Développement d’outils pour l’estimation des vitesses en surface du bain métallique

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

Méthode basée sur l’étude du profil de raie

Les forces d’interaction entre particules et l’agitation thermique dans le plasma provoquent des élargissements des raies spectrales et modifient leurs profils. L’analyse du profil des raies permet de remonter aux grandeurs qui en sont à l’origine. Plusieurs processus d’élargissement sont distingués. Ces types d’élargissement sont présentés ci-dessous mais leur formalisme ne sera pas détaillé. Des précisions peuvent être trouvées dans la littérature [Vac00][Fre02].
– l’élargissement naturel : le niveau de l’atome émetteur possède une certaine durée de vie.
L’élargissement naturel est la conséquence de la distribution de l’émission des électrons autour du temps moyen de durée de vie. Cette dispersion reste néanmoins très faible (10-4Å) et est négligeable devant les autres causes d’élargissement.
– l’élargissement Doppler : il est créé par le mouvement des atomes émetteurs par rapport à  l’observateur supposé immobile. Pour une raie dont la répartition serait une fonction de Dirac centrée sur λ0, l’élargissement Doppler conduit à une distribution de type gaussienne. Cet élargissement permet de mesurer la température des atomes émetteurs (particules lourdes) qui dans certains cas, se confond avec la température électronique. Cependant, l’élargissement Doppler reste assez faible pour la plupart des plasmas de laboratoire et difficilement discernable si, à cela, se superposent les autres causes d’élargissement.
– l’élargissement collisionnel : il est dû aux interactions entre l’atome émetteur et les autres particules qui l’entourent. L’interaction avec des particules neutres donne naissance à des effets du type Van der Waals et Stark dans le cas des particules chargées. Une distinction est faite dans le calcul des élargissements selon qu’il s’agit d’interactions avec des particules légères (électrons) ou lourdes (ions). Dans tous les cas, les profils engendrés sont de type Lorentzien.
– l’élargissement dû à l’instrument de mesure : les spectromètres utilisés expérimentalement produisent un élargissement de type gaussien du spectre d’émission qui en théorie est un pic de Dirac pour une transition parfaitement monochromatique. Cet élargissement « expérimental » est appelé fonction d’appareil du spectromètre. Son profil peut être déterminé en utilisant une source lumineuse produisant des raies de très faibles largeurs spectrales telle qu’une lampe à vapeur métallique basse pression. Ainsi la mesure de la largeur à mi-hauteur de la raie est environ égale à la largeur de la fonction d’appareil du monochromateur. Pour une ouverture de fentes et une longueur d’onde donnée, le profil d’une raie est enregistré et la largeur totale à mi-hauteur de ce profil est mesurée. Quand l’effet Stark prédomine, ce qui est généralement le cas pour les arcs électriques, l’élargissement observé dépend essentiellement de la densité électronique et très peu de la température. La largeur des raies observées permet alors d’obtenir directement la densité électronique, quelle que soit sa température ou sa composition chimique.
Une méthode basée sur l’élargissement des profils de raies permet de déterminer simultanément la densité électronique et la température [Tor03]. La dépendance de l’élargissement Stark en fonction de la densité électronique et de la température pour deux raies donne lieu à un système de deux équations où les deux inconnues sont la température et la densité électronique. Le formalisme de cette méthode est détaillé dans les travaux de thèse de Valensi [Val07]. Dans ses travaux, la méthode est appliquée à une configuration de soudage MIG-MAG au sein de laquelle la forte proportion de fer dans le milieu exclut l’utilisation de la méthode de Fowler-Milne. Cette méthode nécessite de connaître la dépendance de l’élargissement Stark en fonction de la température. Les données pour la raie d’argon 696.54nm et du fer 538.34nm ont été mesurées expérimentalement et peuvent être trouvées dans la littérature [Pel96][Les90]. Les raies spectrales doivent donc faire l’objet d’une étude attentive avant d’être utilisées.

