Influence de la composition du fil

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 R a p p o rt f e r s u r a rg o n ( x 1 0 -5 ) Rayon (mm)

Figure VIII.27 : Répartition du rapport NFe/NAr – I = 330 A, h = 4,5 mm. [() argon, () 5% CO2 et (
) 5% N2]

[Conditions expérimentales : Fil massif 70 S ; Vfil = 9 m/mn ; Dg = 20 l/mn]

3.5. Influence de la composition du fil

L’influence du fil sur le comportement du plasma, et notamment la présence d’éléments aisément ionisables tels que du titane ou des alcalins, a été étudiée à une hauteur h = 4,5 mm au-dessus de la cathode, en comparant respectivement le fil massif AS 42 (0,3% Ti) et le fil fourré G003 (1% Ti), puis le fil fourré Mégafil (0,18% Li + 0,48% Na + 0,012% Li) au fil massif 70 S de référence. Le courant d’arc est fixé à 330 A.

i. Fils contenant du titane

La comparaison se fait en fonctionnement sous Ar + 5% de CO₂ : ce mélange gazeux a été choisi pour l’étude, de telle sorte que les longueurs d’arc soit comparables : ≈ 8,0 mm pour le 70 S ; 8,2 mm pour l’AS 42 ; et 7,0 mm pour le G003. Le fonctionnement se fait alors en régime de pulvérisation axiale.

Les profils de température sont assez similaires dans tous les cas, si ce n’est en périphérie où le fil massif contenant du titane semble induire une hausse de la température [Cf. Figure VIII.28]. La chute de température au voisinage de l’axe reste bien visible. L’augmentation de vitesse de fusion constatée pour le fils fourré G003 n’est donc certainement due qu’à la structure lacunaire du fil et non à une modification du chauffage par l’arc.

Pour ce qui est de la densité électronique, les deux fils massifs (AS 42 et 70 S) présentent un comportement similaire avec une densité électronique maximale de l’ordre de 1,8 à 2,0.10²³ m^-3 sur l’axe. Pour le fil fourré G003, par contre, la densité maximale semble passer par un maximum hors axe (≈ 1,4.10²³ m^-3 à ≈ 2 mm), et est de l’ordre de 10²³ m^-3 au centre de la colonne.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000 T e ( K ) Rayon (mm) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 D e n s ité é le c tr o n iq u e N e ( 1 0 2 3 .m -3 ) Rayon (mm)

Figure VIII.28 : Diagnostic de l’arc pour h = 4,5 mm [  70 S ;  AS 42 ;
G003 ]

[Conditions expérimentales : I = 330 A – Ar + 5% CO2; Vfil = 9 m/mn (11,4 m/mn pour G003) ; Dg = 20 l/mn]

Pour les fils contenant du titane [Cf. Figure VIII.29], la proportion de fer dans le plasma est nettement supérieure à celle obtenue avec le fil de référence 70 S : elle atteint environ 2.10^-4 à environ 1 mm de l’axe, indiquant une légère constriction de la colonne.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 R a p p o rt f e r s u r a rg o n ( x 1 0 -5 ) Rayon (mm)

Figure VIII.29 : Répartition du rapport NFe/NAr pour h = 4,5 mm, Fils 70 S,  ; AS 42,  et G003,

[Conditions expérimentales : Ar + 5% C02, I = 330 A, Vfil = 9 m/mn (11,4 m/mn pour G003) ; Dg = 20 l/mn]

ii. Fils contenant des alcalins : cas du Megafil

Le Mégafil est caractérisé par des hauteurs d’arc plus faibles que le 70 S, et un régime de transfert pouvant être très différent (pulvérisation multi-gouttes). De façon à travailler en régime de pulvérisation axiale dans les deux cas, la comparaison a été faite en fonctionnement sous argon pur, et à une même distance h = 3 mm de la cathode, et pour des longueurs d’arc de l’ordre de 7,7 mm pour le 70 S, et de 4,4 mm pour le Mégafil.

