Simulation numérique du soudage du TA6V par laser YAG impulsionnel

La réalisation d’un ensemble soudé passe en général par la fusion locale des jonctions à assembler. L’existence même d’une zone fondue est à l’origine de modifications radicales de l’état interne de l’assemblage. D’une part la solidification de cette zone produit une microstructure particulière, distincte de l’état initial, d’autre part le retrait dimensionnel de soudage induit des contraintes et des déformations résiduelles. Ces déformations sont concentrées autour du cordon de soudure mais elles induisent en pratique des déplacements à l’échelle de la pièce qui modifient ses caractéristiques dimensionnelles. Les déformations plastiques résiduelles sont généralement associées à des contraintes résiduelles et à des distorsions des structures. La mesure non destructive des contraintes résiduelles est délicate et la simulation numérique du processus de soudage est alors un moyen très attendu dans ce domaine. Elle peut également permettre d’analyser facilement les effets des paramètres de soudage sur les caractéristiques mécaniques du joint soudé et de son influence sur la structure. Des essais de mise au point constituent alors une phase préliminaire particulièrement longue et coûteuse. Ceci d’autant plus que l’optimisation du mode opératoire peut ensuite imposer de réviser la conception de la structure en adaptant le dessin des joints et le dimensionnement des pièces. En effet, les distorsions sont étroitement liées à la forme et au volume des cordons de soudure, et l’état des contraintes résiduelles (dépendant de l’état des déformations) doit être pris en compte dans la prédiction de la durée de vie de la structure en service.

Sous l’impulsion de l’industrie nucléaire, un grand nombre de recherches destinées à prévoir les contraintes résiduelles dans les soudures de composants mécaniques ont été conduites. Les méthodes et modèles développés ont alors constitué les fondations de logiciels de simulation numérique aujourd’hui utilisés par un grand nombre d’industriels des secteurs aéronautique, automobile ou encore de la métallurgie. Les apports de la modélisation numérique du soudage se situent au niveau :
➤ de la détermination de la microstructure du matériau dans les différentes zones caractéristiques du procédé de soudage,
➤ de l’évaluation de la tenue mécanique des assemblages soudés (prévoir les contraintes résiduelles et le comportement local d’un assemblage),
➤ des études de faisabilité d’un procédé visant à identifier d’éventuels défauts d’alignement des structures ou à optimiser la séquence de soudage.

Dans le contexte particulier des préoccupations du CEA, l’objectif de cette étude est la caractérisation globale du procédé de soudage laser YAG impulsionnel d’un alliage de titane (TA6V), afin de simuler numériquement le comportement d’une structure soudée et d’améliorer le procédé. En effet, sur de telles pièces, aucun moyen de détensionnement des contraintes résiduelles n’est possible après soudage. Ce qui explique l’importance de la modélisation du procédé afin de pouvoir quantifier les contraintes dans le cordon de soudure, et ainsi d’utiliser les résultats comme données d’entrée lors d’un calcul de dimensionnement des structures.

Etude bibliographique

Généralités sur le soudage 

L’assemblage par soudage occupe une place prépondérante dans la construction des bateaux, trains, avions, fusées, automobiles, ponts, tuyaux, réservoirs. La clé des problèmes qui se posent lors d’une opération de soudage relève du métier du soudeur ou du constructeur soudeur dont la démarche doit inclure, outre l’opération de soudage, les problèmes se posant en amont et en aval de celle-ci, à savoir :
➤ la conception des assemblages soudés : découpage de l’assemblage et disposition des joints,
➤ la préparation des pièces avant soudage : géométrie des bords, état des surfaces,
➤ la mesure de la qualité des soudures et de la tenue de l’assemblage en service. Cette démarche s’appuie sur les caractéristiques du procédé de soudage le mieux approprié qui induit la forme de la soudure et le résultat obtenu. Nous présentons essentiellement les principes, les équipements et la nature des liaisons, ou soudures, auxquelles ils donnent lieu. Le soudage est un assemblage définitif exécuté sur des pièces métalliques qui s’impose pour diverses raisons : dimensionnelles (un pont), structurelles (un réservoir), constructives (une carrosserie), de poids (un panneau), économiques (un plancher) ou autres.