Mise en œuvre expérimentale

Présentation du dispositif optique

La détermination des champs de température de la décharge nécessite de collecter le rayonnement issu du milieu plasma. Pour cela, un dispositif optique permet de récupérer la lumière émise par le plasma et de l’amener jusque sur la fente d’entrée du monochromateur. Le monochromateur utilisé est un spectromètre ACTON SP2758i de focale 750mm et équipé d’une tourelle de trois réseaux interchangeables (300, 1200 et 2400 traits par millimètre) pouvant couvrir une gamme spectrale allant de 200 à 900nm. Le réseau essentiellement utilisé pour les mesures spectroscopiques est le réseau à 1200 traits par millimètre. Il comprend des fentes d’entrée et de sortie qui sont dans des plans conjugués l’un de l’autre au moyen d’un système optique constitué de deux miroirs toroïdaux et d’un réseau plan. Le système dispersif (réseaux) peut tourner de manière à orienter une longueur d’onde donnée vers la fente de sortie. Les fentes du monochromateur mesurent 14mm de hauteur et ont une amplitude d’ouverture allant de 10µm à 3mm. Ce spectromètre a la particularité d’être un imageur.
En sortie du monochromateur, une matrice de photodiodes récupère le signal lumineux et le convertit en signal électrique. Ce détecteur est une matrice CCD PIXIS-1024F de chez Roper Scientific (Princeton Instruments). Sa cellule photosensible de type ‘Front Illuminated’ est une matrice composée de pixels carrés de 13µm. Elle comporte 1024 lignes et 1024 colonnes. La matrice a une capacité de réponse sur une large plage de longueur d’onde (400 à 1080nm), cependant son efficacité est maximale autour de 600nm. Cette matrice est reliée à un ordinateur par lequel les acquisitions sont réalisées. Le dispositif général est présenté sur la figure ci-dessous:
Le système optique est constitué de trois lentilles (L1, L2, L3), un miroir plan (M), un prisme (P) et un iris (i). L’obtention d’un champ de température total de la décharge, c’est-à-dire une valeur de température pour chaque couple de point (r,z), nécessite l’acquisition sur toute la hauteur de l’arc (suivant l’axe z) et sur le diamètre de l’arc (suivant l’axe r). Le balayage en hauteur de l’arc est effectué à l’aide des moteurs pas à pas installés sur la torche. Ce n’est donc pas le système optique qui se déplace mais le plasma lui-même. Pour éviter d’avoir à balayer l’arc radialement, un Dove prisme a été ajouté au système optique de manière à renverser l’image de l’arc et à obtenir sur les fentes d’entrées du monochromateur la totalité de la section plasma (figure 1.6).
Les caractéristiques des lentilles et leur disposition sur le banc optique ont été déterminées en prenant en compte différents types de contraintes :
– le grandissement total du dispositif est déterminé par la hauteur des fentes d’entrées du monochromateur qui doit recevoir la totalité de la section du plasma,
– la longueur totale du trajet optique est conditionnée par la disposition de la salle d’expérimentation,
– le choix des focales et des diamètres des lentilles est dépendant de l’offre disponible chez les fournisseurs.
Le grandissement total du système optique est défini comme le rapport entre la taille de l’image ̅̅̅̅̅̅′′ sur la taille de l’objet ̅̅̅̅. La taille maximale de l’image pouvant être obtenue sur cette configuration correspond à la hauteur des fentes soit 14mm. Par mesure de sécurité, la taille maximale de l’image est fixée à 10mm. L’objet quant à lui correspond à l’étalement radial maximal de l’arc . En général, l’étalement de l’arc est défini comme le rayon correspondant à l’isotherme 10000K qui équivaut au rayon d’accroche de l’arc. Il est de l’ordre de 10mm dans les cas classiques (arc de 5mm dans l’argon à un débit de 10l/min sous une intensité de 200A). L’étalement radial maximal a été choisi à 30mm. Il est largement surestimé pour s’assurer d’obtenir la totalité de la section plasma quelles que soient les conditions opératoires (nature du gaz ou intensité du courant pouvant par exemple influer sur la forme d’arc) sur toute la hauteur des fentes et ne pas perdre une partie du signal. Le grandissement maximal ( ) envisagé est donc de 0.3.

Caractéristiques du système optique

Le système optique ainsi mis en place peut être caractérisé en termes de grandissement et de résolution spatiale. La fonction d’appareil du monochromateur ainsi que la réponse complète de la chaîne d’acquisition en fonction de la longueur d’onde sont également des informations utiles pouvant conditionner le choix de l’utilisation de certaines méthodes.

Grandissement

Une fois l’alignement des optiques réalisé, une image nette est obtenue sur la matrice CCD. La figure 1.9 présente l’image d’une pointe de cathode de 3.2mm affutée à 60 degrés. Pour réaliser cette image, la pointe est éclairée par une lumière blanche, les fentes du monochromateur sont entièrement ouvertes et le réseau centré à l’ordre 0.

