Soudage laser par transmission de thermoplastique semi-cristallin PEKK : prédiction de la cristallinité du joint de soudure et de la résistance mécanique des assemblages

Laser transmission welding (LTW) of semi-crystalline thermoplastic PEKK : prediction of the weld joint crystallinity and mechanical strength of assemblies

• Auteur / Autrice : Marcela Matus-Aguirre
• Direction : France Chabert, Benoît Cosson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Nadine Allanic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : France Chabert, Benoît Cosson, Yun Mei Luo, Eric Dantras, Bart Buffel, André Chateau Akué Asseko
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yun Mei Luo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristallisation

Simulation numérique

Composites thermoplastiques

Soudage laser

Mots clés libres

Soudage laser

Soudage de polymères

Cristallisation

Composites

Simulation numérique

Polyéthercétonecétone

Laser welding

Polymers welding

Crystallization

Composites

Numerical simulation

Polyetherketoneketone

Résumé

Les matériaux thermoplastiques gagnent en popularité dans l'industrie aérospatiale en tant qu'alternatives aux métaux et aux thermodurcissables, offrant des avantages tels que la rapidité de fabrication, la réparabilité et la recyclabilité. Leur capacité à ramollir et à fondre sous l’effet de la chaleur leur permet d’être soudés sans avoir besoin d'incorporer de composants. De plus, certains thermoplastiques présentent une résistance aux environnements extrêmes, tels que des températures élevées et divers produits chimiques, ce qui les rend idéaux pour des applications exigeantes. Ces caractéristiques font des thermoplastiques des matériaux adaptés aux applications où la réduction du poids, les performances et la durabilité sont des critères essentiels. Dans ce contexte, le soudage par transmission laser (LTW) se révèle être une technique efficace pour le soudage des thermoplastiques en raison de sa simplicité, de sa précision et de sa capacité à produire des joints de haute qualité. Dans cette technique, un faisceau laser traverse une partie supérieure semi-transparente et est absorbé par une pièce inférieure absorbante, ce qui génère de la chaleur à l’interface pour faire fondre et fusionner les pièces. Le procédé LTW repose sur les propriétés thermochimiques et optiques des matériaux à souder. Le soudage laser de thermoplastiques semi-cristallins, tels que les polyaryléthercétone (PAEK), nécessite une attention particulière. Le polyéthercétonecétone (PEKK) a reçu moins d'attention que le PEEK en soudage laser. Cependant, le PEKK est un matériau encore plus prometteur pour le soudage laser par transmission en raison de sa cinétique de cristallisation modifiable par rapport au PEEK. Cette thèse doctorale étudie le procédé de soudage laser par transmission du PEKK, en se concentrant sur l'influence des propriétés du matériau et des paramètres de soudage sur la morphologie et les propriétés mécaniques du joint de soudure. La configuration d’assemblage consiste en un échantillon de PEKK quasi-amorphe sur une pièce de PEKK fortement cristallisée (PEKK-A/SC). Les propriétés thermophysiques et optiques des matériaux sont caractérisées afin de s’assurer qu'ils sont adaptés au LTW. Ensuite, les paramètres du procédé, tels que la puissance du laser et l’épaisseur de la pièce semi-transparente, sont systématiquement étudiés pour comprendre leur impact sur les propriétés du joint. Certains assemblages sont recuits à la température de cristallisation à froid du PEKK pour améliorer la qualité des joints soudés. La qualité des assemblages soudés et recuits est évaluée à l'aide d'essais mécaniques de cisaillement à simple recouvrement et de la microscopie. Le procédé LTW est modélisé à l'aide de la méthode des différences finies sous environnement MatLab, en incorporant le transfert de chaleur et la cinétique de cristallisation du PEKK. Cette modélisation a permis de comprendre l'histoire thermique des échantillons pendant le soudage et de prédire l'évolution de la cristallinité du joint de soudure en fonction des paramètres de soudage. Après avoir étudié et validé le procédé LTW pour le PEKK, la thèse étend l’étude LTW aux composites PEKK renforcés par des fibres courtes de carbone (PEKK-CF). Pour permettre le LTW des échantillons PEKK-CF, le PEKK quasi-amorphe est utilisé comme pièce supérieure pour l’assemblage. Cela représente un nouveau domaine de recherche, car aucune étude antérieure n'a été trouvée sur le soudage laser par transmission des composites PEKK-CF. Le soudage des échantillons de PEKK-CF est optimisé par des essais expérimentaux, et la qualité du joint de soudure est évaluée en faisant varier l’intensité de laser. Les résultats de cette thèse contribuent à une meilleure compréhension du procédé de soudage laser par transmission du PEKK et de ses composites, et fournissent des lignes directrices pour optimiser les paramètres de soudage et améliorer la résistance des joints dans les applications industrielles.

