Afin d’obtenir un champ de température uniforme dans la zone utile de l’éprouvette dans le sens longitudinal, la géométrie de l’inducteur doit être prise en compte. En effet, en chauffage par induction, le champ de température reflète la géométrie de l’inducteur, donc celui-ci détermine non seulement la vitesse de chauffe maximale atteignable, mais aussi l’uniformité du champ de température.
Le flux magnétique est plus concentré à mi-longueur d’un solénoïde qu’en début et en fin. Le flux de chaleur apporté à l’éprouvette sera donc également plus important dans cette zone, qui correspond à la moitié de la hauteur totale de la spire, dans le cas général où la spire est symétrique. Il est alors nécessaire de caractériser la spire, afin que le flux mag-nétique soit le plus uniforme possible. Plusieurs solutions sont envisageables : le diamètre de la spire peut être modifié afin d’augmenter sa distance à l’éprouvette et de réduire le flux dans certaines zones, ou, plus comunément, le nombre de boucles de la spire peut être réduit au centre.
D’autre part, le champ de température étant l’image de la géométrie de la spire, celui-ci a souvent une forme en spirale (barber poiling). Pour remédier à ce problème, une rotation de l’éprouvette peut être effectuées au cours du cycle de chauffe, à une vitesse n’excédant pas 10 rotations au cours du cycle de chauffe. Toutefois, ce procédé ne semble pas envisageable pour les essais sur la machine conventionnelle de traction.
Une alternative est alors d’utiliser des tubes en cuivre plats, ou en acollant un liner à la spire [ZS88a]. Le liner est un ruban de cuivre brasé sur le tube. Dans les deux cas, les tubes plats (ou à section rectangulaire) et le liner doivent être disposés de façon à ce que leur face de dimension la plus importante soit orientée parallèlement à l’éprouvette. Ainsi la surface conductrice est plus importante, ce qui créé un champ magnétique plus large pour chaque boucle. En pratique, la solution la plus généralement employée est l’utilisation de tube à section carrée, qui permettent aux industriels de fournir des inducteurs présentant à la fois une meilleure uniformité de champ magnétique qu’avec l’utilisation de tubes à section ronde, et des vitesses de chauffe plus importante qu’avec l’utilisation de tubes à sections rectangulaires ou circulaires avec liner.
Le champ de température n’a pas été calculé par simulation, bien que certains codes permettent de le faire, principalement car le calcul à mettre en oeuvre est lourd et néces-siterait de prendre en compte toutes les pièces à proximité de l’inducteur au cours d’un essai, également car il n’y a pas de données connues sur le matériau à étudier, le Norem, concernant sa conductivité électrique en fonction de la température.
La géométrie doit donc être détemrinée expérimentalement. La démarche employée est une démarche empirique : plusieurs géométrie d’inducteurs ont été successivement utilisées afin de définir la contribution de chaque paramètre géométrique de la spire sur l’uniformité du champ de température.
disponibles au LaMCoS et compatibles avec l’éprouvette d’essai. Pour chacun de ces es-sais, 7 thermocouples ont été microsoudés sur une éprouvette de diamètre 10 mm comme on le voit figure B.3, ensuite sur une éprouvette de diamètre 6 mm identique à celles util-isées lors des essais de traction à basse température. Les thermocouples sont espacés de 5 mm, et sont répartis sur la zone utile de l’éprouvette, de -15 à +15 mm par rapport à son centre. Le thermocouple central sert de consigne. C’est donc à ce point de l’éprouvette que la température sera contrôlée.
FIGUREB.3:Microsoudage des thermocouples et inducteur 4 boucles
Lors de l’étude, chaque éprouvette subit un chargement mécanique et thermique iden-tique. Celui-ci est présenté figure B.5. Sous effort nul, l’éprouvette est chauffée à 600˚C, à une vitesse de chauffe de 10˚C.s−1. Cette température est ensuite maintenue durant 1 minute, avant le refroidissement à l’air libre. Durant toute la durée de l’essai, les mors ainsi que l’inducteur sont refroidis par une circulation d’eau.
