Soudage de bois feuillus par friction rotationnelle

Les différentes colles utilisées actuellement par l’industrie du meuble au Canada nécessitent des temps de polymérisation constituant un goulot dans la production des meubles et limitant l’atteinte de la production unitaire. Ces adhésifs synthétiques généralement issus de la pétrochimie nécessitent énormément d’énergie lors de leur confection. L’utilisation de connecteurs métalliques ou plastiques, quant à elle, limite les phases de découpage et sablage subséquentes. La présence d’adhésifs et connecteurs, considérés comme une source de contamination tant dans des procédés de valorisation par la filière énergétique que dans les procédés existants de recyclage des produits du bois, limite la recyclabilité du produit rendant sa gestion en fin de vie utile très difficile. L’assemblage de composants en bois par la technique de soudage par friction rotationnelle est une alternative intéressante aux colles et connecteurs métalliques dans l’industrie du meuble. Le soudage du bois permet d’offrir un produit minimisant l’impact environnemental d’une entreprise alors que ce mode d’assemblage ne constitue pas une contrainte à la gestion en fin de vie du produit. La recyclabilité ou revalorisation des assemblages soudés permet d’offrir un produit en mesure de séquestrer du carbone plus longtemps ou encore de ralentir la réémission de celui-ci dans l’atmosphère. Le présent projet de recherche visait à évaluer l’aptitude du soudage par friction rotationnelle pour la fabrication de panneaux lamellés-soudés à usage intérieur. L’objectif était de concevoir des panneaux aussi performants que leur équivalent collé tout en réduisant les coûts de conception en éliminant l’utilisation d’adhésifs synthétiques, conférant du même coup un aspect écologique et durable au produit. Les objectifs spécifiques du projet étaient: de déterminer les paramètres optimaux variables du soudage rotationnel pour deux essences feuillues canadiennes soit l’érable à sucre et le bouleau jaune; de caractériser les propriétés mécaniques des joints soudés ainsi que la stabilité dimensionnelle de panneaux lamellés-soudés; de procéder à la caractérisation de la zone de fusion afin de comprendre les phénomènes physico-chimiques en cause afin de les mettre en relation avec les performances mécaniques des assemblages; d’analyser les émanations volatiles produites lors du soudage afin d’évaluer l’impact environnemental de ce procédé. ii Ce projet de recherche à fait l’objet d’une collaboration avec FPInnovations, EQMBO-Entreprises et le Centre de recherche industrielle du Québec (CRIQ) qui a conçu et assemblé un banc d’essai spécifiquement pour le panneautage par le procédé de soudage rotationnel. Considérant cette collaboration, une tangente industrielle a été donnée à la méthodologie employée afin de répondre aux objectifs des partenaires. Le banc d’essai a d’ailleurs fait l’objet d’ajustements et d’améliorations tout au long du projet en vue de son optimisation pour un transfert de cette technologie en milieu industriel. Le matériel utilisé pour cette étude visait également à refléter la matière première utilisée chez les fabricants de produits d’apparence en bois. Le banc d’essai conçu par le Centre de recherche industrielle du Québec (CRIQ) a permis d’étudier l’effet de différents paramètres sur la qualité de soudage pour l’érable à sucre (Acer saccharum) et le bouleau jaune (Betula alleghaniensis). Les facteurs à l’étude étaient: l’essence (érable à sucre et bouleau jaune), la vitesse de rotation du goujon (1000 tours min-1, 1500 tours min-1 et 2500 tours min-1), la vitesse d’insertion du goujon (12,5 mm s-1, 16,7 mm s-1 et 25,0 mm s-1) et enfin l’angle d’insertion par rapport au fil du bois (insertion tangentielle à 0° par rapport au fil du bois et insertion radiale à 90° par rapport au fil du bois) pour un total de 36 combinaisons de facteurs. Dix répétitions pour chacune des combinaisons ont été effectuées pour un total de 360 soudages. Des essais mécaniques de traction appliqués à la zone de soudage ont permis de connaître les paramètres d’assemblage optimaux pour les deux essences considérées. Des mesures de température effectuées au moyen d’un système d’acquisition munis de thermocouples ont également été effectuées. Les résultats obtenus démontrent une interaction significative entre l’essence, la vitesse de rotation et la vitesse d’insertion. L’érable à sucre a permis de produire les joints soudés ayant les meilleures propriétés mécaniques en traction. