Depuis peu, la mise en évidence de la possible réalisation d'assemblages en bois soudés par frottement sans aucun apport de matière extérieur présente d'intéressantes perspectives tant d'un point de vue économique qu'environnemental. Dans ce cadre, notre étude vise à étudier l'influence des paramètres décrivant le procédé sur la qualité de l'assemblage via un couplage entre des essais instrumentés sur tribomètre et une caractérisation du cordon de soudure par microscopie électronique, rugosimétrie 3D, tomographie aux rayons X et essais mécaniques

BINDER, Pascal

CORNUAULT, Pierre-Henri

HAMANT, Guillaume

PLACET, Vincent

ROIZARD, Xavier

I-Revues

20ème Congrès Français de Mécanique                                                                  Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 
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Approche tribologique du soudage du bois par frottement 
G. HAMANTa, P-H. CORNUAULTa, V. PLACETa, P. BINDERb, X. ROIZARDa 
a. Institut Femto-ST, Département Méc’appli, 26 rue de l’épitaphe, 25 030 Besançon Cedex 
b. GIP ITT Tecbois, rue de Strasbourg, 39 330 Mouchard 
Résumé : 
Depuis peu, la mise en évidence de la possible réalisation d’assemblages en bois soudés par frottement sans 
aucun apport de matière extérieur présente d’intéressantes perspectives tant d’un point de vue économique 
qu’environnemental. Dans ce cadre, notre étude vise à étudier l’influence des paramètres décrivant le 
procédé sur la qualité de l’assemblage via un couplage entre des essais instrumentés sur tribomètre et une 
caractérisation du cordon de soudure par microscopie électronique, tomographie aux rayons X et essais 
mécaniques. 
Abstract : 
The opportunity to join wood parts together by friction welding without supplementary material introduction 
has been recently highlighted and suggests very interesting economical and environmental perspectives 
within sight of glue quantity reduction for wood joining. In this context, the present paper depicts a 
tribological approach of wood welding performed by a coupling of instrumented friction tests with welded 
interface characterization using scanning electron microscopy, X-ray tomography and mechanical tests. 
Mots clefs : hêtre, soudage, frottement, tribologie, tomographie RX  
1 Introduction 
Depuis quelques années, l’utilisation du matériau bois a pris un nouvel essor, notamment dans le domaine de 
la construction, en vertu de son faible impact environnemental. Néanmoins, l’assemblage de pièces en bois 
nécessite encore l’utilisation massive de colles qui présentent un coût environnemental et économique non 
négligeable. Au cours de la dernière décennie, la découverte de la possibilité d’assembler des pièces en bois 
par frottement sans aucun apport de matière extérieure a permis d’envisager la réalisation d’assemblages à 
haute qualité environnementale ainsi qu’un gain économique lors de leur production (élimination des colles 
et du temps de séchage). Découvert en 2005, le soudage du bois est effectué par translation ou rotation d’une 
pièce de bois massif sur une autre sous une pression appliquée perpendiculairement au plan de l’interface. En 
raison de l’augmentation de température au niveau du contact due aux efforts de frottement, le matériau se 
transforme localement en un troisième corps visqueux issu de la dégradation et des réarrangements 
moléculaires de certains polymères constitutifs tels que la lignine et les hémicelluloses qui, après frottement, 
se solidifient pour former un cordon de soudure. Bien que les processus chimiques de dégradation de 
l’interface conduisant au soudage aient été déjà étudiés [1], aucune approche tribologique du procédé, à notre 
connaissance, n’a été menée. De plus, la caractérisation microstructurale du cordon de soudure est 
généralement destructive et bidimensionnelle. L’objectif de cet article est d’offrir une étude tribologique du 
procédé de soudage dans le cas du hêtre, via un couplage entre des essais sur tribomètre instrumenté et une 
caractérisation du cordon de soudure. Cette dernière s’appuie notamment sur la tomographie aux rayons X 
qui permet une étude tridimensionnelle et non destructive du cordon.  
2 Matériau et dispositif expérimental 
Dans cet article, les investigations sont menées sur des échantillons issus de bois de hêtre à 12% d’humidité. 
Les échantillons ont été prélevés dans un billon, selon une même génératrice, et usinés à l’aide d’outils 
conventionnels. Rappelons que le caractère orthotrope du matériau lui confère des propriétés différentes 
selon les directions longitudinale, radiale et tangentielle. Dans le cadre de cette étude, il a été décidé de 
solliciter les surfaces en frottement sur une coupe transversale du matériau. Le tableau 1 donne les propriétés 
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générales du hêtre à 12% d’humidité selon une direction perpendiculaire à la surface frottée (direction 
longitudinale). 
 