Température de la décharge

Dans cette section sont présentés les résultats obtenus dans le cas de l’interaction d’un arc d’Arcal37 en interaction avec un acier 304L sous une intensité de 100A. Les acquisitions ont été effectuées avec le dispositif expérimental décrit dans le paragraphe III. La tension d’arc a également été mesurée ( = 15.5 ) pour s’assurer de la possibilité de l’utilisation de la raie d’argon neutre selon les critères établis ci-dessus. L’intensité étant de 100A, la puissance injectée à l’arc est de 1550W, ce qui correspond à la gamme de puissance pour laquelle la teneur en fer dans le milieu n’affecte pas significativement l’émissivité de la raie 696.54nm.

Traitement des données spectroscopiques

Comme cela a été évoqué lors de la présentation de la mise en œuvre expérimentale, les acquisitions ont été réalisées sur toute la hauteur du plasma : les informations sont obtenues sur 5mm de hauteur par pas de 0.25mm. La figure 1.18(a) présente l’image d’une côte de plasma obtenue sur la matrice. Pour faciliter l’observation, l’image est représentée sur une matrice réduite. L’échelle de couleur caractérise l’intensité de la raie en fonction de sa position spatiale (rayon) et de la longueur d’onde. Le centre de l’image (en blanc) est le lieu où l’émission de la raie est maximale et correspond au cœur de la colonne d’arc. Les zones en bleu sont représentatives d’une plus faible intensité correspondant notamment à l’émission de la raie en périphérie de l’arc. La figure 1.18(b) représente l’intensité de la raie en fonction de la longueur d’onde pour une ligne de la matrice (i.e un point du plasma), matérialisé par la flèche rouge. L’élargissement du profil de la raie observé fait suite aux contributions qui ont été détaillées dans le paragraphe II, notamment par la fonction d’appareil. À titre d’information, la largeur à mi-hauteur de cette raie est de 4 pixels soit 0.05nm.

Comportement du bain liquide

Le bain de fusion se définit comme le volume impliqué dans la géométrie de la soudure. Il dépend de différents paramètres tels que la forme et la température de l’arc et des mouvements qui l’animent. Ces mouvements proviennent de différentes forces s’exerçant au sein du liquide et en surface qui, selon leurs orientations, conditionnent l’allure mouillante ou pénétrante du volume en fusion. Les sections ci-dessous présentent les différentes forces qui s’exercent à l’interface entre l’arc et le liquide puis dans le volume en précisant leur influence sur la morphologie du bain.

Forces surfaciques

Pression d’arc

Les forces de pression résultent de l’action de forces perpendiculaires à une surface. Dans une configuration de soudage, le fluide mis en mouvement dans le plasma percute la zone liquide et conduit, selon sa vitesse, à une déformation de la surface. Cette pression d’arc dépend de paramètres tels que la longueur d’arc, l’intensité du courant [Hsu83] [Fan96] [Rok93]. Ces auteurs s’accordent à dire qu’à faible courant, pour une longueur d’arc donnée, la pression d’arc a une influence quasi nulle sur la pénétration du bain alors qu’elle est prédominante à fort courant. De même, à intensité constante, l’allongement de l’arc provoque une augmentation des forces de pression en surface et conduit donc à un courant pénétrant.

Forces de cisaillement

Les forces de cisaillement sont le résultat du passage du gaz plasmagène en surface du bain. Pour un arc symétrique, ces forces créent un mouvement de convection orienté du centre vers la périphérie du bain. Ceci conduit à des mouvements mouillants et donc à un élargissement du bain. Cette force est liée à la viscosité et dépend donc de la nature du gaz et de son débit. Certains travaux se sont intéressés à l’influence de la nature du gaz sur les vitesses en surface du bain induites par ces forces de cisaillement : le passage de l’argon à l’hélium pour un même courant et une même longueur d’arc (150A, 5mm) modifie la valeur de vitesse de 47 à 11 cm.s-1 [Tan07]. Par ailleurs, il semble que pour une intensité de courant inférieure à 300A, les forces de cisaillement produisent des effets négligeables sur la morphologie du bain [Cho91]. Il faut cependant noter que ces conclusions ont été déduites de tests menés sur un arc court (1,5mm). L’augmentation de la longueur d’arc semble conduire à une augmentation des forces de cisaillement, cette conclusion doit être prise avec précaution.

