Dispositif de chauffage

Pour le thixoforgeage, il est important de porter l’alliage à l’état semi-solide avec une température la plus homogène possible dans le lopin. Ce dernier peut être chauffé en utilisant différents moyens comme le chauffage par induction, les fours à gaz, les fours électriques à résistance...

Fig. 2.4. Système de chauffage à induction au LCFC à Arts et Métiers ParisTech, METZ.

Du fait de sa grande vitesse de chauffe, de sa bonne répétabilité et de la capacité d’une chauffe sous atmosphère protectrice, le chauffage par induction est préférable en contexte

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industriel aux autres techniques. La Fig. 2.4 montre le système par induction utilisé pour les essais réalisés dans le cadre de ces travaux. Ce système est constitué d’un générateur, d’un programmeur et d’un solénoïde. Le générateur (de marque CELES) peut fournir une puissance jusqu’à 50kW dans un intervalle de fréquence de 20 à 100 kHz. Pour obtenir une température uniforme et optimiser la chauffe, le solénoïde a été conçu à façon. Les dimensions de celui-ci ont été déterminées en fonction de la taille et du matériau du lopin ainsi que des caractéristiques du générateur.

3.1.1. Conception de l’inducteur pour un chauffage par induction uniforme dans le lopin

Au cours du chauffage par induction, l’énergie est transférée du solénoïde au lopin via un champ magnétique alternatif. Celui-ci produit dans la pièce un courant induit qui va chauffer le lopin effet Joule.

Les courants induits dans le lopin sont concentrés en surface. A partir de l’équation de Maxwell, il peut être montré que l’intensité du courant induit décroît de façon exponentielle depuis la périphérie du lopin jusqu’à son centre [6]. Pour un lopin cylindrique, la distribution de courant est donnée par l’équation Eq. 2.1 :









où I0 est la densité de courant maximum en surface, R est le rayon du lopin et δ est la

profondeur de pénétration.

De son côté, la pénétration peut être exprimée par l’équation Eq. 2.2 :

f r 



 503.3 (Eq. 2.2)

où χ et μr sont la résistivité et la perméabilité magnétique relative du matériau. f est la

fréquence du courant.

La loi de Joule permet de calculer la densité de puissance Eq. 2.3 :

] / ) ( 2 exp[ ) ( _{2 0} 0 2 0 P r R  I I P r P    (Eq. 2.3)

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Les équations Eq. 2.2 et Eq. 2.3 montrent que la densité de puissance est plus importante en surface qu’au coeur du lopin. De plus, on peut noter que l’effet de concentration de la puissance en surface est plus prononcé pour les fréquences les plus élevées.

Si la fréquence du champ magnétique est trop élevée, la puissance est concentrée en surface de lopin et le cycle de chauffage devient long pour intégrer des phases d’attente pour l’homogénéisation de la température par conduction. Si la fréquence est trop basse, l’efficacité du chauffage est faible par effet d’annihilation du courant. Considérant la capacité des équipements présents au laboratoire et compte tenu des dimensions du lopin et des caractéristiques physiques du matériau, la fréquence de 28 kHz a été retenue.

En réduisant le nombre de spires ainsi que le jeu entre le lopin et le solénoïde, on peut accroître le rendement du chauffage. Toutefois, un nombre trop faible de spires peut provoquer un effet de coin sur le lopin. Le champ magnétique n’est plus uniforme sur la pièce, ceci produisant une densité de puissance hétérogène. Afin de limiter l’effet de coin, la hauteur du solénoïde est choisie trois fois supérieure à celle du lopin (Fig. 2.5).

Fig. 2.5. Illustration d’une pièce dans le champ magnétique produit par un solénoïde.

Le solénoïde est constitué d’un tube enroulé qui permet le passage du fluide de refroidissement. Les dimensions du solénoïde sont établies pour un lopin de diamètre 35mm et de hauteur 34mm : elles sont données dans le tableau 2.4.

Table 2.4 Caractéristiques géométriques du solénoïde utilisé pour les essais de thixoforgeage.

Nombre de spires 10

Diamètre intérieur 45mm

Hauteur 100mm

Diamètre intérieur du tube 6mm

54 3.1.2. Cycle de chauffage

Au cours du chauffage par induction, la relation temps-température doit être maîtrisée de façon précise pour obtenir une température uniforme dans tout le lopin [7, 8]. De façon générale, la surface du lopin s’échauffe en premier du fait de la concentration de la puissance en surface. Ceci est caractérisé par la profondeur de pénétration (Eq. 2.2). L’équation Eq. 2.2 montre qu’on peut augmenter la profondeur de pénétration des courants en baissant la fréquence de l’inducteur et donc atteindre un gradient de température plus faible. Dans un contexte industriel, il est nécessaire de réduire les temps de chauffage pour accroître la productivité. Ceci nécessite l’augmentation de la puissance de chauffage, ceci se traduisant par des gradients de température plus importants. Si on ajoute à cela les échanges thermiques avec le milieu extérieur par convection et rayonnement, on se rend compte que les exigences d’une température homogène et d’une durée de chauffage faible sont antagonistes.