TAB. 1 – Quelques propriétés rhéologiques et thermiques du hêtre à 12% d’humidité dans la direction 
longitudinale d’après [2,3]. 
La tomographie aux rayons X a été utilisée afin de caractériser la morphologie microstructurale du matériau 
en raison de son caractère poreux et de son faible coefficient d’absorption des RX [4]. La figure 1a, qui 
donne un aperçu de la microstructure du matériau étudié selon une coupe transverse, permet de mettre en 
évidence l’anisotropie du matériau par l’alternance de cernes de croissance annuelles, la présence des rayons 
ligneux et la répartition des vaisseaux. Bien que le hêtre soit une essence à pores diffus, on note cependant 
des variations notables du diamètre des vaisseaux entre le bois d’été et le bois de printemps.  
 
 
FIG. 1 – Projection obtenue par tomographie aux rayons X du hêtre étudié dans un plan parallèle à une coupe 
transversale (a), et observation 3D de la morphologie des porosités (b) issue du bloc encadré dans (a). 
Une reconstruction 3D des porosités (vide cellulaire des fibres et vaisseaux) issue d’une série de projections 
parallèles a été réalisée après seuillage des niveaux de gris puis binarisation à l’aide du logiciel libre ImageJ 
(figure 1b). Elle permet de mettre en évidence la forte densité de pores linéiques et perpendiculaires à la 
coupe transverse. 
Des essais de frottement alternatifs linéaires ont été réalisés en configuration pion/plan à partir de tourillons 
et blocs prélevés dans la même grume et dont les dimensions sont précisées dans la figure 2b. Ces essais ont 
été conduits à l’aide d’un tribomètre Plint instrumenté avec une amplitude de débattement du pion sur le plan 
de ± 2,2 mm, une vitesse linéique de 0,44 m.s-1 et une pression apparente lors de l’établissement du contact 
allant de 1,8 à 2,4 MPa, appliquée via un ressort.  
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FIG. 2 – Photographie du tribomètre Plint utilisé (a), et schéma du contact tourillon/bloc sur ce dispositif (b). 
Les dimensions indiquées sont en mm. 
Au cours des essais, les acquisitions des signaux de force normale FN, force tangentielle FT et déplacement D 
sont respectivement effectuées par un capteur d’effort résistif situé sous le ressort, un capteur piézoélectrique 
lié au porte-échantillon du bloc, et un capteur laser pointé sur le porte échantillon du tourillon (cf figure 2a). 
L’ensemble des signaux (FN, FT et D) sont acquis et traités à l’aide d’un programme développé au laboratoire 
avec une fréquence d’acquisition de 1kHz correspondant à 20 mesures par cycle de frottement et pour 
chaque grandeur. Après essai, l’évolution des cycles de frottement (µ  en fonction de D avec µ  = FT/FN) peut 
être observée. De plus, le coefficient de frottement moyen µmoy est obtenu en effectuant la moyenne sur 2 
cycles des µ  calculés. 
3 Comportement tribologique lors du processus de soudage 
3.1 Phases de frottement 
La figure 3 donne l’évolution au cours du temps de la charge FN et de µmoy , au cours d’un essai 
caractéristique, avec une pression apparente initiale de 2 MPa. 
 