Forces thermocapillaires ou de Marangoni

Les mouvements de Marangoni résultent des modifications de la tension de surface. Selon l’orientation de ces mouvements de convection et s’ils sont suffisamment intenses, les morphologies de bain obtenues sont différentes. La tension superficielle ou tension de surface est une force dirigée vers le liquide qui modifie la forme de l’interface entre deux milieux. Elle est notée et dépend de la température et de la nature du matériau. La différence de température au sein du bain entraîne des mouvements convectifs dépendant du gradient de tension de surface au travers du signe du coefficient de Marangoni . Trois cas, représentés sur la figure 2.1 sont distingués :
– la tension de surface diminue avec la température (figure 2.1(a)): le bain est plus chaud au centre ( ) qu’en périphérie ( ) induisant une tension de surface plus faible au centre ( ) qui conduit à des mouvements dirigés du centre vers les bords. Les mouvements de Marangoni ont une allure mouillante.
– la tension de surface augmente avec la température (figure 2.1(b)): il s’agit du phénomène inverse de celui décrit ci-dessus. Les mouvements sont dirigés des bords du bain vers le centre. Les mouvements de Marangoni sont pénétrants.
– la tension de surface augmente puis diminue avec la température (figure 2.1(c)): les deux effets sont présents entrainant un phénomène de double vortex. La température pour laquelle la dépendance en température de la tension de surface est modifiée est appelée température d’inversion ( ).

Caractérisation de l’interface

Dans le procédé TIG, le transfert d’énergie entre l’arc et l’anode crée un bain de fusion qui est le siège de différents mouvements. Ces mouvements affectent la morphologie de la soudure, une fois le métal solidifié. La compréhension des mécanismes régissant le procédé passe par l’étude de cette zone liquide pendant son interaction avec l’arc. La première section est consacrée aux travaux théoriques relatifs à l’étude du bain liquide. La seconde section s’intéresse aux travaux expérimentaux permettant de caractériser les mouvements présents dans le bain de fusion à travers les différentes méthodes de diagnostic pouvant être utilisées.

Les travaux théoriques

Comme évoqué au Chapitre 1, la prise en compte du couplage entre l’arc et le matériau en incluant une description de l’hydrodynamique dans la modélisation du matériau permet d’étudier les mouvements présents dans le bain liquide. Ces modèles s’intéressent à l’effet des paramètres opératoires sur la forme des bains mais également à la prépondérance des forces qui ont été présentées dans le paragraphe I et aux vitesses qu’elles engendrent. Un des intérêts de la simulation numérique est de pouvoir isoler certains paramètres afin d’en observer les effets. Par exemple, l’étude des contributions de chaque force pour un plasma d’Arcal37 de 5mm en interaction avec un acier 304 à haute teneur en soufre (200ppm) sous une intensité de 200A a montré que la force de Marangoni était la plus influente en ayant tendance à augmenter les vitesses et la largeur du bain [Mou13a]. La figure 2.5 illustre le type de résultats pouvant être obtenus par modélisation, lorsque toutes les forces sont prises en compte. La partie gauche de la figure représente la distribution des températures dans le bain. La température est maximale en surface et au centre du bain où elle atteint les 2937K. La partie droite représente la distribution des vitesses dans le bain. Les vitesses maximales estimées pour ce cas sont de l’ordre 45cm.s-1. Il faut noter que l’échelle de couleurs relatives aux vitesses a été limitée à une valeur plus basse que la valeur maximale réelle de manière à avoir une meilleure lecture de la distribution de ces vitesses dans le volume.

