Techniques de soudage du polyéthylène par fusion

Pour leurs réseaux de fluides, les entreprises de distribution de l’eau ou du gaz naturel tel que GDF SUEZ utilisent des tuyaux en polyéthylène (PE) facilement transportables et présentant une mise en œuvre aisée dans un chantier par rapport à des tuyaux en acier. Les tuyaux en PE sont utilisés depuis plus de 40 ans. L’expérience montre qu’ils présentent de nombreux avantages par rapport à d’autres matériaux et notamment les matériaux métalliques : la résistance à la corrosion, à l’abrasion, aux ultraviolets et aux agressions chimiques. En outre le PE présente des propriétés mécaniques très intéressantes et une résistance importante à la fissuration.

Le raccordement de ces tuyaux, sur chantier, se fait selon des procédés de soudage. Les tubes en polyéthylène possèdent l’avantage majeur de pouvoir être assemblés par des techniques de fusion efficaces et faciles à mettre en œuvre. Ces techniques sont principalement l’électro-soudage (soudage par électrofusion) et le soudage bout-à-bout. La technique majoritairement utilisée par GDF SUEZ depuis maintenant plus d’une trentaine d’années demeure l’électro-soudage qui est une technique réputée fiable et maîtrisée. Elle consiste à joindre des tubes à l’aide d’un manchon ou à effectuer des piquages de dérivation au moyen d’une prise dite « de branchement ».

Le matériau concerné : le polyéthylène

Le matériau utilisé pour la fabrication des tubes et des raccords électrosoudables est principalement le polyéthylène à moyenne et haute densité (PEMD et PEHD). C’est un polymère semi-cristallin, avec un taux de cristallinité compris entre 40 et 80% [Hehn, 2006]. On le trouve sous différentes désignations , selon la résistance à la contrainte circonférentielle minimale (CCM) qu’il présente à 20 °C et pendant 50 ans [Norme ISO 4437].

Le PE 100 est le plus récent et le plus résistant à l’exception du PE 100 RC. Il reste majoritairement utilisé aujourd’hui dans le domaine de la distribution de l’eau ou du gaz. Le premier PE 100 commercialisé est connu sous le nom « Eltex® TU B121 ». Il s’agit d’un copolymère d’éthylène et de butène, élaboré au début des années 90 avec des propriétés améliorées à la fissuration par rapport aux PE 80 classiques, lié à son procédé de polymérisation bimodal [Dewitt, 1992].

De par son usage répandu à travers le monde, c’est à ce matériau que nous avons décidé de consacrer notre étude dans le cadre de cette thèse.

Techniques de soudage du polyéthylène par fusion 

Le soudage par fusion est une technique utilisée pour assembler des pièces thermoplastiques. Ce procédé consiste à chauffer deux pièces simultanément et à les presser l’une contre l’autre. Les deux pièces refroidissent ensemble et forment une liaison permanente. Quand cela est réalisé correctement, les deux pièces deviennent indiscernables l’un de l’autre et les propriétés mécaniques de la soudure sont équivalentes à celles du matériau initial.

Ageorges et al. [Ageorges, 2001] ont passé en revue les différentes techniques de soudage des thermoplastiques. Ils les ont divisées en deux catégories :
● La première technique consiste à générer l’énergie nécessaire à la fusion par mouvement mécanique : c’est le cas pour le soudage par vibrations ultrasoniques, le soudage par friction…
● La seconde technique nécessite une source de chaleur externe : une plaque chaude (dans le cas du soudage par bout-à-bout), soudage par gaz chaud, soudage par résistance thermique (électrofusion) ou par rayonnement (infrarouge, laser, induction)…

Les techniques utilisées dans le domaine de la distribution du gaz et de l’eau restent majoritairement le soudage bout-à-bout et le soudage par électrofusion. Une des raisons principales à cela est que certaines interventions sur ce type de réseaux ont lieu sans coupure de ces derniers. Le gaz, en particulier, continue d’y circuler. Nous allons décrire brièvement les différentes techniques utilisées pour le soudage par fusion des thermoplastiques concernés dans la distribution du gaz et de l’eau.

Le soudage bout-à-bout

Le soudage bout-à-bout est essentiellement utilisé pour assembler des tubes de gros diamètres. Cette technique est actuellement moins utilisée dans le domaine du gaz car le diamètre des tubes est généralement inférieur à 250 mm ainsi que pour des raisons de sécurité et sa mise en œuvre compliquée.

