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Méthode de soudage des tubes en polyéthylène par fusion
Le soudage des polymères fait partie des modes d’assemblages au même titre que le collage ou les techniques d’assemblage mécanique. À la différence d’autres procédés d’assemblage, le soudage par fusion ne s’applique qu’aux thermoplastiques. Ceux-ci possèdent les caractéristiques rhéologiques lors de la fusion (pour les semi-cristallins) ou de ramollissement (pour les amorphes) suffisant pour permettre une interpénétration des couches superficielles nécessaires à leur liaison. Le soudage du polyéthylène par fusion ne fait pas appel à un matériau d’apport dans la liaison et permet aux deux pièces assemblées de reconstituer une structure homogène. Plusieurs méthodes ont été développées pour joindre deux bouts de tubes en HDPE en usant de la chaleur pour faire fondre le matériau et sa propriété de thermoplastique pour assurer un mélange de matières en fusion devenant résistant et tenace après refroidissement. Il ressort de la littérature que les techniques de soudage des thermoplastiques ont été divisées en deux catégories selon le mode d’obtention de la fusion .
• La première catégorie est basée sur la génération de l’énergie nécessaire à la fusion par mouvement mécanique comme :
– Le soudage par vibrations ultrasoniques,
– Le soudage par friction…
• La seconde catégorie nécessite une source de chaleur externe :
– Une résistance électrique pour le cas du soudage par électrofusion,
– Un outil chauffant pour le cas du soudage bout-à-bout, Fusion à socquette et fusion à selle.
Les principales méthodes de soudage par fusion des tubes thermoplastiques , Parmi ces techniques le soudage par électrofusion [17] et le soudage par plaque chauffante (soudage bout à bout) [15] sont les méthodes les plus utilisées dans le domaine de distribution d’eau et de gaz naturel des tubes en polyéthylène. Les méthodes de soudage par fusion à socquette et à selle sont utilisées pour le soudage des coudes ou des raccords en HDPE.
Le procédé de soudage bout à bout (Butt fusion joint)
Description générale
Le soudage bout-à-bout est une méthode qui se confirme pour les diamètres importants allants de 25 à 1200 mm en raison de son efficacité à joindre les tubes et accessoires thermoplastiques. Le soudage bout-à-bout est une méthode de jonction par laquelle les deux extrémités du tube à assembler sont fusionnées au moyen d’une plaque chauffante appelée « Miroir ». Il s’agit d’une technique simple à mettre en œuvre et peu coûteuse (car pas d’apport de matière supplémentaire). Ce procédé consiste à faire fondre la matière au niveau de la surface à souder, à mettre en contact les parties fondues (les deux bouts du tube) pour en assurer le mélange intime et à laisser refroidir l’assemblage ainsi constitué.
Actuellement, le soudage bout à bout est très utilisé pour assembler les tubes constituant les canalisations d’eau de gros diamètre mais beaucoup moins dans le cas du gaz naturel, pour des raisons essentiellement économiques.
Déroulement d’un cycle de soudage b-à-b
Le procès du soudage bout à bout est divisé en quatre phases distinctes définies dans la littérature et par les fabricants des soudeuses bout à bout [14,15,18] : égalisation, chauffage, retrait de la plaque .
Phase 1 : Egalisation
La totalité de la surface du tube est en contact avec le miroir chauffant. Les deux tubes à souder sont plantées à une certaine pression contre le miroir. La durée de cette étape est très courte (quelques secondes), le temps qu’une couche fine de polymère se fonde. Alors un cordon de soudure commence à se former.
Phase 2 : Chauffage
Une couche de matériau fondu s’élargit, sous l’effet du contact des tubes avec le miroir à une faible pression environ 0.01 MPa. Le chauffage se termine lorsqu’on obtient une épaisseur de matière fondue suffisante pour une soudure de bonne qualité.
Phase 3 : Retrait du miroir
Les tubes sont reculés, le miroir est retiré après l’éloignement des deux tubes. C’est une phase très courte, il faut limiter l’écoulement et le refroidissement du polymère fondu en avec l’air ambiant .
Phase 4 : Soudage et refroidissement
Les deux tubes sont maintenus serrés l’un contre l’autre à une certaine pression jusqu’à la solidification de la soudure. La matière qui s’écoule donne la forme définitive du bourrelet.
Equipement de soudage bout à bout
Les machines hydrauliques à souder “bout à bout” sont adaptées pour les matériaux thermoplastiques sous forme des tubes et raccords. Leur cadre d’auto-alignement et leurs dimensions compactes en font des machines très adaptées pour les travaux de construction de réseaux d’eau, de gaz, d’égouts et d’irrigation. Conçut selon la norme ISO 12176-1[18], la machine permet le soudage des tubes PEHD en bout à bout (sans raccords). La machine est du type automatique et ne nécessite pas l’intervention de l’opérateur dans la conduite du cycle de soudage. La traçabilité est également assurée par la machine conformément aux standards internationaux.
