1.3 Physique du soudage ` a l’arc
1.3.3 Champ de temp´erature en soudage
C’est la distribution des temp´eratures qui pilote les transformations de la mati`ere. En soudage, cette distribution d´epend des param`etres proc´ed´es tels que la forme de la source de chaleur, qui varie en fonction du type de proc´ed´e utilis´e, les propri´et´es physiques du mat´eriau soud´e, la vitesse de soudage, les dimensions des pi`eces `a souder, etc. On peut voir sur la figure 1.22(b) la forme de la distribution de temp´erature en soudage de type TIG.
Le mod`ele de Rosenthal [30, 1] donne une approximation raisonnable du champ de tem-p´erature dans le plan dans une tˆole mince :
T − T0 = q 2πkdexp 3 −vs2ax0 4 K0 3vsr 2a 4 (1.68)
avec k la conductivit´e thermique, d l’´epaisseur de la plaque `a souder, a la diffusivit´e thermique,
vs la vitesse de soudage, q = ηQ la puissance transmise `a la plaque `a souder avec η le rendement et Q la puissance ´electrique `a l’´electrode, r = ñx20+ y2, x0 = x − vst et K0
fonction de Bessel modifi´ee de seconde esp`ece d’ordre z´ero.
Cette r´epartition des temp´eratures donne une s´erie d’isothermes dont on peut voir l’allure sur la figure 1.22(b). Le contour le plus petit repr´esente la fronti`ere du bain de fusion. Les autres contours repr´esentent des isothermes `a diff´erentes temp´eratures. Sur la figure 1.22(a), on peut voir l’´evolution de la temp´erature en fonction du temps en trois points situ´es au centre du bain de fusion, et `a 7 et 11 mm du centre, qui met en ´evidence les forts gradients `
a proximit´e de la fronti`ere du bain.
Le mod`ele de Rosenthal a ´et´e ´etabli en n´egligeant certains ph´enom`enes, selon les hypo-th`eses suivantes :
— il n’y a aucune convection dans le bain liquide ; — la tˆole est consid´er´ee comme un milieu semi-infini ;
— le r´egime thermique est suppos´e quasi-stationnaire, c’est `a dire que le champ thermique autour de la source de chaleur ne varie pas ;
— la source de chaleur est uniform´ement r´epartie le long d’un segment, normale `a la tˆole et de longueur ´egale `a d ;
— la chaleur latente de fusion est n´eglig´ee ;
— les caract´eristiques physiques des mat´eriaux ne varient pas en fonction de la temp´era-ture ;
— il n’y a pas de perte de chaleur entre la pi`ece et le milieu ext´erieur.
Le mod`ele peut ˆetre am´elior´e en prenant en compte tout ce qui vient d’ˆetre cit´e, mais requiert alors un calcul num´erique, ce qui fait perdre toute la simplicit´e recherch´ee dans ce
Figure 1.22 – Sch´ema de la r´epartition des temp´eratures pendant le soudage de type TIG [2] : (a) ´evolution de la temp´erature au cours du temps en y=0, 7 et 11 mm et (b) vue de dessus de la plaque soud´ee avec les diff´erentes courbes des isothermes autour du bain de m´etal liquide.
mod`ele. Cependant, il est possible de modifier la source de chaleur en la rempla¸cant par une distribution gaussienne `a la surface de la pi`ece, s’exprimant selon l’´equation :
q(r) = Q πa2 exp A −r 2 a2 B (1.69)
avec Q l’´energie de soudage, a le rayon effectif de la source de chaleur aussi connue sous le nom de param`etre de distribution et r =ñx20+ y2 [30].
Ces mod`eles simplifi´es permettent de mettre en ´evidence l’influence des param`etres de soudage sur la distribution de temp´erature. A ´energie lin´eique constante (q/vs), une vitesse de soudage plus grande va ´etendre les contours isothermes suivant l’axe longitudinal `a la direction de soudage, et les r´etr´ecir suivant l’axe transversal. En cons´equence, la forme du bain liquide va aussi suivre les mˆemes ´evolutions. Les propri´et´es du mat´eriau vont aussi modifier la forme du bain liquide et des isothermes. En particulier, les variations de conductivit´e thermique entre les mat´eriaux vont donner des bains plus ou moins ´etendus. Par exemple, pour un mˆeme apport de chaleur q, le cuivre, qui conduit beaucoup mieux la chaleur que l’acier, va donner une zone fondue plus petite.
`
A puissance constante, on voit (Fig. 1.23) que l’augmentation de la vitesse a tendance `
a r´etr´ecir le bain autant en largeur qu’en longueur. `A vitesse constante, l’augmentation de puissance ´elargit et allonge le bain (Fig. 1.24). La puissance a plus d’influence sur la longueur du bain que la vitesse. Le bain aura une plus forte tendance `a se r´etr´ecir avec la diminution de la puissance qu’avec l’augmentation de la vitesse.
Figure 1.23 – Isotherme du liquidus et du solidus calcul´ees pour de l’acier 304L pour 3 vitesses diff´erentes avec la puissance Q = 4500 W et le rendement η = 0, 55 typique lors du soudage TIG.
Figure 1.24 – Isotherme du liquidus et du solidus calcul´ees pour de l’acier 304L pour 3 puissances diff´erentes avec la vitesse de soudage vs = 5 mm/s et le rendement η = 0, 55 typique lors du soudage TIG.
La dur´ee de refroidissement apr`es soudage est aussi une donn´ee tr`es importante et `a ne pas n´egliger lors de la r´ealisation d’un joint. En fonction de la dur´ee de refroidissement ∆t, on peut obtenir des structures m´etallurgiques diff´erentes et l’apparition de d´efauts tels que des fissures dans la zone fondue et dans la ZAT. Les intervalles de temp´erature ”critiques” varient selon les mat´eriaux et les ph´enom`enes ´etudi´es (fissuration, fragilisation ...). Dans les aciers, la dur´ee de refroidissement pour passer de 800 `a 500oC, not´ee ∆t800500 , est particuli`erement importante, car elle d´etermine le risque de trempe du mat´eriau, c’est `a dire le risque de former une structure martensitique fragile. Pour ´evaluer les transformations m´etallurgiques en fonction de la vitesse de refroidissement apr`es soudage, on peut utiliser des diagrammes appel´es TRCS (Transformation en Refroidissement Continu en Soudage) propres `a chaque alliage. Ces diagrammes sont une adaptation des diagrammes TRC classiques, utilis´es pour pr´edire les effets des traitements thermiques, aux conditions de soudage, en modifiant les ´echelles de temps et de temp´erature.