cube. La contrainte appliquée varie entre 600 et -600 MPa. Le modèle B identifié dans ce chapitre est utilisé. Vingt cycles sont simulés. La contrainte effective tracée sur la Figure2.28 est calculée sur le dernier cycle. Le rayon du défaut introduit dans le maillage est de 1 mm. Pour ne pas avoir à lancer plusieurs calculs mécaniques, c’est la taille de la boule sur laquelle la moyenne est calculée qui varie. Le rayon du défaut simulé R est retrouvé grâce à la relation :
R RC =
1
l (2.13)
où l est le rayon de la sphère qui est donné en entrée du post-traitement. Plusieurs tailles de défauts entre 10 et 500 µm sont simulées. Les résultats sont représentés sur la Figure2.29. Les défauts dont la taille est inférieure à 70 µm n’abaissent pas la durée de vie. Au-delà, la durée de vie diminue lorsque la taille du défaut augmente.
Figure 2.29 – Diagramme de Kitagawa obtenu par simulation avec la loi de comportement identifiée. La limite d’endurance est fixée à 107. Les défauts dont la taille est inférieure à 70 µm n’abaissent pas la durée
de vie.
2.6
Conclusions et perspectives
Ce chapitre présente la démarche mise en place pour identifier le comportement du matériau constituant la zone fondue (ZF). Des essais mécaniques ont été réalisés sur des microstructures représentatives de la ZF obtenues par un traitement thermique proposé dans la thèse de B. Sarre [Sarre 2018]. Cette approche a deux avantages. La caractérisation peut avoir lieu sur des éprouvettes de taille normale et non prélevées dans une soudure. De plus, le matériau ainsi étudié est vierge de tout défaut de type bulle de gaz tels qu’ils peuvent être formés au cours du soudage.
Deux modèles élasto-plastiques différents ont été identifiés à partir d’essais à déformation imposée. Ils présentent des complexités différentes et permettent de rendre compte de tout ou partie des phénomènes observés expérimentalement. Bien sûr, l’amélioration de la qualité de la modélisation s’accompagne d’une augmentation de la complexité numérique liée à l’intégration de la loi de comportement.
Un modèle d’estimation de la durée de vie a aussi été mis en place à partir des données de nombre de cycles à rupture. Ce modèle fournit une prévision de la durée de vie de bonne qualité avec les deux modèles élasto-plastiques identifiés.
Afin de pouvoir utiliser le critère de durée de vie dans le cas de structures présentant des concentrateurs de contrainte, une longueur caractéristique est calibrée. Une fois le cycle stabilisé atteint, la moyenne de la contrainte effective du critère est calculée dans une boule de rayon la longueur caractéristique avant d’évaluer la durée de vie. Cette longueur a été calibrée à partir d’un seul essai au moment de la rédaction de ce mémoire. D’autres essais sont en cours et devraient permettre d’affiner cette calibration.
Il est choisi ici de travailler dans un cadre indépendant du temps. Des essais de fatigue avec temps de maintien révèlent une relaxation de la contrainte durant le palier. S’il s’avère que les structures d’inté- rêt subissent des chargements à des vitesses différentes de celles utilisées pour la caractérisation, il serait intéressant d’identifier un modèle de visco-plasticité.
Chapitre 3
Étude et modélisation de la population
de défauts
Ce chapitre se concentre sur la caractérisation des défauts qui peuvent apparaître lors du soudage de deux pièces par laser pulsé. Tout d’abord, les mécanismes de formation des défauts sont présentés. L’apparition de défauts est liée aux paramètres du procédé. Dans ce travail, un jeu de paramètres produisant un grand nombre de défauts est utilisé. L’objectif est d’obtenir des données représentatives du cas le plus pessimiste. Après soudage, les défauts sont observés par tomographie aux rayons X. Ce moyen d’observation donne accès à une image tridimensionnelle de chaque défaut. Il est alors possible de calculer des indicateurs qui décrivent la morphologie du défaut. Une analyse statistique des distributions de ces indicateurs est menée. Grâce à ces indicateurs, il est possible de déterminer la proximité de deux défauts. Ensuite, la répartition spatiale des défauts est étudiée. Cette dernière est liée aux mécanismes de formation des défauts. Cette analyse permet de mettre en place un modèle de génération de populations de défauts réalistes.
