond method is more suitable for lap joint samples. It is based on the Lamb wave transmission coefficient measured fromone substrate to the other, across the overlap zone. A numerical sensitivity analysis (finite element model) of the transmissioncoefficients of Lamb waves showed that the mechanical properties of the interphases (modeled by interfacial stiffnesses) canbe evaluated if the other characteristics of the assembly are well known. Experimental measurements of the transmissioncoefficients were then performed on two samples. One of them has interphases with nominal adhesion and the other hasdegraded interphases. A comparison between the measured results obtained for the different modes and numericalsimulations was used to determine the values of the interfacial stiffnesses for each sample. Again, it was observed that pooradhesion leads to low values of the interfacial stiffnesses of the interphases, that can be quantified using guided ultrasonicwaves.


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