Caract´eristiques du front de solidification

Les caract´eristiques du front de solidification sont les principaux t´emoins de changements microstructuraux dus aux variations des param`etres de soudage. Ces derniers peuvent en effet modifier les conditions de solidification, comme par exemple les vitesses de solidification, mo-difiant ainsi les caract´eristiques microstructurales telles que les espacements interdendritiques (Tab. 3.2). La vitesse instantan´ee de d´eplacement du front est mesur´ee `a l’´echelle microsco-pique grˆace aux images de la cam´era rapide selon le protocole d´ecrit dans le chapitre 2 (cf. section 2.4.1). Les vitesses de solidification moyennes du bain en faces endroit et envers sont aussi calcul´ees, grˆace aux images des deux cam´eras AVT `a l’´echelle macroscopique (Fig. 3.2). Elles sont obtenues en divisant le diam`etre de la zone fondue du bain, mesur´e par analyse post-mortem sur les ´eprouvettes, par le temps de solidification en face endroit et envers d´eter-min´e `a partir des enregistrements des deux cam´eras AVT. Les espacements interdendritiques sont mesur´es grˆace `a l’´etude des images de la cam´era rapide.

Type Vitesse de Vitesse moy. de Vitesse moy. de Espacements d’essai croissance solidification solidification entre dendrites

dendritique (mm/s) sup. (mm/s) inf. (mm/s) (µm)

1 3, 8 ± 0, 1 5, 3 3, 9 97 ± 1 2 3, 5 ± 0, 4 4, 2 3, 6 83 ± 4 3 2, 8 ± 0, 4 3, 6 3, 1 84 ± 9 4 2, 7 ± 0, 8 3, 2 3, 0 84 ± 7 5 2, 8 ± 0, 5 3, 0 2, 8 76 ± 8 6 2, 5 ± 0, 4 84 ± 8 7 1, 9 ± 0, 4 66 ± 6

Table 3.2 – Vitesses de croissance de dendrites mesur´ees `a l’´echelle microscopique, vitesses moyennes de solidification mesur´ees `a l’´echelle macroscopique sur les faces inf´erieure et sup´e-rieure du bain liquide, et espacements interdendritiques.

Qualitativement, du cot´e de la morphologie de solidification, les vid´eos obtenues `a l’aide de la cam´era rapide montrent syst´ematiquement des dendrites colonnaires parall`eles, dont les pointes forment le front de solidification (Fig. 3.3). Th´eoriquement elles sont cens´ees suivre la direction du gradient de temp´erature maximal impos´e par le proc´ed´e de soudage. C’est le cas dans ces exp´eriences, o`u on ne retrouve pas, dans la zone d’observation `a l’´echelle microscopique, de dendrites qui ne soient pas perpendiculaires au front, `a l’exception de certains essais `a faible ´energie comme dans l’essai type 1 o`u la microstructure est un peu plus complexe. Lors de cet essai, certaines dendrites se d´eveloppent en effet dans le bain de fusion en aval du front de solidification, sans contact avec celui-ci (Fig. 3.4).

En comparant les vitesses de solidification moyennes sur la face sup´erieure et la face envers du bain liquide, on remarque une vitesse bien plus importante au dessus qu’en dessous. En effet, le temps de solidification est quasiment le mˆeme pour les deux faces sup´erieure et inf´erieure, au facteur de pr´ecision pr`es, alors que le bain est plus grand au dessus qu’en dessous de la tˆole (Tab. 3.3). Notons que la pr´ecision de d´etermination du temps de solidification est

Figure 3.2 – S´erie d’images extraites des cam´eras AVT. Les cinq images du dessus corres-pondent `a l’observation macroscopique en face endroit et les cinq en dessous correspondent `a l’observation macroscopique en face envers. La r´ef´erence de temps (t = 0) correspond au com-mencement de l’essai, et la premi`ere image repr´esent´ee `a gauche pour chaque face, correspond `

a l’instant de l’extinction de l’arc.

Figure 3.3 – S´erie d’images extraite d’une vid´eo de la cam´era rapide pour un essai type 5. On distingue les dendrites colonnaires en cours de croissance (en blanc) s´epar´ees par des canaux de liquide pas encore solidifi´e (en noir) sur la partie sup´erieure de l’image, et sur la partie inf´erieure le bain de fusion encore liquide (en noir).

limit´ee par la faible fr´equence d’acquisition des cam´eras AVT. Les images sont en effet espac´ees de 25 ms environ. Les temps de solidification ´etant compris, selon les essais, entre 0, 6 et 2 s environ, cela donne une erreur qui peut atteindre un maximum de 4% du temps estim´e.