Thermoplastic materials are gaining popularity in the aerospace industry as alternatives to metals and thermosets, providing benefits such as fast manufacturing, repairability, and recyclability. Their ability to soften and melt allows them to be welded without needing to incorporate external components. Additionally, high-performance thermoplastics exhibit resistance to harsh environments, such as high temperatures and various chemicals, making them ideal for high-demanding applications. These features make thermoplastics suitable for applications in which weight reduction, performance, and durability are essential. Laser transmission welding (LTW) has emerged as an effective technique for welding thermoplastics due to its simplicity, precision, and ability to produce high-quality joints. In LTW, a laser beam passes through a semi-transparent upper part and is absorbed by a lower absorbent sample, generating heat at the interface to assemble the parts. The LTW process relies on the thermo-chemical and optical properties of the materials to be welded. Careful consideration is needed when laser welding semi-crystalline thermoplastics, like polyaryletherketones (PAEK). Polyetherketoneketone (PEKK) has received less attention than PEEK in laser welding. However, PEKK is a more promising material for LTW due to its unique crystallization properties compared to PEEK. The crystallization kinetics of PEKK can be modified, which provides better control of its crystallinity by manipulating processing parameters. This PhD thesis investigates the laser transmission welding process of PEKK, focusing on the influence of material properties and process parameters on the weld joint morphology and mechanical properties. The overlapping configuration consists of a quasi-amorphous semi-transparent PEKK sample over a highly crystallized opaque PEKK one (PEKK-A/SC). Thermo-physical and optical properties of the PEKK samples are characterized to ensure their suitability for LTW. Then, process parameters for LTW, such as laser power and thickness of the upper part, are systematically studied to understand their impact on weld joint properties. After welding, some assemblies are annealed at the cold crystallization temperature of PEKK to enhance joint quality. The quality of the weld joints is assessed by mechanical tests and microscopic observations. Single lap-shear tests are employed to identify the failure type and mechanical strength of assemblies. Microscopy is used to analyze failure zones and the weld joint morphology on the cross-section along the welding path. A numerical simulation of the LTW process of PEKK parts was developed in MatLab using the finite differences method, incorporating heat transfer and the crystallization kinetics of PEKK. This model provided insights into the thermal history of the samples during welding and predicted the evolution of weld joint crystallinity as a function of welding parameters. The developed simulations offer insights into the complex thermal and crystallization behaviors observed during LTW of PEKK parts. Furthermore, after studying and validating the LTW process for PEKK polymer, this thesis extends the LTW study to PEKK composites reinforced with short carbon fibers (PEKK-CF). To enable LTW of PEKK-CF samples, the quasi-amorphous PEKK is used as the upper part for the overlapping configuration. That represents a novel area of research, with no prior studies found on LTW of PEKK-CF composites. The welding of PEKK-CF samples is optimized through experimental trials, and the weld joint quality is evaluated under varying laser intensities and the thickness of the upper part. The findings from this thesis contribute to a deeper understanding of the LTW process for PEKK and its composites, providing valuable guidelines for optimizing welding parameters and improving joint strength in industrial applications.