Soudage bout à bout de tubes de polyéthylène

Le procédé de soudage bout à bout

Description générale Le soudage bout à bout est une technique d’assemblage des thermoplastiques par la fusion des extrémités de deux éléments tubulaires au moyen d’une plaque chauffante, appelée miroir. Ce procédé consiste à faire fondre la matière au niveau de la surface à souder (figure 1.1), à mettre en contact les parties fondues pour en assurer le mélange intime et à laisser refroidir l’assemblage ainsi constitué. A l’état fondu, les chaînes de polyéthylène des deux tubes mis en contact s’interpénètrent et, en se solidifiant, se figent dans cet état, procurant ainsi à la soudure une certaine solidité. Les soudures sont caractérisées par l’apparition d’un bourrelet, ou cordon de soudure, au niveau du plan de soudage qui résulte de l’éjection latérale de la matière fondue formée à l’extrémité des tubes (figure 1.2). Sa forme est utilisée généralement pour donner une première indication visuelle de la qualité de la soudure.
Les étapes principales du soudage bout à bout Le soudage bout à bout peut être divisé en quatre phases distinctes (Figure 1.3), bien représentées sur un diagramme temps – pression – température (figure 1.4), qui se retrouvent dans la plupart des études du procédé (Stokes [8] et Wolters et Venema [9]).
Phase 1 : Egalisation :Cette étape a pour objectif de s’assurer que la totalité de la surface du tube est en contact avec le miroir chauffant. Les deux pièces à souder sont plaquées contre le miroir avec une certaine pression (0,18 MPa). Cette étape dure quelques secondes, le temps qu’une fine couche de polymère ait le temps de fondre. C’est ici que le cordon de soudure commence à se former.
Phase 2 : Chauffage : Les deux tubes sont laissés en contact avec le miroir mais la pression appliquée est très faible, de l’ordre de 0,01 MPa, afin de s’assurer que les tubes restent en contact avec le miroir. Cette étape a pour but l’élargissement de la couche de polymère fondu, nécessaire au soudage. Le chauffage se termine lorsque l’on considère que l’épaisseur de polymère fondu obtenue est suffisante pour former une soudure de bonne qualité.
Phase 3 : Retrait du miroir : Les tubes sont écartés du miroir afin de pouvoir le retirer. Sa durée doit être la plus courte possible pour limiter l’écoulement et le refroidissement du polymère fondu en contact avec l’air ambiant.
Phase 4 : Soudage : C’est la dernière étape durant laquelle les deux tubes sont plaqués l’un contre l’autre avec une certaine pression que l’on maintient jusqu’à ce que la soudure se solidifie. Durant cette étape, la matière s’écoule latéralement donnant la forme définitive du bourrelet.