Les géométries des inducteurs utilisés au cours de l’étude sont présentées figure B.4. Les températures de pic sont mesurées le long de l’éprouvette par l’intermédiaire de 8 thermocouples. Les distributions de température obtenues pour chacune des géométrie d’inducteurs testées peuvent être visualisées figure B.7. Une zone de 15 mm permet de souligner la partie la plus importante de ce graphique, car c’est dans cette zone que sera placé l’extensomètre au cours des essais de traction. Il est donc impératif que le champ de température soit uniforme dans cette zone.
Il apparaît à la lecture du tableau B.1 récapitulant les données importantes présentées figure B.7 que le nombre de boucles de l’inducteur a une incidence sur le gradient ther-mique, puisque un nombre supérieur de boucles a tendance à l’abaisser. Cependant, cette conclusionest à nuancer, car comme on peut le voir sur la représentation schématique des inducteurs figure B.7, l’inducteur à 3 boucles est le seul à présenter une spire à hauteur du centre de l’éprouvette. Logiquement, le maximum du flux magnétique créé sera observé
3 boucles / grand diamètre 4 boucles / grand diamètre
4 boucles / 2+2 4 boucles / faible diamètre FIGUREB.4: Géométrie des inducteurs dans les 4 cas tests étudiés
Type d’inducteur Temp. à -7,5 mm Temp. à +7,5 mm Temp. au centre Gradient thermique
3 spires, /0 élevé 562 ˚C 561 ˚C 602 ˚C 5,4 ˚C.mm−1
4 spires, /0 élevé 571 ˚C 569 ˚C 602 ˚C 4,3 ˚C.mm−1
4 spires, /0 faible 578 ˚C 576 ˚C 602 ˚C 3,3 ˚C.mm−1
4 spires 2+2, /0 élevé 575 ˚C 580 ˚C 603 ˚C 3,4 ˚C.mm−1
Tableau B.1: Températures atteintes au centre de l’éprouvette et aux extrémités de la zone de placement de l’extensomètre
au centre de l’éprouvette, d’abord car on a dit que le flux magnétique était plus impor-tante à mi-longueur de l’inducteur, et ensuite car le champ magnétique est la somme des contribution de la spire et des spires voisines. Le gradient thermique plus élevé observé pour l’inducteur à 3 spires est donc à expliquer par la présence d’une boucle à hauteur du
0 100 200 300 400 500 600 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Temps (s) T e m p é ra tu re ( °C ) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Consigne de température Consigne d'effort E ff o rt ( k N )
FIGUREB.5:Chargement thermique et mécanique durant chaque essai d’inducteurs.
0 200 400 600 800 1000 Temps (s) T e m p é ra tu re ( °C ) Température Effort
Maintien en température 10 min Effort Fin de l'essai
Vc h a u ff e = 2 0 °C .s -1 Eff o rt ( k N )
FIGUREB.6:Chargement thermique et mécanique durant un essai de traction.
centre de l’éprouvette.
Une autre conclusion qui apparaît à la lecture de ce tableau est qu’une réduction de diamètre des boucles à tendance à réduire le gradient thermique.
À l’issue de cette étude, on est alors en mesure de définir la géomtrie d’inducteur adap-tée au type d’éprouvettes utilisées. Celle-ci, présenadap-tée figure B.8, est constituée d’une boucle centrale de diamètre élevé et de deux boucles de faible diamètre situées de part et d’autre de la zone utile. Ce faible diamètre a alors pour but de concentrer le flux magnétique apporté dans ces zones et donc d’augmenter l’apport calorifique. Le gradi-ent thermique obtenu dans la zone cgradi-entrale de l’éprouvette [-7,5mm ;+7,5mm] est de 1,9