3.1
Mécanismes de formation des défauts
Les défauts d’intérêt dans ce travail sont ceux résultant du piégeage de gaz dans la zone fondue. La taille des défauts observés est intimement liée aux processus physiques mis en œuvre [Touvrey 2010]. Il s’agit essentiellement de brassages de gaz au sein du liquide au moment de l’effondrement du capillaire de soudage. Ce brassage de gaz peut être provoqué par plusieurs types de phénomènes qui sont exposés dans cette section.
3.1.1 Formation de défauts par effondrement du capillaire
Le premier phénomène à l’origine de défauts est l’effondrement du capillaire schématisé sur la première ligne de la Figure 3.1. Lors de l’impact laser, des bourrelets de matière fondue sont formés en périphérie du capillaire (a). Une fois l’impulsion terminée, ces bourrelets s’effondrent dans le capillaire (b). Du gaz peut alors être piégé dans la matière fondue (c). La poussée d’Archimède entraîne la montée de la bulle vers la surface (d). Cependant, si ce mouvement n’est pas assez rapide, la bulle est piégée dans la ZF (e). La taille du défaut ainsi formé est proche de celle du capillaire, soit quelques centaines de micromètres. Cet effondrement est d’autant plus fréquent que le capillaire est profond et étroit [Panwisawas et al. 2017]. Le pulse shaping permet d’éviter ce phénomène, comme représenté sur la deuxième ligne de la Figure 3.1. En effet, le fait de maintenir une pression laser force le remplissage du capillaire par le fond (b). De plus, l’allongement de la durée de la solidification améliore la capacité de dégazage des bulles sous l’effet de la poussée d’Archimède. L’orientation du soudage a aussi une influence sur la formation de ce type de défauts. De plus nombreux défauts sont observés dans le cas d’un soudage où le faisceau laser est horizontal [Chang et al. 2017]. Dans cette configuration, le mouvement provoqué par la poussée d’Archimède n’est pas dirigé vers la surface libre. Une plus grande densité de défauts est d’ailleurs observée dans la moitié supérieure du joint soudé.
Remplissage Solidification Signal rectangulaire Pulse shaping t = tL Capillaire (a) (b) (c) (d) (e) (a) (b) (c) (d) (e)
Figure 3.1 – Représentation schématique du remplissage et de la solidification de la zone fondue avec un signal rectangulaire en haut et avec pulse shaping en bas. Dans le premier cas, le faisceau laser s’arrête brusquement à t = tL, tandis que dans le second, sa puissance diminue progressivement tout au long de la
phase de remplissage assurant un remplissage du capillaire par le fond.
3.1.2 Formation de défauts par instabilités de surface
Des instabilités hydrodynamiques ont aussi lieu à une plus petite échelle. L’interface entre le métal fondu et le capillaire est très instable, et des effondrements locaux peuvent avoir lieu (voir Figure3.2). Des bulles de gaz peuvent être emprisonnées à cette occasion. Elles sont réparties sur toute la périphérie du capillaire. Ce phénomène local est très difficile à éviter. Les défauts formés sont d’une taille plus faible que ceux formés par effondrement du capillaire, mais beaucoup plus nombreux. Le pulse shaping n’a pas d’influence directe sur l’apparition de ces instabilités. Par contre, le maintien plus long de la puissance laser augmente la capacité de dégazage de ces défauts.
Surface initiale Capillaire (gaz)
Instabilité de surface
Métal fondu
Solide Défaut enformation
Figure 3.2 – Simulation avec le logiciel COMSOL d’impulsions laser sur TA6V. Les interfaces sont instables et se referment sur des poches de gaz (à gauche). L’image de droite illustre les irrégularités sur toute la périphérie de l’interface entre le métal fondu et le capillaire (d’après note technique interne CEA).