Les conditions de soudage

  Le soudage bout à bout est une technique efficace dans la mesure où les conditions dans lesquelles on réalise la soudure sont adaptées. En effet, il s’agit d’un procédé sensible à différents paramètres dont les variations peuvent entraîner des différences en terme de qualité. Les paramètres contrôlables et modifiables par le soudeur sont :
– la température du miroir chauffant
– la pression appliquée sur les tubes au cours de chaque étape
– la durée des différentes étapes de soudage (préparation, chauffage, refroidissement)
La température du miroir doit être supérieure à la température de fusion du polyéthylène mais ne doit pas être trop élevée pour ne pas dégrader la matière.  Les pressions appliquées lors des phases d’égalisation et de chauffage doivent être assez importantes pour assurer un bon contact entre le miroir et les tubes. La durée de la phase de chauffage doit être assez importante pour que la couche de polymère fondu permette le soudage, mais elle ne doit pas être trop longue pour ne pas perdre de temps inutilement. De plus, durant le chauffage la matière ne doit pas être éjectée latéralement, il est donc nécessaire de trouver une pression et une durée de chauffage qui satisfassent le mieux possible toutes ces conditions. La pression appliquée lors de la phase de soudage doit permettre la diffusion des couches fondues des deux tubes afin de favoriser l’enchevêtrement des chaînes de polyéthylène. De plus, cette phase doit être assez longue pour éviter le décollement de la soudure après relâche de la pression, c’est-à-dire que la matière doit avoir le temps de se solidifier suffisamment. Il existe plusieurs normes définissant des plages de paramètres permettant d’obtenir en pratique des soudures de bonne qualité [8-10]. Un choix a dû être fait afin de fixer une base à partir de laquelle les essais ont été menés. Les spécifications de Gaz de France [11-13] proposent des valeurs moyennes par rapport aux normes existantes. Le tableau 2.2 présente l’ensemble de ces valeurs pour plusieurs tailles de tubes déterminées par Gaz de France. Ainsi, pour un tube de 160 mm de diamètre avec un rapport diamètre sur épaisseur égal à 11 :
– la température du miroir est de 220°C,
– les pressions d’égalisation et de soudage sont identiques et égales à 0,18 MPa,
– la pression de chauffage doit rester inférieure à 0,01 MPa,
– la durée de l’égalisation est d’environ 22s,
– la durée de la phase de chauffage est de 175s,
– la durée de la phase de soudage est de 17,5 min.
Ces valeurs seront utilisées comme valeurs de base pour la plupart des essais et sont appelées « paramètres standards » ou « paramètres moyens ». Afin d’étudier les effets des paramètres de soudage sur la soudure obtenue, il a été décidé de faire varier la température du miroir et la pression de soudage. Dans tout les cas on ne fait varier qu’un seul paramètre à la fois : soit la température du miroir, soit la pression imposée lors du soudage. Voici l’ensemble des différents paramètres utilisés pour le soudage :
ƒ la durée de l’égalisation est d’environ 22s,
ƒ la durée de la phase de chauffage est de 175s,
ƒ la durée de la phase de soudage est de 17,5 min,
ƒ la pression d’égalisation est de 0,18 MPa,
ƒ la pression de chauffage doit rester inférieure à 0,01 MPa,
ƒ trois valeurs de la pression de soudage ont été testées :
¾ 0 MPa,
¾ 0,18 MPa,
¾ 0,4 MPa,
ƒ Trois valeurs de la température de miroir ont été testées :
¾ 190°C,
¾ 220°C,
¾ 250°C.

Evolution du bourrelet au cours du procédé

  Pour bien comprendre les mécanismes de formation du bourrelet, il est nécessaire de s’attarder plus longuement sur chaque étape. La figure 2.11 représente l’allure de la soudure à plusieurs moments clés du procédé. Il apparaît que toutes les phases jouent un rôle important dans la formation de la soudure. En effet, le bourrelet évolue au cours de chaque étape. Ainsi, durant la phase d’égalisation celui-ci se développe sous l’effet du chauffage par le miroir et de la pression appliquée sur le tube ; lors du chauffage, c’est essentiellement l’augmentation de la température du tube qui permet au bourrelet de se dilater puisque la pression appliquée est très faible ; au début du soudage, le bourrelet termine sa formation du fait du plaquage des deux tubes l’un contre l’autre. Les plus grands déplacements de matière se produisent pendant la phase de soudage puisqu’une grande partie de la couche de polymère fondu, formée dans les premières étapes, est éjectée latéralement par pression des tubes l’un sur l’autre. Ainsi, le bourrelet termine sa formation en s’enroulant sur lui-même, lui donnant la forme torique visible sur la figure 2.11d. La forte augmentation du volume du bourrelet durant la phase de chauffage, malgré la très faible pression appliquée sur les tubes, met en évidence l’importance de la dilatation thermique du polymère. En effet, c’est elle qui est le principal moteur du développement du bourrelet au cours des deux premières étapes du procédé. Cette observation est essentielle en vue de la modélisation du soudage car elle prouve la nécessité de prendre en compte ce phénomène. Le bourrelet a une forme carractéristique au cours des phases d’égalisation et de chauffage (figures 2.11b et c). En effet, celui-ci est constitué d’un plan vertical perpendiculaire à la surface du tube qui s’agrandit et s’éloigne du miroir lorsque la matière fond. Le reste de la surface du bourrelet est de forme arrondie entre le miroir et le plan vertical. Au cours de la phase de soudage, la matière est éjectée dans le bourrelet qui s’enroule sur lui-même. Le plan vertical décrit dans le paragraphe précédent se plaque sur la surface du tube.