Le principe du soudage par bout-à-bout a été décrit dans la thèse de Hehn [Hehn, 2006]. Il consiste à assembler des thermoplastiques par la fusion des extrémités des deux tubes en question grâce à une plaque chauffante appelée miroir. Au niveau des extrémités à souder, la matière va fondre. Puis les deux parties fondues des tubes sont mises en contact, après retrait du miroir. Le soudage est caractérisé par l’apparition d’un bourrelet dont la formation commence pendant la phase de chauffage et se poursuit pendant le soudage.

Cette technique nécessite la maîtrise de plusieurs paramètres dont le temps, la température et la pression appliquée. La pression doit être suffisante pour assurer un bon contact entre le tube et le miroir sans pour autant trop écraser la matière fondue et l’éjecter. Le temps de chauffage et la température du miroir doivent être maîtrisés de façon à avoir le volume de matière fondue nécessaire au soudage. La pression appliquée lors de la phase de soudage doit permettre la diffusion des couches fondues des deux tubes pour favoriser l’enchevêtrement des chaînes de polyéthylène. De plus, cette phase doit être assez longue pour éviter le décollement de la soudure une fois la pression relâchée. La durée du procédé doit être suffisante pour permettre à la matière de se solidifier.

Le soudage par électrofusion 

Dans le domaine de la distribution de l’eau et du gaz, l’électro-soudage reste néanmoins la technique de soudage majoritairement utilisée, principalement pour sa fiabilité [Nussbaum, 1991 – Bowman, 1997]. Cette technique consiste à assembler deux tubes ou à pratiquer une dérivation par l’intermédiaire d’un raccord de soudage. Ces raccords dits « électrosoudables » comportent un fil chauffant intégré au moment de leur fabrication par injection . Dans une première étape, une « galette » en PE est injectée. On y fixe ensuite un enroulement métallique. Cette « galette » est ensuite placée dans un moule, et du PE est sur-injecté pour former l’accessoire chauffant. Lors du soudage, un courant électrique génère par effet Joule l’énergie nécessaire au 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. 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 de 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. La pression et la température atteintes à l’interface sont reconnues comme étant des facteurs influant sur la qualité du soudage [O’Donoghue, 1991 ; Kanninen, 1992 ; Fujikake, 1997].

La simplicité de mise en œuvre de cette technique qui est fortement automatisée (gestion du cycle de soudage par code à barres) la rend accessible aux équipes les plus décentralisées qui ont à intervenir sur les différents réseaux. Elle a fait l’objet d’importantes recherches qui permettent aujourd’hui son utilisation jusqu’au diamètre 250 mm et plus avec une mise en œuvre facilitée.

Le soudage par électrofusion se divise en quatre étapes :
1. Il commence par un grattage uniforme de la partie du tube à souder afin d’enlever la couche de surface éventuellement dégradée.
2. Il se poursuit par un nettoyage des surfaces du tube et du raccord avec un solvant adapté afin de réduire tout risque de pollution des surfaces.
3. Les deux parties à souder sont assemblées à l’aide d’un positionneur redresseur qui permet un positionnement parfait du raccord et évite toute ovalisation du tube.
4. Le raccord est finalement relié à une machine de soudage. Une tension électrique est appliquée pendant un temps de chauffage donné. La résistance du fil chauffant génère par effet Joule l’énergie nécessaire au chauffage du fil et indirectement du polyéthylène qui l’entoure.

Différentes gammes d’accessoires de raccordement existent sur le marché. On peut identifier deux familles principales suivant le type d’enroulement du fil : enroulement circulaire autour de l’axe du tube pour les manchons ou autour de l’axe perpendiculaire au tube pour les selles de raccordement . Le diamètre interne du manchon est légèrement supérieur au diamètre externe des tubes à assembler. Les zones de fusion sont séparées par les zones froides.

Les fils chauffant sont fabriqués à partir d’alliage de cuivre, de zinc et de nickel. A titre d’exemple, on peut citer cinq types d’alliages utilisés pour la fabrication des fils chauffants : Cu99 (ETP), Cu95Zn5, Cu80Zn20, Cu90Ni10, Cu66Ni44. Des soudures de mauvaise qualité ont parfois été constatées. Elles peuvent avoir différentes origines. Des solutions techniques ont été proposées dans les différents cas de figure rencontrés. Parmi les incidents les plus souvent rencontrés, on notera :

• l’oxydation des surfaces à souder par les rayons ultra-violets et la chaleur peut créer une barrière chimique qui empêche le soudage des deux parties. C’est la raison pour laquelle les normes préconisent le grattage de la surface à souder avant l’assemblage des pièces.
• la pollution des surfaces à souder après grattage ; elle entraîne l’apparition de bulles et de cavités du fait de la vaporisation des polluants présents. Il est donc impératif de nettoyer les surfaces au moyen d’un solvant adapté.
• un jeu important d’assemblage entre les pièces ; celui-ci provoque une discontinuité dans la soudure, qui constitue potentiellement « des chemins de fuite». La solution proposée est l’utilisation de machines à grattage automatisées et de positionneurs.
• enfin, l’énergie préconisée par le constructeur peut ne pas être adaptée à l’accessoire de soudage ; des échauffements dus à un excès d’énergie ou une fusion insuffisante au contraire par manque d’énergie peuvent être observés.

