Conclusion et perspectives

A travers l’étude expérimentale, on constate la complexité du procédé hybride

laser/MAG qui met en jeu de nombreux paramètres opératoires. La connaissance individuelle

des procédés de soudage MIG-MAG ou laser n’est pas suffisante pour avoir une

compréhension complète du procédé de soudage hybride laser/MIG-MAG.

L’originalité de cette étude a été l’utilisation de l’imagerie rapide qui est de plus en

plus utilisée afin de déterminer le comportement physique du bain de fusion à travers

l’interaction arc/laser, laser/matière et arc/matière. La caméra rapide permet d’observer le

procédé en cours de soudage, du détachement des gouttes d’apport de matière aux

phénomènes de convection en surface du bain de fusion. Des techniques spécifiques ont

permis d’acquérir des données particulières difficiles à obtenir par d’autres moyens. En effet,

la longueur du bain de fusion, la déformation de la surface induite par la pression d’arc, la

vitesse en surface du bain de fusion, les vitesses, les fréquences, le rayon et la pression des

gouttes lors du détachement du fil d’apport ont pu être déterminés.

Environ 250 configurations ont ainsi été réalisées afin de créer une large base de

données. L’ensemble des configurations étudiées recouvre la gamme des paramètres

opératoires actuellement utilisés dans l’industrie. Chaque configuration demande plusieurs

lignes de fusion. En effet, chaque paramètre observable nécessite une instrumentation et une

visualisation spécifique et donc une ligne de fusion correspondante. En plus des observations

à la caméra rapide, des lignes de fusion supplémentaires ont été réalisées afin d’obtenir la

coupe transversale et longitudinale pour l’ensemble des configurations étudiées. La géométrie

en coupe longitudinale a été obtenue à l’aide d’un traceur interne. Ces essais ont permis

d’étudier l’influence des différents paramètres opératoires sur la géométrie de la ligne de

fusion en soudage MAG, laser et hybride laser/MAG

La mesure de la longueur du bain fondu n’est que très rarement étudiée. Néanmoins,

cette donnée permet une validation supplémentaire des modèles numériques. Ainsi, la mesure

de la longueur du bain de fusion a été obtenue avec précision à l’aide de l’imagerie rapide

pour les 3 procédés de soudage MAG, laser et hybride laser/MAG. Nous avons montré qu’une

mesure directe sur le cordon après le soudage permet d’obtenir une mesure approchée de la

longueur du bain de fusion malgré la sous-estimation de la mesure. Ainsi, il est possible

d’avoir une mesure approchée si on ne dispose pas de caméra rapide.

Dans la littérature, aucune donnée expérimentale n’existe sur la mesure de la

déformation de la surface du bain de fusion en soudage MAG ou soudage hybride. La mesure

de la pression a quant à elle été étudiée dans le cas du soudage TIG [LIN 1986]. Dans les

travaux concernant le soudage MIG-MAG, il est habituel d’utiliser ces valeurs de pression

[KIM 2003, KUMAR 2004-a, ZHANG 2004-a]. Néanmoins, il est bien connu que les

déformations de la surface en soudage MIG-MAG sont plus importantes qu’en soudage TIG.

Ainsi, dans cette étude, une mesure précise de la déformation de la surface a été réalisée grâce

à l’utilisation de l’imagerie rapide. Cette mesure nous a permis par la suite de développer un

modèle prenant en compte cette déformation de la surface du bain de fusion. En effet, le dépôt

d’énergie se fait sur une surface fortement déformée, ce qui est rarement pris en compte dans

les modèles présentés dans la littérature qui font généralement l’hypothèse d’une surface

plane.

Du point de vue des mesures de fréquence, de vitesse de détachement et de pressions

des gouttes, les travaux antérieurs sont nombreux. Néanmoins, ils présentent de nombreuses

discordances [JONES 1998, LIN 2001, WANG 2003, VALENSI 2007, PARK 2009]. Une

étude spécifique a donc été réalisée dans le cadre de nos configurations propres afin

d’éclaircir le comportement du détachement de gouttes. L’influence d’un faisceau laser sur le

détachement des gouttes dans le cas du soudage hybride laser/MAG a ainsi été étudiée. Ces

données pourront être utilisées par des numériciens qui modélisent le détachement des

gouttes.