Principe de la DSC

  L’analyse calorimétrique différentielle (ACD ou DSC) à compensation de puissance a été utilisée afin de mesurer les cinétiques de cristallisation du polyéthylène. Le principe de ce système est de mesurer la différence de puissance nécessaire pour qu’un échantillon et une référence soient à la même température. Il existe deux boucles de contrôle de la température. L’une sert à programmer l’augmentation ou la diminution de température de l’échantillon et de la référence à une vitesse donnée. L’autre permet d’ajuster la puissance d’entrée afin de compenser le déséquilibre thermique qui peut exister entre l’échantillon et la référence. Dans le cas de la cristallisation c’est le caractère exothermique de la transformation qui créera ce déséquilibre, et, dans le cas de la fusion c’est le caractère endothermique de celle-ci. Un signal proportionnel à la différence de puissance fournie à l’échantillon et à la référence, P, est enregistré en fonction de la température ou du temps. Les échantillons utilisés sont placés dans des coupelles cylindriques serties pour éviter la fuite de matière fondue et percées sur le dessus pour permettre d’éventuels dégazages ainsi que la circulation d’un gaz de balayage neutre.

Table des matières

Chapitre 1 Introduction générale
1.1 Contexte
1.2 Le procédé de soudage bout à bout
1.2.1 Description générale
1.2.2 Les étapes principales du soudage bout à bout
1.3 Objectifs de l’étude
Bibliographie
Chapitre 2 Analyse du procédé de soudage
2.1 Introduction
2.2 Le matériau utilisé
2.3 Les conditions de soudage
2.4 Le banc de soudage
2.4.1 Présentation
2.4.2 Protocole expérimental pour le soudage
2.5 Mesures réalisées au cours du procédé de soudage
2.5.1 Principe des mesures
2.5.1.1 Forme et évolution du bourrelet
2.5.1.2 Mesures de pression
2.5.1.3 Mesures de température
2.5.1.4 Mesures de déplacement
2.5.2 Résultats et discussion
2.5.2.1 Forme et évolution du bourrelet
2.5.2.2 Mesures de pression
2.5.2.3 Mesures de température
2.5.2.4 Mesures de déplacement
2.6 Caractérisation des soudures
2.6.1 Principe des essais
2.6.1.1 L’essai dit du « sèche-cheveux »
2.6.1.2 Les essais de DSC
2.6.2 Résultats et discussion
2.6.2.1 L’essai dit du « sèche-cheveux »
2.6.2.2 Les essais de DSC
2.6.3 Les mécanismes de chauffage du tube
2.6.3.1 Les transferts thermiques
2.6.3.2 Quelques ordres de grandeur
2.7 Essais de résistance mécanique des soudures
2.7.1 L’essai dit « à la virole »
2.7.2 L’essai de fissuration en fluage
2.7.3 L’essai en pression hydraulique
2.8 Conclusion
Bibliographie
Chapitre 3 Caractérisation de la matière
3.1 Introduction
3.2 Cinétique de cristallisation
3.2.1 La cristallisation
3.2.2 Les modèles de cinétiques de cristallisation
3.2.2.1 La cristallisation isotherme
3.2.2.2 La cristallisation à vitesse de refroidissement constante
3.2.2.3 La loi de cristallisation utilisée pour la modélisation du soudage bout à bout
3.2.2.4 Validité de la loi de cristallisation
3.2.3 Détermination expérimentale des paramètres de la loi de cristallisation
3.2.3.1 Mesures effectuées
3.2.3.2 Résultats et analyses
3.2.4 Conclusion
3.3 Cinétique de fusion
3.3.1 La fusion
3.3.2 Le modèle de cinétique de fusion
3.3.3 Détermination expérimentale des paramètres de la loi de fusion
3.3.4 Conclusion
3.4 Rhéologie à l’état liquide
3.4.1 Principe du rhéomètre