Figure 3.4 – S´erie d’images montrant la croissance de dendrites dans le liquide situ´e en aval du front de solidification. Le front de solidification en pointill´es n’a pas encore atteint le centre du bain mais des dendrites sont d´ej`a apparues, en croissant depuis l’amas d’oxydes central.

la vitesse instantan´ee de croissance, dans la zone de champ de la cam´era rapide, localis´ee en p´eriph´erie du bain. Pour la plupart des essais, une petite zone de m´etal de base non-fondue reste visible en bordure du champ de la cam´era `a l’extinction de l’arc, ce qui permet d’observer les tous premiers instants de la solidification. Pour quelques essais, la fronti`ere avec la zone non-fondue `a l’extinction de l’arc est en dehors du champ de la cam´era, mais le front de solidification apparaˆıt rapidement dans le champ, moins de 0, 5 s apr`es l’extinction de l’arc. Rappelons que la cam´era rapide est plac´ee en face envers. Cette mesure fournit donc une estimation de la vitesse de croissance des dendrites en face envers, en d´ebut de solidification du bain axisym´etrique. Elle permet en outre de suivre l’´evolution de la vitesse instantan´ee de croissance, sur une distance de 0, 5 `a 1 mm environ, correspondant `a la zone centrale du champ de la cam´era rapide (la zone suffisamment pr´ecise pour d´etecter de fa¸con nette le front de solidification). Les r´esultats ont cependant montr´e que cette vitesse de croissance dendritique demeure quasiment constante sur tout le champ d’analyse microscopique.

En comparant les vitesses de croissance dendritique et de solidification macroscopique en face envers, on remarque qu’elles sont tr`es similaires. Les ´ecarts entre les deux mesures sont assez faibles, d´emontrant une certaine fiabilit´e des mesures. La vitesse de solidification moyenne mesur´ee `a l’´echelle macroscopique est cependant un peu plus grande que la valeur microscopique, ce qui pourrait indiquer que la solidification acc´el`ere dans sa phase finale.

Les r´esultats montrent que l’augmentation de l’´energie de soudage entre les essais s’ac-compagne d’une diminution de la vitesse de solidification. L’augmentation de la dur´ee de

Type Diam`etre sup. Diam`etre inf. Ratio Aire d’interface d’essai du bain (mm) du bain (mm) inf./sup. (mm²) 1 6, 4 ± 0, 1 4, 7 ± 0, 1 0, 73 ± 0, 00 33 ± 1 2 8, 0 ± 0, 2 6, 7 ± 0, 0 0, 84 ± 0, 02 39 ± 1 3 9, 8 ± 0, 3 8, 7 ± 0, 3 0, 89 ± 0, 02 48 ± 6 4 11, 1 ± 0, 1 10, 3 ± 0, 2 0, 93 ± 0, 01 55 ± 5 5 12, 0 ± 0, 0 11, 4 ± 0, 1 0, 95 ± 0, 01 60 ± 1 Type Volume du d’essai bain, (mm³) 1 38, 3 ± 0, 4 2 67, 7 ± 1, 0 3 106 ± 1, 9 4 143 ± 0, 7 5 172 ± 0, 4

Table3.3 – Caract´eristiques g´eom´etriques des bains liquides form´es lors des diff´erents essais. Les surfaces d’´echange entre le liquide et le solide sont calcul´ees avec la formule de la surface d’un cˆone tronqu´e : S = π(R + r)ð

h2+ (R − r)2 avec h l’´epaisseur de la tˆole, R le rayon sup´erieur du bain et r le rayon inf´erieur du bain. Les volumes sont calcul´es de la mˆeme mani`ere grˆace `a la formule : ^πh₃ (R²+ r²+ Rr).

l’´evanouissement de l’arc diminue ´egalement la vitesse de solidification du bain (Tab. 3.2). D’apr`es la litt´erature, les variations d’´energie sont cens´ees avoir une influence sur les espacements interdendritiques, `a travers la vitesse de croissance dendritique et le gradient de temp´erature `a l’interface (cf. section 1.2.2.7). Ces espacements sont mesur´es sur chaque front de solidification `a distances ´egales des pointes de dendrites. Sur le tableau 3.2, on constate que les espacements interdendritiques diminuent l´eg`erement avec l’augmentation de l’´energie de soudage. L’espacement interdendritique diminue ´egalement avec l’augmentation du temps d’´evanouissement de l’arc.