Les travaux expérimentaux

Différentes méthodes de diagnostic existent pour caractériser les mouvements du bain et leur vitesse. Les méthodes utilisées dans les travaux de la littérature sont essentiellement basées sur le suivi de particules. Ce dernier peut être fait à partir des oxydes naturels présents dans le matériau qui se détachent et naviguent en surface lors de la fusion du métal. Dans ce cas, une particule ou un agglomérat de particules est suivi sur plusieurs images consécutives. En connaissant la distance parcourue et le temps écoulé entre les images, la vitesse de la particule peut être estimée. Les travaux de P Henrikson ont été réalisés sur un arc d’argon de longueur 1.6mm en interaction avec une anode en acier 316L. Une lampe à vapeurs de mercure éclaire la surface du métal et les images récupérées par caméra rapide ont permis d’évaluer des vitesses maximales en périphérie du bain de l’ordre de 13cm.s-1 [Hen05]. De la même manière, des vitesses de l’ordre de 22cm.s-1 ont été estimées pour un arc d’argon de 4mm en interaction avec un acier HY80 [Esp91]. Sur le même principe, il est possible de déposer au préalable une fine couche d’oxyde en surface de l’anode jouant le rôle de « particules traceuses ». La région d’intérêt est illuminée et une image de cette région est acquise à deux instants différents. L’analyse de ces images conduit à une représentation des vecteurs vitesses instantanées. La figure 2.6 présente le type de dispositif expérimental mis en place pour l’utilisation de cette technique. Le système d’illumination utilisé ici est un laser He-Ne de 10mW et une caméra rapide dotée d’un filtre 632nm récupère les images. Les auteurs précisent observer différents types d’écoulements durant leurs acquisitions (mouvements dirigés du centre vers la périphérie, de la périphérie vers le centre et mouvements rotationnels). Les valeurs de vitesses obtenues par cette méthode dans le cas d’un arc d’argon de 3mm en interaction avec une anode en acier 316L sous une intensité de 80A sont de l’ordre de 10cm.s-1[Zah09a]. Ces méthodes de suivi de particules permettent de caractériser les mouvements en surface du bain et d’en estimer les vitesses de déplacement mais ne garantissent pas que les vitesses évaluées correspondent bien au mouvement du fluide et non pas aux particules elles-mêmes. De plus, le dépôt d’une couche d’oxyde en surface du matériau pose la question de l’intrusivité de cette méthode vis-à-vis de l’influence de certains types d’éléments sur les courants de Marangoni notamment.
L’autre méthode de diagnostic envisagée dans la littérature repose sur la reconstruction 3D par stéréovision [Zha09b] ou par projection d’une lumière structurée [Son07]. La première méthode consiste à reconstruire une structure 3D à partir de plusieurs images obtenues sous différents angles. La technique mise en place par ces auteurs est réalisée sur une configuration de soudage laser et utilise un jeu de miroir pour obtenir les différents angles de vue en n’utilisant qu’une seule caméra. Les vitesses obtenues sont de l’ordre de 1m.s-1. L’obtention d’une lumière structurée est réalisée en projetant un motif laser (points, lignes) en surface du bain métallique. La projection de ce motif, déformé et réfléchi par la surface de bain métallique qui se comporte comme un miroir est récupérée par imagerie rapide. La figure 2.7(a) présente le type de dispositif mis en place pour l’utilisation de cette technique ainsi que le type de motif laser utilisé dans ce cas (figure 2.7(b)). Chaque point réfléchi est relié à son rayon incident et la surface est ensuite reconstruite à l’aide d’algorithmes développés par les auteurs qui leur permettent de déduire les caractéristiques du bain (profondeur, diamètre). Cette méthode ne donne néanmoins pas d’indication sur la vitesse d’écoulement en surface ou à l’intérieur.

Étude de la surface du bain métallique

Dans ces travaux de thèse, deux méthodes de diagnostic basées sur le suivi de l’intensité des pixels par imagerie rapide sont présentées. Dans un premier temps, la mise en œuvre expérimentale est détaillée puis le développement de ces méthodes et de leur application pour l’estimation des vitesses en surface du bain métallique sont décrites.

Mise en œuvre expérimentale

L’étude de la surface du bain métallique pendant la phase d’arc nécessite l’utilisation d’une caméra rapide. La caméra utilisée pour ces mesures est une caméra rapide Fastcam SA5 de chez Photron. Elle permet d’atteindre des vitesses d’acquisitions de 1000000 images par secondes. Sa cellule photosensible est une matrice composée de pixels carrés de 20µm de côté. Elle comporte 1024 lignes et 1024 colonnes et peut fonctionner à pleine résolution jusqu’à une vitesse de 7000 images par seconde. La matrice a une capacité de réponse sur une large plage de longueur d’onde (400 à 900nm), cependant son efficacité est maximale autour de 650nm. Un objectif macro de focale 105mm vient équiper cette caméra.
La caméra est positionnée au plus proche du bain pour avoir la meilleure définition possible. Cette distance est de l’ordre de 25cm sur la configuration à arc transféré et de 15cm sur la configuration TIG : dans le premier cas, l’enceinte contenant l’arc limite l’approche ; dans le second, un positionnement plus proche dégraderait rapidement le matériel. Les résolutions spatiales obtenues à de telles distances sont de 47µm (resp. 25µm) suivant la direction horizontale de l’image et de 100µm (resp. 40µm) suivant la direction verticale sur la configuration à arc transféré (resp. configuration TIG). Sur les deux configurations, l’enjeu est d’obtenir une image nette de la surface du bain métallique sans être gêné par la présence de l’arc. Différents tests ont été menés afin de définir les paramètres de réglage de la caméra. Les conditions suivantes sont requises pour la meilleure observation possible :
– une vitesse d’acquisition de 10000 à 15000 images par seconde. Au-delà, la taille de champ devient trop réduite et une partie du bain peut être masquée. La vitesse d’acquisition n’a cependant pas une grande influence sur l’observation des mouvements.
– un temps d’exposition réduit (~1/2000000 sec) pour figer au mieux les mouvements et faciliter leurs observations,
– une fermeture maximale du diaphragme de la caméra de manière à avoir une profondeur de champ optimale et donc une observation nette sur la plus grande surface possible,
– un nombre d’images enregistrées suffisant (au minimum 2000) pour pouvoir appliquer les méthodes développées et décrites au paragraphe suivant.
La fermeture maximale du diaphragme ainsi que le choix d’un faible temps d’exposition permettent d’atténuer une partie de la lumière émise par le plasma. Il faut néanmoins ajouter une densité neutre (ND8) sur l’objectif pour améliorer la visibilité en surface du bain métallique.
L’observation des mouvements en surface du liquide sur la configuration TIG nécessite l’addition d’un système d’illumination du bain pour obtenir une meilleure visualisation. Le système utilisé pour éclairer la surface du bain est une lampe halogène de puissance 1000W. Ce dernier n’a pas été nécessaire sur la configuration à arc transféré. En effet, l’enceinte contenant l’arc a tendance à agir comme système réfléchissant et à éclairer la surface du bain.