Les cycles de chauffage avec plusieurs étapes sont conçus pour obtenir un champ de température uniforme en un temps court. La démarche de conception de ce cycle est la suivante : un chauffage rapide avec une forte puissance est appliqué en début de cycle jusqu’à l’obtention d’une température élevée. A ce stade, la température n’est pas homogène dans le lopin. La deuxième partie du cycle consiste à chauffer le lopin avec une puissance plus faible pour compenser les pertes de chaleur par convection rayonnement et pour « alimenter » la conduction de chaleur depuis la surface vers le cœur. Différents cycles de chauffage ont été déterminés pour atteindre chaque température de mise en forme. Le critère d’acceptabilité du cycle de chauffage est basé sur la différence de température entre les trois thermocouples qui ne doit pas dépasser 10°C.

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Pour déterminer le cycle de chauffe, des lopins sont instrumentés avec trois thermocouples (type S). Ces derniers sont placés à différents lieux du lopin pour permettre le contrôle et la mesure de la différence de température entre la surface et le cœur du lopin. Un exemple de disposition des thermocouples est présenté sur la figure Fig 2.6.

L’application d’une faible puissance en fin de cycle permet également d’éviter la fusion totale en peau. La Fig. 2.7 illustre l’évolution de la température aux différentes positions des thermocouples dans le lopin (cf fig 2.6) et de la puissance de chauffage en fonction du temps. La taille des thermocouples et leur gaine de protection en alumine nuisent à la précision et la rapidité de la mesure de température. On estime que les températures sont mesurées avec une précision de ±2.5°C.

Fig. 2.7. Exemple de cycle en plusieurs étapes du chauffage d’un lopin jusqu’à un état semi-solide. Comme stipulé par Becker [9], à l’augmentation de la température de mise en forme et associée une augmentation de la fraction liquide et une baisse de l’effort de mise en forme. En contrepartie, l’augmentation de température est limitée par le phénomène d’hétérogénéisation de l’écoulement. Il est donc nécessaire d’identifier l’intervalle de température conduisant au thixoforgeage de pièce sans défaut. L’intervalle de température est déterminé expérimentalement à travers des essais de mise en forme. Le tableau 2.5 présente des pièces thixoforgées à différentes températures.

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Table. 2.5. Illustration de l’écoulement du matériau thixoforgé à différentes températures.

Pièces thixoforgées

Ecoulement du matériau Hétérogène Homogène Température max. (°C) 1340 1289

La méthode suivie (essai-erreur) pour la détermination du cycle de chauffage est longue et coûteuse. De plus, elle ne permet pas une maîtrise suffisante du chauffage qui permettrait d’extrapoler le résultat obtenu à d’autres cas, même voisins. Il serait possible pour cela d’utiliser des outils de simulation numérique comme ceux utilisés par la société CELES, fabricant du générateur.

Fig. 2.8. Schéma du dispositif de chauffage des lopins.

Pour obtenir un champ de température uniforme, le lopin est placé au centre du solénoïde. Le lopin, durant la chauffe, est posé sur un support en céramique réfractaire. Celle-ci a la

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propriété d’être à la fois insensible au champ magnétique et résistant à la température. De plus, entre le support en céramique et le lopin est interposée une pastille de Nefacier 1500. Ce type de pastille est constitué de fibres de céramique et va permettre d’isoler thermiquement le lopin du support pour limiter les échanges thermiques (voir Fig. 2.8). Pour éviter une dérive des conditions initiales en température en début de chauffe, le support en céramique et la pastille de Nefacier sont refroidies. Lors du transfert du lopin sous la presse, les pinces sont recouvertes de Nefacier pour limiter les échanges thermiques.

3.1.3. Difficultés rencontrées au cours du chauffage par induction

Oxydation au cours du chauffage

La plupart des métaux s’oxydent en présence de l’oxygène de l’air au cours du chauffage. Comme stipulé par nombre de chercheurs [5, 10, 11], les particules d’oxyde conduisent à une usure par abrasion rapide des outillages. Pour éviter cela, il est possible d’utiliser un gaz de protection comme l’argon. Toutefois, l’oxydation est limitée en chauffage par induction car la durée du cycle est relativement courte. Dans les essais conduits dans le cadre des travaux de thèse, aucune atmosphère protectrice n’a été mise en œuvre.

Perte de chaleur

Même avec l’utilisation de la pastille isolante de Nefacier, les échanges thermiques avec le support céramique sont plus élevés que les pertes avec l’atmosphère. Au cours du transfert du lopin vers la presse, les échanges thermiques entre le lopin et le système de manutention provoquent une chute de température dans les zones de contact. La Fig. 2.9 présente l’évolution de la température au cours du chauffage par induction et du transfert du lopin. La durée du transfert est comprise entre 6 et 12s. On note une chute de température d’environ 30°C au droit des contacts entre le lopin et les pinces.

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Fig. 2.9. Evolution de la température au cours du chauffage et du transfert du lopin.