Miska et al. [Miska, 1991] ont confirmé l’influence du grattage et du nettoyage sur la qualité de la soudure. Gueugnaut et al. [Gueugnaut, 1993-1996] ont confirmé l’influence de l’oxydation, qui crée une barrière, sur la soudabilité des accessoires. La présence de codes-barres sur les accessoires et l’automatisation des paramètres qui en découle permettent d’éviter en grande partie ces problèmes. Elle permet en outre de limiter l’élévation de la température en paroi interne afin qu’elle reste raisonnable au contact du gaz et qu’elle n’entraîne pas un ramollissement excessif des tubes ou une dégradation du PE lors du soudage.

Néanmoins, y compris en prenant les précautions indiquées ci-dessus, des problèmes subsistent, sans que leurs causes ne soient identifiées. Les expertises de ces incidents menées par la Direction Recherche et Innovation de GDF SUEZ permettent d’écarter raisonnablement dans la plupart des cas un certain nombre de facteurs exogènes liés purement à la mise en œuvre. Elles semblent davantage mettre en cause l’évolution de la température à l’interface tube / raccord durant le cycle chauffage-refroidissement pour le temps de chauffage spécifié, sans en identifier la cause exacte. Il est donc nécessaire de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu au cours du soudage afin d’en optimiser les résultats.

Table des matières

Introduction Générale
Chapitre 1 Contexte de l’étude
1.1 Le matériau concerné : le polyéthylène
1.2 Techniques de soudage du polyéthylène par fusion
1.2.1 Le soudage bout-à-bout
1.2.2 Le soudage par électrofusion
1.3 Essai expérimental de soudage par électrofusion
1.4 Conclusion
Chapitre 2 Modélisation de l’électrosoudage
2.1 Introduction
2.2 Modèles physiques
2.2.1 Cristallisation
2.2.2 Fusion
2.2.3 Diffusion macromoléculaire
2.2.4 Conductivité thermique du polyéthylène
2.2.5 Dilatation thermique
2.3 Caractérisation thermique expérimentale du PE
2.3.1 Cinétique de cristallisation et loi de fusion
2.3.2 Mesure de la conductivité en fonction de la température
2.4 Bibliographie sur les modèles numériques de soudage
2.5 Conclusion
Chapitre 3 Développement d’un modèle EF d’électrosoudage des tubes en PE
3.1 Introduction
3.2 Description du logiciel Forge®
3.2.1 Equations de la mécanique
3.2.2 Equations de la thermique
3.2.3 Discrétisation spatiale de l’équilibre mécanique et thermique
3.3 Développements spécifiques pour l’électrosoudage
3.3.1 Evolution de la phase fondue
3.3.2 Enthalpies de fusion et de cristallisation
3.3.3 Modèle d’interdiffusion
3.3.4 Loi de comportement mécanique
3.4 Validation des développements
3.4.1 Evolution de la phase fondue
3.4.2 Enthalpie de cristallisation
3.4.3 Critère d’interdiffusion
3.5 Conclusion
Chapitre 4 Validation des développements numériques
4.1 Introduction
4.2 Méthodes expérimentales en vue de déterminer la qualité d’une soudure
4.2.1 Etude bibliographique
4.2.2 Méthodes choisies
4.3 Validation sur géométrie plane
4.3.1 Procédures expérimentales
4.3.2 Modélisation numérique
4.3.3 Confrontation expérimentale/numérique (Thermique)
4.3.4 Confrontation expérimentale/numérique (Mécanique)
4.4 Conclusion
Chapitre 5 Utilisation du modèle numérique pour prédire la qualité d’une soudure
5.1 Introduction
5.2 Application sur géométrie plane
5.2.1 Plan d’expérience
5.2.2 Conditions de soudages retenues
5.2.3 Mise en évidence expérimentale de l’influence de l’état de surface sur le soudage
5.2.4 Essais de pelage
5.3 Application sur pièces industrielles
5.3.1 Réalisation des géométries 3D (les pièces)
5.3.2 Application des conditions aux limites
5.3.3 Résultats des simulations
5.4 Conclusion
Conclusions

Lire le rapport complet