Développement d’outils pour l’estimation des vitesses en surface du bain métallique

Jusqu’alors, la vitesse en surface du bain était mesurée en analysant le déplacement du front d’une vaguelette sur plusieurs images consécutives extraites des acquisitions par imagerie rapide. Cette méthode donnait une bonne estimation des valeurs de vitesse puisqu’elles étaient en accord avec les valeurs avancées par les modèles numériques ou le peu de travaux expérimentaux trouvés dans la littérature. Cependant, il s’agissait d’une méthode fastidieuse et très consommatrice en temps puisqu’elle était réalisée manuellement sur des acquisitions vidéo comportant environ 3000 images. Néanmoins, elle reste une méthode valable et est utilisée comme référence pour valider les deux méthodes de diagnostic développées et décrites ci-après. La première méthode utilise la différence de phase obtenue par transformée de Fourier des signaux extraits de deux pixels et a été développée à partir de travaux existant dans la littérature pour d’autres applications [Cou95][Hli96]. La seconde consiste à suivre l’évolution de l’intensité des pixels sur un segment d’image. Ces méthodes sont présentées dans les sections ci-dessous.

Caractérisation de la zone fondue : les travaux théoriques et expérimentaux

Lors du processus de soudage, le transfert d’énergie entre l’arc et la pièce à souder entraine une modification de la structure cristalline du matériau. Lors du refroidissement, le métal garde trace des contraintes qu’il a subies pendant le procédé. L’analyse de la structure interne du matériau permet de mettre en évidence les différentes zones liées au changement de phase du métal soudé (cf. Chapitre 0) et donc d’accéder aux grandeurs géométriques caractérisant la zone fondue : largeur, profondeur, volume. Par ailleurs, le choix des paramètres opératoires de soudage influe sur la forme finale de la soudure. Les sections ci-dessous présentent les travaux théoriques et expérimentaux relatifs à l’étude des dimensions du bain de soudure et aux effets des différents paramètres opératoires sur ces dimensions.

Dimensions de la zone fondue

Dans les chapitres précédents, l’importance de l’utilisation d’un modèle couplant le plasma et le matériau ainsi que la prise en compte de la dynamique du bain de soudure et des vapeurs métalliques pour une bonne description de la morphologie de la soudure a été mise en avant. Ce type de modèle est donc capable de décrire les phénomènes de brassage dans le bain et également d’obtenir les caractéristiques des soudures qui en résultent. La figure 3.1(a) présente une vue de dessus de la zone fondue résultant de l’interaction d’un arc d’argon de longueur 5mm avec un acier 304 (200ppm de soufre) sous une intensité de 150A [Mou13-a]. L’isotherme 1727K représente le front de fusion de l’acier 304 et l’isotherme 761K est supposée indiquer le début de la zone affectée thermiquement (ZAT). L’isotherme 1727K permet de déduire le diamètre correspondant au bain liquide. Le diamètre obtenu dans ce cas est de 6.88mm après 1 seconde d’interaction. Il est également représenté sur cette figure une vue en coupe (figure 3.1(b)) permettant d’estimer, avec cette même isotherme, les dimensions de la zone fondue lors de l’interaction d’un arc d’argon de longueur 5mm avec un acier 304 (200ppm de soufre) sous une intensité de 200A [Mou13-a]. Le diamètre obtenu dans ce cas est de 9.2mm et la profondeur de pénétration du bain est de 1mm au centre et de 1.44mm en périphérie après 2 secondes d’interaction. Il est intéressant de noter l’influence de l’intensité sur la valeur des diamètres de bain et l’impact du temps d’interaction sur cette grandeur.
Certaines études s’intéressent en effet à l’influence du temps d’interaction sur les profils de bains. Les travaux de M Dal et al. [Dal14] concernent l’estimation de l’avancée du front de fusion par l’utilisation d’une méthode inverse dans le cas de l’interaction d’un arc d’argon de longueur 1.2mm un acier 316L sous une intensité de 150A à 9 et 20 secondes. Cette méthode nécessite un certain nombre de paramètres d’entrée obtenus expérimentalement : la température mesurée en différents points du matériau à l’aide de thermocouples introduits dans l’échantillon, l’évolution du front de fusion en surface du matériau par imagerie rapide et la forme du front de fusion dans le matériau à l’instant final par la réalisation de coupes macrographiques. Ce type de coupe est utilisé dans de nombreux travaux expérimentaux dès qu’il s’agit d’étudier les dimensions de la zone fondue. Sa mise en œuvre sera détaillée par la suite (paragraphe II.1) puisqu’elle fait partie des techniques employées dans ces travaux de thèse.
(a) sous une intensité de 150A après 1 seconde d’interaction, vue de dessus (b) sous une intensité de 200A après 2 secondes d’interaction, vue en coupe [Mou13-a]