 
FIG. 3 – Evolution de µmoy et FN au cours du temps lors du soudage. 
Cette figure fait apparaitre 3 étapes caractéristiques de l’évolution tribologique du contact : 
• Phase n°1 : au cours de la 1ère seconde de frottement, µmoy augmente très fortement jusqu’en A, tandis 
que FN diminue puis se stabilise. Proche du point A, une importante production de fumée s’échappe du 
contact, comme l’avait également constaté Ganne-Chedéville [5].  
• Phase n°2 : à partir de A, µmoy diminue progressivement avant de limiter sa décroissance pour atteindre 
un minima en B. De son côté, FN décroit proportionnellement au temps. 
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• Phase n°3 : Au-delà de B, la décroissance linéaire de FN se poursuit avec une pente plus marquée et µmoy 
augmente linéairement. 
La chute de la pression apparente a été interprétée comme étant la conséquence d’une dégradation du 
matériau ayant pour origines : d’une part une modification de l’interface, et d’autre part une usure du 
matériau puisque des copeaux de matière sombre s’échappent en pétales au cours des deux dernières phases. 
L’augmentation de la température dans une zone proche de l’interface conduit vraisemblablement à une 
activation des propriétés viscoélastiques du matériau et une réduction de sa rigidité. Par ailleurs, la forte 
baisse du coefficient de frottement plaide également pour l’établissement d’un 3ème corps sous la forme de 
lignine fondue, comme l’ont également observé Pizzi et al [6,7]. En revanche, au-delà de B, la hausse de µmoy 
et la chute d’autant plus marquée de FN tendent à montrer que l’usure du contact prend le dessus sur l’action 
du 3ème corps. Il est important de noter que si l’allure générale de l’évolution de µmoy a été confirmée sur 
l’ensemble des essais réalisés, la durée des deux premières phases n’est pas reproductible d’un essai à l’autre 
en raison de la variabilité du processus d’accommodation des surfaces (phase n°1) et de la microstructure du 
matériau.  
3.2 Modification de l’interface 
Des observations MEB ont été effectuées sur des surfaces frottées à différentes étapes du procédé. Ainsi, la 
figure 4 présente les faciès observés en début de phase n°2 (4a et 4b), et en début de phase n°3 (4c et 4d). 
 
FIG. 4 – Observations MEB des surfaces frottées du tourillon (a et c) et du bloc antagoniste (b et d) pour des 
essais réalisés avec une pression apparente initiale de 2,4 MPa pendant 2,5 s (a et b), et pendant 7 s (c et d). 
La direction du débattement est horizontale. 
En début de phase n°2, les surfaces sont couvertes de matière issue de la décomposition du matériau prenant 
la forme de rouleaux dont l’axe principal est orienté perpendiculairement à la direction de débattement. 
D’après nos observations, la densité de rouleaux semble d’autant plus importante que la phase n°2 s’écoule. 
On note que la présence des rouleaux est moins importante sur les surfaces du bloc en raison d’une plus 
faible durée de sollicitation que celle du tourillon. Avant d’aborder la phase n°3, les surfaces sont très 
largement couvertes de rouleaux qui ont été écrasés et/ou cisaillés. Ces observations confirment l’hypothèse 
d’extrusion des fibres formulée par Ganne-Chedéville [5]. 
4 Morphologie du joint de soudure 
Les essais expérimentaux menés ont permis de montrer qu’un assemblage soudé pouvait être obtenu en 
stoppant le frottement des pièces à un temps proche de celui du point B de la figure 3, puis en appliquant 
pendant une minute une pression supplémentaire, dite pression apparente de maintien, afin de solidifier le 
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3ème corps. La figure 5 donne un aperçu d’un assemblage soudé par frottement ainsi que la morphologie du 
cordon de soudure dans un plan perpendiculaire à la direction de débattement. 
 