Le procédé de soudage par électrofusion (Electro-fusion joint)
Description générale
Le soudage par électrofusion est essentiellement utilisé pour assembler des tubes de petit diamètre, il est employé notamment dans l’industrie gazière et dans les réseaux de distribution. Le procédé de soudage par électro-fusion a été bien décrit dans la thèse de Chebbo (2013) [17]. Il consiste à joindre des tubes à l’aide d’un manchon muni d’un élément thermoélectrique (manchon, prise de branchement…) apportant par effet de Joule la quantité de chaleur nécessaire pour générer la fusion [22,23]. Ces raccords dits « électro-soudables » comportent un fil chauffant intégré au moment de leur fabrication par injection comme une résistance électrique . Cette résistance est assortie de deux connecteurs électriques apparents sur la face extérieure du raccord afin de générer par effet de Joule l’énergie nécessaire pour le soudage. Une fois le contact établi entre les deux corps, la chaleur diffuse de l’accessoire vers le tube pour créer une zone fondue de part et d’autre de l’interface.
Le mode de transfert thermique prédominant dans ce processus est la conduction, la convection et le rayonnement ont été négligés, l’énergie et le temps de fusion sont contrôlés de façon à avoir une zone fondue emprisonnée dans une zone appelée « zone froide » dans laquelle la matière est restée à l’état solide. La faible conductivité du polyéthylène favorise cet emprisonnement de la matière. Ces zones agissent comme une zone de confinement pour empêcher la matière fondue de s’échapper sous la pression liée à la dilatation du polymère. Cette technique possède l’inconvénient majeur d’être coûteuse pour les grands diamètres pour lesquels le prix des pièces de connexion est très élevé.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre.1 Méthodes de soudage des tubes en polyéthylène : Etude Bibliographique
1.1 Introduction
1.2 Méthodes de soudage des tubes en polyéthylène par fusion
1.2.1 Le procédé de soudage bout à bout (Butt fusion joint)
1.2.1.1 Description générale
1.2.1.2 Déroulement d’un cycle de soudage bout à bout
1.2.1.3 Equipement de soudage bout à bout
1.2.2 Le procédé de soudage par électro-fusion (Electro-fusion joint)
1.2.2.1 Description générale
1.2.2.2 Déroulement d’un cycle de soudage par électro-fusion
1.2.2.3 Equipement de soudage par électro-fusion
1.2.3 Le procédé de soudage par fusion à souquette (Socket fusion)
1.2.3.1 Description générale
1.2.3.2 Déroulement d’un cycle de fusion à socquette
1.2.3.3 Equipement de soudage par fusion à socquette
1.2.4 Le procédé de soudage par fusion à selle (saddle fusion)
1.2.3.1 Description générale
1.2.3.2 Déroulement d’un cycle de fusion à selle
1.2.3.3 Equipement de soudage par fusion à selle
1.3 Etude mécanique et microstructurale des joints de soudure
1.3.1 Hétérogénéité de la structure de la soudure
1.3.2 Micro et Nano-indentation
1.3.3 Délimitation de la zone affectée thermiquement (HAZ)
1.3.4 Effets des conditions de soudage
1.3.5 Soudage des résines différentes
1.3.6 Comparaison des propriétés mécaniques du soudage bout à bout et par électrofusion
1.3.7 Effet des environnements agressif sur les propriétés mécaniques des tubes en HDPE
1.4 Contrôle qualité du joint de soudure
1.4.1 Contrôle non destructif (CND)
1.4.1.1 Contrôle visuel
1.4.1.2 Contrôle par ultrason
1.4.1.3 Contrôle par Micro-onde
1.4.2 Contrôle destructif (CD)
1.5 Méthodes expérimentale et numérique du soudage bout à bout
1.5.1 Mesure expérimentale de température
1.5.2 Simulation thermique
Chapitre.2 Matériau et matériels d’expérimentation
2.1Introduction
2.2 Matériau
2.3 Soudage par fusion b-à-b
2.3.1 Description de l’appareil d’essais
2.3.2 Conditions de soudage b-à-b
2.4 Usinage des tubes
2.4.1 Conditions d’usinage
2.5 Préparation des éprouvettes d’essais
2.5.1 Eprouvette standard
2.5.2 Échantillon pour le DSC
2.6 Essais de traction
2.6.1 Description
2.6.2 Protocole d’essais
2.7 Essais de DSC
2.7.1 Description de la technique
2.7.2 Protocole d’essais
2.8 Essais de micro-dureté
2.8.1 Description
2.8.2 Protocole d’essais
2.9 Microscopie à balayage éléctronique MEB
Chapitre.3 Modélisation et simulation thermique du soudage bout à bout des tubes en HDPE
3.1 Introduction au transfert thermique
3.2 Modèle thermique
3.2.1 Mise en équations
3.2.2 Condition initiale
3.2.3 Condition aux limites
3.2.3.1 Phase d’égalisation et de chauffage
3.2.2.2 Phase de retrait de la plaque
3.2.2.3 Phase de soudage et de refroidissement
3.3 Discrétisation par la méthode de la direction alternée implicite « ADI »
3.4 Résultats et discussion
3.4.1 Champs de température dans la direction radiale
3.4.2 Champs de température dans la direction axiale
3.4.3 Evolution de la température dans le temps
3.4.4 Visualisation du champ de température en 3D
3.5 Validation des résultats
Chapitre.4 Développement de la méthode d’accès aux couches du tube
4.1Introduction
4.2 La raison : pourquoi cette méthode ?
4.3 Norme et dimension
4.4 Présentation de la méthode
4.4.1 Phase de préparation des tubes
4.4.2 Phase de soudage b-à-b
4.4.3 Phase d’usinage
4.4.4 Phase de préparation et découpage des éprouvettes d’essais
4.4.5 Phase d’essais mécaniques
Conclusion générale
