Déformation de la surface du bain de fusion et pressions d’arc correspondantes

Figure 109 : Rendement d’arc calibré afin de reproduire la géométrie du cordon lors du

soudage MAG (a et b) et hybride laser/MAG (c et d) en fonction de la vitesse de soudage

6.5 Déformation de la surface du bain de fusion et pressions d’arc

correspondantes

On a observé clairement que la surface du bain de fusion se déforme sous l'action de la

pression de l’arc. L’analyse des films vidéo a permis de montrer que cette déformation

augmentait avec la vitesse d’apport de matière et donc avec la puissance de l’arc (cf. § 4.2.2).

La pression de l'arc a été ajustée dans le modèle afin d'obtenir la meilleure adéquation entre

les valeurs de déformation maximale calculées et mesurées. Dans ces simulations, la pression

des gouttelettes n’a pas été incluse explicitement dans le modèle. Par conséquent, la pression

d'arc présente dans notre modèle doit être interprétée comme une pression globale comprenant

également l'effet des gouttelettes.

Les déformations maximales de la surface du bain fondu ont été facilement reproduites

à l’aide des modèles numériques du soudage MAG et hybride laser/MAG (Figure 110). Les

pressions d’arc relatives à ces déformations sont présentées sur la Figure 111. Comme nous

l’avons expliqué dans l’étude de sensibilité des paramètres à ajuster, le rayon de distribution

de la pression d’arc σ

est égal à celui obtenu pour la puissance d’arc r

. Nous obtenons des

MAG MAG

pressions d’arc variant de 600 à 2200 Pa en soudage MAG et de 900 à 2400 Pa en soudage

hybride laser/MAG. Les pressions appliquées sur la surface du bain fondu sont plus faibles

pour des basses vitesses d’apport de matière (faible puissance d’arc) que ce soit en soudage

MAG ou en hybride laser/MAG. Les valeurs de pression d'arc pour des vitesses de fil

d’apport inférieures à 5 m/min, doivent être interprétées avec prudence en raison des faibles

valeurs de déformation observée dans cette plage. Néanmoins, on observe une nette différence

entre les pressions d’arc obtenues en régime court-circuit (faible vitesse d’apport de matière)

et en régime spray (vitesse d’apport de matière élevée).

Pour des vitesses d’apport de matière élevées, soit des puissances d’arc importantes,

les pressions d’arc calibrées en soudage hybride sont plus importantes que celles obtenues en

soudage MAG. On comprend facilement cette tendance du fait que l’on a mesuré des

déformations plus importantes en soudage hybride. Ces résultats suggèrent que la présence du

capillaire de vapeur influe sur la valeur de la pression d'arc. Ceci est confirmé par les

observations à la caméra rapide. En effet, pendant le soudage hybride, l’observation des

vidéos montre que l'emplacement de l'impact des gouttelettes sur la surface du bain de fusion

est différent de celui observé en soudage MAG, pour les mêmes paramètres de l’arc. Les

gouttelettes semblent être attirées par le capillaire de vapeur. Ainsi l'équilibre des différentes

forces agissant sur la surface du bain de fusion est modifié. De plus, Fan suggère dans ces

travaux que les forces électromagnétiques agissant sur la goutte jouent un rôle important dans

le détachement des gouttelettes, en particulier à des courants élevés [FAN 2004]. On peut

donc imaginer que la présence du capillaire de vapeur et des vapeurs métalliques éjectées à

travers le keyhole ait un effet sur les phénomènes physiques de l’arc.

Les pressions d’arc maximales sembleraient ne pas dépendre de la vitesse de soudage

aux erreurs près. Elles dépendent bien sûr fortement de la vitesse d’apport de matière et donc

de la puissance de l’arc. Comme nous l’avions signalé dans la partie bibliographique, il existe

très peu de données sur les pressions rencontrées en soudage MIG-MAG. Les simulations

numériques relatives à ce procédé utilisent habituellement les données disponibles pour le

soudage TIG. Afin de comparer nos résultats avec ceux mesurés en soudage TIG par Lin et

Eager, une moyenne de la pression d’arc sur les différentes vitesses de soudage pour une

vitesse d’apport de matière constante a été réalisée (Figure 112) [LIN 1986]. Dans leurs

travaux, la pression d’arc de soudage TIG a été mesurée pour des courants de 300 à 600

ampères. L’ordre de grandeur des pressions d’arc obtenu en procédé MAG et hybride semble

être proche de celui obtenu en procédé TIG. Bien que les procédés de soudage TIG et de

soudage MAG soient très différents, il est intéressant de noter que les valeurs de pression

d'arc en soudage MAG semblent être dans le même intervalle que celui observé en soudage

TIG pour un angle d’affûtage de l’électrode de 60°. A noter qu’en soudage MAG, la forme de

l’électrode évolue en fonction du détachement des gouttelettes. Malgré des pressions d’arc

proches dans les 2 procédés, il est bien connu que la déformation de la surface du bain en

soudage TIG (généralement inférieure à 1 mm) est bien plus faible qu’en soudage MAG. On

peut supposer que cette différence s’explique par une surface de bain plus grande en soudage

MAG. En effet, les déformations obtenues pour une pression d’arc donnée seront d’autant

plus grandes que la surface du bain liquide est grande.

Figure 110 : Comparaison entre les valeurs de déformation maximales numériques et

expérimentales lors du soudage MAG (a) et hybride laser/MAG (b) en fonction de la vitesse

de soudage

Figure 111 : Pressions d’arc maximales calibrées afin de reproduire la déformation

observée expérimentalement lors du soudage MAG (a) et hybride laser/MAG (b) en fonction

de la vitesse de soudage

Figure 112 : Pressions d’arc maximales calibrées pour du soudage MAG (a) et hybride

laser/MAG (b) en fonction de l’intensité d’arc

Comparaison avec les mesures de Lin et Eager (courbes en pointillé) obtenues en soudage

TIG pour différents angles d’affûtage [LIN 1986]

MAG _Hybride