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec une vitesse rotationnelle de 1000 tours min-1 tant pour l’érable à sucre que le bouleau jaune. Une vitesse d’insertion de 25,0 mm s-1 s’est avérée optimale pour le soudage de l’érable à sucre. Dans le cas du bouleau jaune, une vitesse d’insertion de 16 mm s-1 a permis de produire les joints soudés les plus solides pour cette essence. L’angle d’insertion par rapport au fil du bois n’a pas eu d’effet significatif sur les essais mécaniques en iii traction. L’essence et la vitesse rotationnelle ont eu un effet significatif sur la température maximale à l’interface lors du soudage. Des températures maximales à l’insertion de 244 ˚C et 282 ˚C ont été mesurées pour l’érable à sucre et le bouleau jaune à partir des paramètres des soudages optimaux pour chaque essence, respectivement. Cette étude a également examiné la faisabilité du panneautage pour des applications d’apparence intérieures à partir de la technologie de soudage du bois par friction rotationnelle. Pour chacune des essences étudiées, douze panneaux lamellés-soudés de 30 mm x 225 mm x 300 mm ont été fabriqués. Six panneaux lamellés-collés de mêmes dimensions, assemblés avec une émulsion de type acétate de polyvinyle (PVA), ont été assemblés pour chaque essence étudiée pour fins de comparaison. Des essais de flexion statique en trois points ont été effectués afin d’adresser la performance mécanique des assemblages. Des essais non destructifs sous caisson climatiseur ont également été effectués afin comprendre le comportement d’un panneautage lamellé-soudé sous atmosphère alternativement humide (20 °C et 80 % d’humidité relative) correspondant aux conditions estivales et sec (20 °C et 20 % d’humidité relative) pour des conditions hivernales afin d’observer les déformations ou délaminations possibles pouvant se produire sur les panneautages. Des forces maximales à la rupture en flexion de 1,79 kN et 1,70 kN ont été obtenues pour les panneaux lamellés-soudés de bouleau jaune et d’érable à sucre, respectivement. La fracture se produisait généralement dans la section transversale du goujon. Aucun déplacement des goujons n’a été observé à l’interface de soudage. De la délamination dans les panneautages a été constatée au terme des cycles à atmosphère variable autant pour les constructions soudées que collées. Toutefois, celle-ci n’a pas affecté les propriétés en flexion des panneaux lamellés-soudés. Les résultats confirment le potentiel du soudage par friction rotationnelle pour la production de panneaux lamellés-soudés à partir d’essences feuillues canadiennes. La caractérisation de la ligne de soudage a permis de saisir certains aspects fondamentaux liés au soudage du bois par friction rotationnelle. Grâce aux méthodes de pyrolyse couplée à un chromatographe en phase gazeuse et un spectromètre de masse (Py-GC/MS), de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier sur un montage de réflexion totale iv atténuée (ATR-FTIR) et de spectrométrie de photoélectrons induits par rayon-X (XPS), il a été possible d’évaluer les changements thermochimiques durant le soudage par friction rotationnelle chez l’érable à sucre et le bouleau jaune. Le matériel ligneux de référence et le matériel à l’interface de soudage de deux pièces de bois, un goujon et un substrat, ont été comparés dans le but d’expliquer les différences de propriétés mécaniques entre les essences. Les émissions volatiles libérées durant le procédé de soudage ont été analysées en reproduisant le traitement thermique par Py-GC/MS de même qu’avec un chromatographe en phase gazeuse avec détection de conductivité thermique et d’ionisation de la flamme (GC/TCD-FID) afin d’analyser les émanations captées lors du soudage. Les résultats démontrent que le procédé thermique lié au soudage du bouleau jaune et de l’érable à sucre dégrade les hémicelluloses et affecte les polymères de la lignine via une dépolymérisation. L’efficacité du procédé de soudage est ainsi directement liée aux propriétés initiales des constituants du bois, essentiellement la lignine et les glucides. Les changements liés à la lignine à l’interface de soudage ont été plus nombreux chez l’érable à sucre que le bouleau jaune corroborant les résultats obtenus lors des essais mécaniques. Les proportions d’émission volatile ont été similaires pour nos deux essences. L’analyse des composés organiques volatils a permis de conclure que les émanations produites lors du soudage sont négligeables et ne présentaient pas de risque pour la santé humaine ou pour l’environnement.

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