Procédé de soudage par faisceaux à haute énergie : le laser

Généralités 

Les faisceaux à haute énergie se caractérisent par la propriété de concentrer des puissances de plusieurs dizaines de kilowatts sur des surfaces de quelques dixièmes à quelques millimètres carrés. On classe dans cette catégorie les faisceaux d’électrons et les rayons laser que l’on utilise en soudage sous les noms de soudage par faisceau d’électrons (en abrégé : par FE) ou par bombardement électronique (BE) et de soudage (par ou au) laser. Pour des raisons technologiques, le soudage par faisceau d’électrons a fait, le premier, l’objet d’un développement rapide et plusieurs milliers de machines sont en service actuellement dans le monde. Deux décennies seront, par contre, nécessaires pour voir apparaître les premières applications de soudage par laser, résultant des progrès moins rapides des lasers de puissance multikilowatt susceptibles d’emploi industriel dans le travail des métaux. Il y a lieu de noter ici que les lasers ont très vite connu quelques applications de microsoudage et de découpage de tous matériaux et en particulier de tôles métalliques minces.

Le soudage par laser YAG

Principe et généralités

L’outil de ce procédé est un rayon laser puissant généré dans une cavité comportant un milieu actif amplificateur et se propageant dans l’atmosphère ou dans un guide jusqu’à une optique de focalisation permettant de l’utiliser. L’onde est caractérisée par sa puissance et sa fréquence. Cette dernière est déterminée par l’énergie des photons émis par les atomes ou les molécules du milieu actif. Dans un rayon, les photons sont organisés en onde électromagnétique caractérisée par sa composante électrique E (x, y, z, t) en tous points de l’espace occupé (E est nulle ailleurs). Au point de focalisation, E atteint des valeurs de l’ordre de 10¹² V.cm–1, équivalentes aux champs électriques des liaisons électroniques dans les matériaux, et est capable d’y être absorbée. La puissance, exprimée en watts, résulte du nombre de photons émis par unité de temps, c’est-à-dire de la densité des molécules ou des atomes excités dans la cavité (énergie stockée par cm³ ) et du volume impliqué. C’est une donnée technologique liée à l’espace occupé par l’émission et à certains compromis de construction du laser. Les diamètres des rayons laser utilisés en soudage, de taille comprise entre quelques millimètres et 2 à 3 cm selon la puissance, permettent de les focaliser très fortement à courte distance moyennant une très faible profondeur de champ. Ainsi, le rayon laser :
➤ peut se propager dans l’air ambiant,
➤ peut être transporté à distance sans affaiblissement notable et dévié par réflexion ou réfraction,
➤ peut être focalisé par un moyen optique simple, mais à faible distance, de l’ordre du décimètre.

Description du laser YAG

Le laser YAG est l’un des lasers les plus utilisés et on le retrouve dans de nombreuses applications industrielles ou scientifiques. Le milieu optiquement actif est constitué par un barreau de grenat d’yttrium-aluminium dopé au néodyme (YAG, acronyme anglais : YttriumAluminium Garnet). L’énergie est transmise à l’élément par pompage optique. Les lasers solides Nd-YAG peuvent fonctionner de façon impulsionnelle et sont pour cela excités par des lampes flashs. La récurrence est de 300 impulsions par seconde d’une durée de 0,5 à 10 ms, et la puissance moyenne est de 500 W.

On peut également les faire fonctionner de façon continue (CW : Continuous Wave ) en les excitant par des lampes à émission continue. Ils génèrent alors des séries d’impulsions de 0,2 ms à des fréquences élevées (1 000 à 50 000 impulsions par seconde) qui augmentent l’interaction avec la matière. La puissance est actuellement de 2 kW.

Caractéristiques du soudage laser YAG propre à notre étude 

Le choix du laser YAG impulsionnel s’est fait tout naturellement afin de minimiser les distorsions et les contraintes résiduelles dues au soudage. En effet, dans notre cas, il n’y a pas la possibilité de réaliser un traitement thermique de détensionnement après l’opération de soudage. De nombreuses études internes au laboratoire de soudage du CEA Valduc ont été réalisées afin d’optimiser les paramètres de soudage sur des plaques en TA6V d’épaisseur 3 mm. De ce fait, nous utilisons un laser YAG impulsionnel (Trumpf 506) avec une fréquence de soudage de 5 Hz et un taux de recouvrement des tirs de l’ordre de 80 %, ce qui est le meilleur taux dans notre cas pour obtenir une soudure étanche et résistante d’un point de vue mécanique. Ainsi pour chaque tir, nous avons un temps de dépôt d’énergie de 13 ms et un temps de refroidissement de 187 ms. Le cordon de soudure est ainsi formé d’une multitude d’impacts lasers espacés d’un pas d’avance de 0.28 mm. Ce moyen de soudage génère ainsi des sollicitations extrêmement sévères pour le matériau d’un point de vue thermique. Lors du dépôt d’énergie, la vitesse de chauffe est de l’ordre de 300°C.ms-1 et atteint des vitesses de refroidissement bien supérieures à ce qu’on pourrait obtenir en réalisant une trempe à l’eau.