3.4.2 Détermination de la loi de comportement à l’état liquide du polyéthylène utilisé
3.4.2.1 Principe des mesures
3.4.2.2 Loi de comportement
3.4.2.3 Influence de la température
3.5 Rhéologie à l’état solide
3.5.1 Principe des mesures
3.5.2 Détermination de la loi de comportement à l’état solide du polyéthylène utilisé
3.5.2.1 Loi de comportement
3.5.2.2 Influence de la température
3.6 La transition solide/liquide
3.6.1 Bibliographie
3.6.2 Principe des mesures
3.6.3 Analyse du comportement du matériau au cours de la transition solide/liquide
3.6.4 Conclusion
3.7 Etude de la dilatation thermique du polyéthylène
3.7.1 Les techniques de mesure
3.7.1.1 Bibliographie
3.7.1.2 Les techniques utilisées
3.7.2 Résultats et modélisation de la dilatation thermique
3.7.2.1 Mesures des évolutions de volume dans les états solide et liquide
3.7.2.2 Evolution du volume spécifique au cours de la transition solide/liquide
3.8 Conclusion
Bibliographie
Chapitre 4 Modélisation et simulation numérique des phénomènes thermo-mécaniques du procédé de soudage bout à bout
4.1 Introduction
4.2 Bibliographie concernant la simulation du soudage bout à bout
4.3 Description du logiciel Forge2®
4.3.1 Les équations de la mécanique
4.3.1.1 Equation de continuité
4.3.1.2 Equation de la quantité de mouvement
4.3.1.3 Formulation faible du problème mécanique
4.3.1.4 La compressibilité
4.3.1.5 La loi de comportement
4.3.1.6 Discrétisation spatiale par la méthode des éléments finis
4.3.1.7 L’élément P1+/P1
4.3.2 Les équations de la thermique
4.3.2.1 L’équation de la chaleur
4.3.2.2 Les conditions aux limites
4.3.2.3 La méthode Galerkin
4.3.2.4 Discrétisation spatiale par la méthode des éléments finis
4.3.2.5 Le choc thermique
4.3.3 Calcul de thermique asynchrone
4.4 Géométrie et types de conditions aux limites utilisés pour la simulation
4.4.1 La géométrie
4.4.2 Le maillage
4.5 Modifications apportées à Forge2® pour simuler le soudage bout à bout
4.5.1 Evolution du taux de phase liquide
4.5.1.1 Méthode de résolution des lois de transformation de phase
4.5.1.2 Validation des lois de changement de phase
4.5.2 Rhéologie de la matière au cours de la transition liquide/solide
4.5.3 L’enthalpie de cristallisation
4.6 Conclusion
Bibliographie
Chapitre 5 Résultats et validation de la simulation numérique
5.1 Introduction
5.2 Les observables au cours des simulations
5.2.1 Les capteurs « virtuels » de température
5.2.2 Le capteur « virtuel » de déplacement
5.2.3 Les mesures de la forme et du volume des bourrelets
5.3 Simulation du procédé de soudage bout à bout
5.3.1 Les données matériau
5.3.2 Les conditions aux limites mécaniques
5.3.2.1 Spécificités des phases d’égalisation et de chauffage
5.3.2.2 Spécificités de la phase de soudage
5.3.3 Les conditions aux limites thermiques
5.3.3.1 Spécificités des phases d’égalisation et de chauffage
5.3.3.2 Spécificités de la phase de soudage
5.3.4 Résultats des simulations
5.3.4.1 Phases d’égalisation et de chauffage
5.3.4.2 Phase de soudage
5.3.5 Conservation du volume global du tube lors des simulations
5.3.5.1 Conclusion
5.4 Modification des conditions aux limites
5.4.1 Les nouvelles conditions aux limites
5.4.2 Résultats des simulations
5.4.2.1 Phase de chauffage
5.4.2.2 Phase de soudage
5.5 Conclusion
Conclusion générale
Annexe

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