Influence des paramètres opératoires

L’effet des paramètres opératoires sur la forme de la zone fondue ainsi que sur l’énergie transmise à la pièce font l’objet de nombreux travaux dans la littérature. L’énergie transmise à la pièce peut être déterminée expérimentalement par l’estimation de la densité de flux de chaleur en surface de l’anode à partir de mesures calorimétriques effectuées durant le procédé. Les résultats théoriques et expérimentaux trouvés dans la littérature concernant les effets des paramètres opératoires sur l’allure de la zone fondue sont synthétisés ci-dessous. Cette synthèse n’est pas exhaustive et se limite aux paramètres qui seront étudiés dans le paragraphe II.3 et qui serviront de base pour la discussion.
– intensité du courant : les auteurs s’accordent à dire que l’augmentation de l’intensité du courant entraîne une augmentation de la densité de flux de chaleur à l’anode et provoque un étalement radial de cette dernière plus important. Cependant, un écart dans les comportements est observé : l’augmentation de la densité de flux de chaleur à l’anode en fonction de l’intensité du courant sur une gamme de courants allant de 100A à 300A apparaît linéaire dans certains travaux [Tsa85] alors qu’elle semble stagner dans d’autres [Nes62]. Il est possible que la disparité des autres paramètres opératoires utilisés (longueur d’arc, angle d’affutage de l’électrode) soit à l’origine de ces différences. En ce qui concerne son effet sur la forme du bain, il est difficile de dégager un comportement précis. En effet, l’augmentation de l’intensité du courant modifie le rapport des forces s’exerçant dans le bain et en surface et affecte la forme du bain obtenue de manière parfois peu intuitive selon le choix des autres paramètres opératoires [Bro09].
– longueur de l’arc : l’augmentation de la longueur de l’arc provoque une élévation de la puissance totale à travers l’augmentation de la tension d’arc mais influe peu sur l’énergie transmise à la pièce : il est observé une diminution du maximum de la densité de flux de chaleur transmise à la pièce mais un étalement radial plus important [Tsa85]. Par ailleurs, l’allongement de l’arc induit une vitesse dans le plasma plus élevée conduisant à une augmentation des forces de cisaillement. Il semblerait que les effets de cette force deviennent prédominants devant les autres pour des arcs longs (>8mm). A l’inverse pour des arcs courts (<3mm), la pénétration deviendrait plus importante [Bro09].
– nature du gaz : le changement de la nature du gaz modifie la tension d’arc et donc la puissance totale appliquée. L’utilisation d’argon enrichi en hélium, en hydrogène ou en oxygène provoque une augmentation du maximum de la densité de flux de chaleur à l’anode tout en conservant un étalement radial similaire impliquant une énergie transmise à la pièce plus importante [Mur10]. De plus, le passage de l’argon à l’hélium a montré une influence notable sur les pénétrations [Tan07][Tan08].
– angle d’affutage de la cathode : l’angle d’affutage est décrit comme l’angle d’ouverture totale du cône défini par la pointe. L’augmentation de l’angle de l‘affutage de la cathode conduit à une diminution de la tension d’arc et donc de la puissance totale. Pour une longueur d’arc donnée, l’augmentation de l’angle conduirait à une diminution du maximum de densité de flux de chaleur en surface de la pièce et à un étalement plus important impliquant donc une faible modification de l’énergie transmise [Tsa85]. Par ailleurs, le maximum de densité de flux de chaleur à la pièce serait maximal pour un angle d’affutage de 60° et serait d’autant plus marqué que l’arc est court (~2mm) [Goo98]. En ce qui concerne ses effets sur la forme du bain, certains auteurs mettent en avant une perte de pénétration avec une augmentation de l’angle d’affutage alors que d’autres n’y voient pas d’effet [Per00].
L’analyse des travaux de la littérature montre l’intérêt porté à ce type d’étude. En effet, la compréhension de l’influence des paramètres opératoires sur la forme de la zone fondue est un point qui semble essentiel dans l’optimisation d’un procédé (obtention de la soudure souhaitée, gain de productivité..). Cependant, la disparité des conditions opératoires trouvées et leur interdépendance conduisent parfois à des résultats contradictoires lors de l’analyse des travaux de la littérature. Les études présentées ci-après proposent d’analyser le comportement de la zone fondue en fonction du temps d’interaction puis l’effet de ces quatre paramètres opératoires.