Le titane et ses alliages

Le titane

Généralités sur le titane, [Boyer, 1994], [Combres, 1997]
Seuls cinq à dix pourcent du minerai de titane extrait sont utilisés pour des applications dans le domaine de la métallurgie. Ce n’est qu’à partir des années 1950 que les applications métallurgiques se sont développées, sous forme d’additions aux aciers (ferrotitanes) ou pour élaborer des alliages de titane. Les alliages de titane possèdent des caractéristiques mécaniques élevées pour une faible masse volumique, ce qui les place avant les alliages d’aluminium et les aciers en terme de propriétés spécifiques. Ceci explique pourquoi, malgré leur prix relativement élevé, ils sont particulièrement utilisés dans l’aéronautique. De nos jours, ils voient leurs applications se diversifier, en particulier dans le domaine de la chimie, ainsi que dans le biomédical pour la fabrication de prothèses de hanche ou de genou, grâce à leur propriété de biocompatibilité élevée.

Structure du titane et propriétés physiques [Combres, 1999, a], [Handbook titanium

Aspects cristallographiques

Le titane non allié possède, à la température ambiante, une structure cristalline hexagonale compacte appelée phaseα ) (a = ,2 950Α,c = ,4 683Α,c / a = ,1 587 & & . Au cours du chauffage, la transformation allotropique du titane intervient à 882 °C, qui correspond au passage de la phase α à la phase β . Cette dernière phase, de réseau cristallin cubique centré ( = Α& a 32,3 à 900 °C), subsiste jusqu’à la fusion à 1670°C. La température à laquelle a lieu la transformation allotropique est appelée « transus β » .