FIG. 5 – Photographie d’un contact soudé avec une pression apparente initiale de 2.4 MPa appliquée pendant 
5,2 s et une pression apparente de maintien de 2.8 MPa appliquée pendant 1 min (a), et projection 2D 
obtenue par tomographie aux rayons X de l’assemblage dans un plan radial du tourillon et perpendiculaire à 
son déplacement (b). Les ovales indiquent les zones d’imprégnation du 3ème corps dans les porosités du hêtre. 
La figure 5b permet de constater l’établissement continu du 3ème corps entre les deux surfaces, formant un 
cordon de soudure d’une épaisseur moyenne d’environ 300 µm. Néanmoins, de nombreuses porosités du 
cordon ont été observées sur d’autres coupes situées à proximité des bords du tourillon. Le plus grand intérêt 
de cette caractérisation non destructive de l’assemblage est de mettre en évidence l’existence de sites 
d’imprégnation du 3ème corps dans les porosités du hêtre qui, à notre connaissance, n’ont pas été observés 
dans d’autres études. Par augmentation de la surface de contact entre les deux pièces, ces sites 
d’imprégnation auront probablement un effet bénéfique sur la tenue mécanique de l’assemblage. 
5 Résistance mécanique des assemblages 
Des essais de traction uniaxiale ont été réalisés sur 5 assemblages soudés avec une pression apparente initiale 
de 2,1 MPa jusqu’au point B précédemment défini (temps allant de 3,9 à 4,7 s), suivi d’une pression de 
maintien de 2 MPa pendant 3 min. Les contraintes de rupture apparentes obtenues varient sur une large plage 
allant de 0,6 à 6,1 MPa. Cette variabilité a été attribuée à la variation de la qualité de l’interface (porosités du 
cordon, sites d’imprégnation…). 
6 Conclusions 
Une approche expérimentale novatrice du procédé de soudage du bois par frottement a été proposée. L’étude 
du coefficient de frottement au cours du procédé s’est avéré être particulièrement intéressante en vue de 
décrire l’évolution de l’interface. On retiendra en particulier l’existence d’un minima dans la courbe µmoy (t) 
aisément identifiable et qui témoigne d’un changement phénoménologique caractérisé par la destruction d’un 
3ème corps. En amont de ce minima, la diminution progressive du coefficient de frottement a été attribuée à la 
production de rouleaux ligneux et/ou hémicellulosiques dans l’interface qui ont pu être observés, et qui 
valident les prédictions de Pizzi et al. La détermination de ce minima s’avère donc intéressante en vue de 
déterminer le temps optimum de soudage de divers assemblages en bois. Enfin, la caractérisation non-
destructive des cordons de soudure par tomographie aux rayons X a permis de mettre en évidence un 
phénomène d’infiltration du 3ème corps dans les fibres poreuses du matériau ainsi que l’existence de porosités 
dans la jonction. Ces deux aspects jouent alors un rôle prépondérant sur la contrainte mécanique admissible 
des assemblages. 
Références  
[1] : P. Omrani, E. Masson, A. Pizzi, H.R. Mansouri, Emission of gases and degradation volatiles from 
polymeric wood constituents in friction welding of wood dowels, Polymer Degradation Stability, vol. 93, pp. 
794-799, 2008. 
[2] : Fiche technique du CIRAD, http://tropix.cirad.fr/tempere/HETRE.pdf, 2008. 
[3] : Fiches techniques du CNDB, http://www.cndb.org/?p=fiches_essences, 2010. 
[4] : J. Baruchel, J-Y. Buffière, E. Maire, P. Merle, G. Peix, X-ray tomography in material science, Hermes 
Science Publications, 203 p., Paris, 2000. 
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[5] : C. Ganne-Chedéville, Soudage linéaire du bois : étude et compréhension des modifications physico-
chimiques et développement d’une technologie d’assemblage innovante, thèse de doctorat, Université Henri 
Poincaré, Nancy, 2008. 
[6] : C. Ganne-Chedéville, J-M. Leban, M. Properzi, F. Pichelin, A. Pizzi, Temperature and density 
distribution in mechanical vibration wood welding, Wood Science Technology, vol. 40-1, pp. 72-76, 2005. 
[7] : A. Pizzi, J-M. Leban, C. Ganne-Chedéville, M. Properzi, L. Delmote, F. Pichelin, Le soudage du bois 
par friction, Techniques de l’ingénieur, IN59, 7p., 2006. 
 
 
 


Approche tribologique du soudage du bois par frottement

http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/2042/46775/1/cfm2011_1123.pdf

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