Étude temporelle de la zone fondue

L’objectif de cette étude est d’observer l’évolution de la zone fondue en fonction du temps d’interaction (de 1 à 20 secondes par pas de 4 secondes). Dans un premier temps, la mise en œuvre expérimentale est décrite. Le traitement des informations obtenues pour un jeu de paramètres est ensuite détaillé et les résultats obtenus sont présentés et discutés.

Mise en œuvre expérimentale

Différents points sont analysés :
– l’évolution du diamètre du bain métallique pendant la phase d’arc,
– l’observation des dimensions en surface de la zone fondue à l’instant final,
– l’obtention des dimensions internes de la zone fondue (diamètre et profondeur) à l’instant final.
Les sections ci-dessous présentent les moyens d’études mis en place pour accéder à ces informations.

Expansion du bain métallique

L’observation de l’expansion du bain métallique est réalisée par imagerie rapide. La caméra rapide effectue des paquets d’environ 5000 images à intervalles réguliers durant la totalité de l’interaction. Ces séries d’images sont réalisées au travers d’un système permettant de déclencher les acquisitions à des intervalles prédéfinis durant le temps souhaité. Le temps « zéro » est synchronisé avec l’amorçage de l’arc. Les intervalles d’acquisitions dépendent du temps total de l’interaction : pour des temps inférieurs ou égaux à 8 secondes, les paquets d’images sont réalisés toutes les secondes alors que pour des temps supérieurs, ils sont effectués toutes les deux secondes, l’espace mémoire de la caméra ne permettant pas de faire plus de dix groupements d’images. Ce système d’acquisitions multiples durant la totalité d’une expérience permet d’obtenir des informations tout au long de la phase d’arc. Les informations sont donc connues à des instants communs à plusieurs expériences, permettant ainsi de réaliser une statistique sur l’évolution du diamètre du bain. Par exemple, pour deux expériences menées sur 8 et 20 secondes, l’information sera connue dans les deux cas à {0 ; 2 ; 4 ; 6 secondes}. La figure 3.2 présente le principe d’acquisition des images. La figure 3.2(a) schématise (zone grisée) une acquisition sur un temps total de 8 secondes et la figure 3.2(b) une acquisition sur un temps total de 20 secondes. Les traits verticaux matérialisent les paquets d’images réalisées par la caméra rapide avec les intervalles définis pour ces deux temps d’interaction : en orange ceux symbolisant les temps d’acquisition communs aux deux expériences et en noir ceux propres à chacune.

Table des matières

le des matières
Remerciements
Préambule
CHAPITRE 0 – Introduction générale
I. Généralités sur le soudage
II. Objectifs de l’étude
III. Dispositifs expérimentaux
IV. Conclusion.
CHAPITRE 1 – Étude du plasma
I. Les travaux théoriques et expérimentaux
II. Spectroscopie d’émission
III. Mise en œuvre expérimentale
1. Présentation du dispositif optique
2. Caractéristiques du système optique
IV. Application
1. Vapeurs métalliques
2. Température de la décharge
V. Conclusion
CHAPITRE 2 – Étude de l’interface arc-liquide
I. Comportement du bain liquide
1. Forces surfaciques
2. Forces internes au bain
II. Caractérisation de l’interface
III. Étude de la surface du bain métallique
1. Mise en œuvre expérimentale
2. Développement d’outils pour l’estimation des vitesses en surface du bain métallique
3. Validation
4. Application
5. Discussion
CHAPITRE 3 – Étude du matériau
I. Caractérisation de la zone fondue : les travaux théoriques et expérimentau
II. Étude temporelle de la zone fondue
1. Mise en œuvre expérimentale
2. Détail d’un cas
III. Influence des paramètres opératoires
IV. Conclusion
Conclusions et perspectives
Références 

Télécharger le rapport complet