L’ensemble de ces données a permis de réaliser une base de données expérimentales et

d’obtenir des expressions analytiques des données de sortie (largeur, pénétration,

surépaisseur, surface, déformation et longueur) en fonction des données d’entrée (puissance

d’arc et vitesse de soudage). Ces expressions permettront d’éviter de réaliser des essais

supplémentaires pour déterminer les caractéristiques du cordon de soudure pour une

configuration de soudage inconnue. De plus, cette base de données a permis de valider les

modèles numériques développés au cours de ce travail de thèse.

En effet, des modèles thermiques tridimensionnels spécifiques aux procédés de

soudage MAG, laser et hybride laser/MAG ont été développés dans le cas du soudage non

débouchant en régime quasi-stationnaire. Dans le cas du soudage laser, une approche simple a

été réalisée : on suppose la géométrie du capillaire de vapeur connue et à la température de

paroi égale à la température d’évaporation du métal. La déformation de la surface du bain

fondu sous l’effet de la pression d’arc a été prise en compte pour les procédés de soudage

MAG et hybride à travers une approche variationnelle qui minimise l'énergie totale du bain de

fusion, avec la contrainte que le bain de fusion a un volume constant défini par le débit

massique d’apport de matière. Ces modèles simplifiés permettent d’obtenir en quelques

minutes la géométrie complète du cordon de soudure et les cycles thermiques induits.

Les géométries de cordon ont été validées à travers 28 configurations de soudage : 4

en soudage laser, 12 en soudage MAG et 12 en soudage hybride laser/MAG. Les modèles

reproduisent correctement la largeur, la pénétration, la surépaisseur, la longueur et la

déformation de la surface. Les modèles ont aussi permis d’obtenir des expressions analytiques

des différents paramètres à caler lors de la simulation: rendement d’arc, rayon de distribution,

pression d’arc, modification de la conductivité thermique. Ces expressions permettront de

réaliser de très nombreuses configurations de soudage sans avoir à faire de procédures de

calibration de paramètres ou d’essais expérimentaux supplémentaires.

Du point de vue du projet HYPROSOUD, les objectifs ont été presque atteints. En

effet, une étude complète en termes de géométrie et d’observation par imagerie rapide a été

réalisée sur les procédés de soudage MAG, laser et hybride laser/MAG. Un modèle simple a

été développé afin de prédire la géométrie du cordon de soudure et les cycles thermiques. De

plus, ce modèle a été conçu sur un logiciel commercial et sur un ordinateur de bureau avec

des temps de calcul raisonnables. Néanmoins, la configuration en angle n’a pas été étudié.

Perspectives :

Du point de vue expérimental, une mesure des températures par thermocouples en

cours de soudage afin d’obtenir les cycles thermiques est en cours de réalisation. Ces résultats

permettraient de valider les champs de température issus de la modélisation numérique. Un

deuxième point serait d’effectuer une mesure par calorimétrie des rendements d’arc. En effet,

la littérature présente de nombreux résultats qui sont en désaccord [VITOORAPORN 1990,

DUPONT 1995, NILES 1995]. Ces différences peuvent s’expliquer du fait que les conditions

opératoires soient différentes. Cependant, il est donc difficile de justifier les rendements

utilisés pour nos configurations. Des mesures spécifiques dans le cadre du soudage pourraient

aussi être envisagées. Ces mesures permettraient de pouvoir prendre en compte correctement

les pertes par évaporation dans le modèle numérique.

Du point de vue numérique, les modèles développés sont en cours d’évolution pour

être appliqués au cas du soudage débouchant. Par la suite, ils pourront évoluer pour simuler le

cas du soudage en angle. Une autre approche serait de réaliser une comparaison de notre

modèle thermique avec un modèle plus physique thermohydraulique permettant de valider les

différentes hypothèses choisies dans cette étude. La mise au point d’un modèle

thermohydraulique complet avec le logiciel COMSOL constitue donc une étape future

incontournable. Une description complète de l’arc avec une description complète du plasma et

du détachement des gouttes serait envisageable dans le cas du soudage hybride.

Annexe 1 : Etude de sensibilité des propriétés

Dans le document Etude du procédé de soudage hybride laser/MAG : Caractérisation de la géométrie et de l'hydrodynamique du bain de fusion et développement d'un modèle 3D thermique (Page 150-156)