Table des matières

1. INTRODUCTION
1.1. CONTEXTE
1.2. PROBLEMATIQUE ET DEMARCHE SCIENTIFIQUE
2. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
2.1. GENERALITES SUR LE SOUDAGE
2.2. PROCEDE DE SOUDAGE PAR FAISCEAUX A HAUTE ENERGIE : LE LASER
2.2.1. Généralités
2.2.2. Le soudage par laser YAG
2.2.2.1. Principe et généralités
2.2.2.2. Description du laser YAG
2.2.2.3. Le soudage laser YAG impulsionnel
(a) Généralités
(b) Transfert de l’énergie
(c) Formation du bain de fusion
(d) Formation du capillaire
(e) Formation du plasma
(f) Etude macrographique d’un joint soudé par ce procédé
2.2.2.4. Caractéristiques du soudage laser YAG propre à notre étude
2.3. LE TITANE ET SES ALLIAGES
2.3.1. Le titane
2.3.1.1. Généralités sur le titane, [Boyer, 1994], [Combres, 1997]
2.3.1.2. Structure du titane et propriétés physiques [Combres, 1999, a], [Handbook titanium, 1974]
(a) Aspects cristallographiques
(b) Propriétés physiques du titane
(c) Propriétés mécaniques
2.3.1.3. Classification des alliages de titane et effets des éléments d’alliage
(a) Les alliages α
(b) Les alliages β et quasi β
(c) Les alliages α-β
(d) Hérédité structurale
2.3.1.4. Les différentes phases rencontrées dans les alliages de titane et leurs morphologies [Combres, 1995]
(a) Phase α
(b) Phase β
(c) Phases martensitiques
(d) Phase fragilisante
(e) Phases intermétalliques
2.3.2. Présentation de l’alliage de titane étudié : le TA6V [Combres, 1995]
2.3.2.1. Généralité
2.3.2.2. Les diverses morphologies du TA6V après traitement thermique
2.3.2.3. Cinétiques de transformation de phases : Diagrammes T.T.T et T.R.C du TA6V
(a) Diagramme T.T.T.du TA6V
(b) Diagramme T.R.C. du TA6V
2.3.2.4. Caractéristiques mécaniques et physiques de l’alliage TA6V
(a) Caractéristiques physiques
(b) Caractéristiques mécaniques
2.3.2.5. Fabrication d’une barre forgée de TA6V
2.4. SOUDABILITE DU TA6V
2.4.1. Le soudage du titane
2.4.2. Les procédés de soudage
2.4.3. Evaluation de la qualité d’une soudure
2.4.4. Caractéristiques métallurgiques des soudures
2.4.5. Mécanique des soudures
2.4.5.1. Ténacité
2.4.5.2. Fatigue
2.4.5.3. Résistance statique et ductilité
2.5. CONCLUSION
3. ETUDE METALLURGIQUE
3.1. INTRODUCTION
3.2. ANALYSES METALLURGIQUES DES CORDONS DE SOUDURE
3.2.1. Zones caractéristiques lors du soudage du TA6V
3.2.2. Etude de la zone affectée thermiquement (Z.A.T.)
3.2.3. Etude de la zone fondue
3.2.3.1. Analyse par DRX de la structure cristallographique [Ravat, 2004]
(a) Dispositif et conditions expérimentales
(b) Résultats
3.2.3.2. Analyse par microsonde de Castaing d’un cordon de soudure
3.2.3.3. Analyse au MEB des zones d’hétérogénéités
3.2.4. Bilan de l’analyse du cordon de soudure
3.3. ETUDE DES TRANSFORMATIONS DE PHASES
3.3.1. Etude pour des conditions de chauffage lent. Approche de l’équilibre thermodynamique et
évolution des paramètres de maille et du taux de phase en fonction de la température
3.3.1.1. Analyse DRX in situ au synchrotron
3.3.1.2. Analyse par thermocalc® de l’influence de la composition chimique
3.3.1.3. Essais dilatométriques pour un chauffage lent
3.3.2. Transformation de phases hors équilibre thermodynamique
3.3.2.1. Dilatométrie rapide sur machine GLEEBLE
3.3.2.2. Traitement thermique successif (caractérisation métallographique)
3.3.2.3. Essai dilatométrique rapide sur éprouvette tubulaire
3.4. MODELISATION METALLURGIQUE
3.4.1. Modélisation à partir des diagrammes TTT
3.4.2. Modèles phénoménologiques des transformations de phase (modélisation à partir des diagrammes TRC)
3.4.2.1. Modèle de Leblond
3.4.2.2. Modèle de Waeckel
3.4.2.3. Modèle de transformation Martensitique
3.4.3. Choix du modèle métallurgique
3.5. BILAN METALLURGIQUE
4. ETUDE THERMOMECANIQUE DU TA6V
4.1. INTRODUCTION
4.2. CARACTERISATION EXPERIMENTALE
4.2.1. Objectif des essais et détermination de la gamme de sollicitation
4.2.2. Essai mécanique cyclique (traction / compression)
4.2.2.1. Dispositif et conditions expérimentales de l’essai cyclique
4.2.2.2. Programme expérimental des essais cycliques
4.2.2.3. Résultats expérimentaux des essais de caractérisation
(a) Influence des cycles pour le TA6V
(b) Effet du maintien en température
(c) Caractérisation de l’écrouissage du matériau
(d) Sensibilité à la vitesse de déformation et à la température
(e) Comparaison du comportement mécanique du matériau de base et de la martensite
4.2.2.4. Discussion
4.2.3. Essai de traction-relaxation
4.2.3.1. Dispositif et conditions expérimentales de l’essai de relaxation
4.2.3.2. Programme expérimental des essais de relaxation
4.2.3.3. Résultat des essais de relaxation
(a) Etude de l’anisotropie du matériau
(b) Etude de la relaxation du matériau de base et de la martensite
4.2.3.4. Discussion
4.2.4. Essai sur machine DITHEM avec mesure de résistivité
4.2.4.1. Dispositif et conditions expérimentales
4.2.4.2. Programme expérimental des essais DITHEM
4.2.4.3. Présentation des résultats
4.2.4.4. Discussion des résultats
4.2.5. Synthèse des essais expérimentaux
4.3. MODELISATION DU COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE DU MATERIAU
4.3.1. Présentation du modèle utilisé dans chaque phase
4.3.1.1. Cadre général
4.3.1.2. Le modèle viscoplastique
5. CONCLUSION

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