Le profil de température avec le Mégafil est relativement homogène jusqu’à environ r = 3 mm, et la chute de température sur l’axe, si elle existe, est très peu marquée, en comparaison du fonctionnement avec le 70 S [Cf. Figure VIII.30]. La fusion plus importante observée avec le fil fourré contenant des alcalins est donc probablement due à l’effet métallurgique de ces éléments (abaissement de la température de fusion du métal) plutôt qu’une augmentation de la température de l’arc.

Les profils de densités électroniques sont tout à fait similaires pour les deux fils, avec un maximum d’environ 1,5.10²³ m^-3 à 1 mm du centre de la colonne : il ne semble donc pas que, vu les faibles quantités mises en jeu, il y ait ionisation supplémentaire due à la présence des alcalins dans le milieu plasmagène… 0 1 2 3 4 5 6 7 8 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000 T e ( K ) Rayon (mm) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 D e n s ité é le c tr o n iq u e N e ( 1 0 2 3 .m -3 ) Rayon (mm)

a/ Température b/ Densité électronique

Figure VIII.30 : Diagnostic de l’arc pour h = 3 mm – I = 330 A – argon pur [  70 S ;  Mégafil ]

[Conditions expérimentales : argon pur, I = 330 A, 70 S : Vfil = 9 m/mn (70 S), 11,4 m/mn (Mégafil) ; Dg = 20 l/mn]

Par contre, il apparaît clairement que dans le cas du Mégafil en fonctionnement sous argon pur, la proportion de fer dans le milieu plasmagène est maximale au centre de la colonne, et toujours nettement supérieure à celle obtenue avec le fil de référence [Cf. Figure VIII.31]. A nouveau, la constriction de la colonne observée par cinématographie rapide, est visible sur la répartition des vapeurs métalliques dans le plasma.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 R a p p o rt f e r s u r a rg o n ( x 1 0 -5 ) Rayon (mm)

Figure VIII.31 : Répartition du rapport NFe/NAr pour h = 3 mm [  70 S ;  Mégafil ]

5.C

L’étude spectroscopique de l’arc permet de caractériser les paramètres de fonctionnement lors du soudage sous argon seul. Une série de mesures réalisées à 330 A sous divers gaz de mélange (argon pur, Ar + 5% CO2, Ar + 20% CO2) et avec le fil de référence 70 S, a permis de cartographier l’évolution de la température dans une large partie de l’arc, de 2 à 6,5 mm au-dessus de la cathode et à une distance maximale de 8 mm de l’axe de la colonne. La valeur maximale de la température (12000 à 13000 K) est atteinte hors de l’axe, avec une valeur au centre de l’ordre de 6000 à 7000 K. Au voisinage immédiat de l’anode, la veine de métal liquide (diamètre de l’ordre de 0,36 mm) est présente au centre de la colonne de plasma

Ces valeurs, qui sont en accord avec celles déjà mesurées par S.Zielinska [Cf. Figure VIII.32, tirée de 167 ] pour les hauteurs de 3, 4,5 et 6 mm, sont par contre nettement inférieures à celles obtenus dans les différentes modélisations publiées dans la littérature [38, 53].

Figure VIII.32 : Diagnostic du plasma de soudage pour différents type de gaz de protection : argon pur, argon + 5% CO2

et argon + 20% CO2

[
h = 4,5 mm ;  h = 6,0 mm ;  h = 7,5 mm ;  sous l’anode ]

[Conditions expérimentales : Fil massif 70 S ; I = 326 A ; Dg = 20 l/mn]

En particulier, dans le cas de la pulvérisation axiale (argon seul et avec 5% de CO2), il existe une chute caractéristique de température au centre de l’arc, qui n’apparaît plus clairement en régime globulaire (10% et plus particulièrement 20% de CO₂) : pour une hauteur de 4 mm, la température est maximale au centre de la colonne ; pour une hauteur de 6,5 mm, la différence est peu marquée entre le maximum (14000 K) et la valeur relevée au centre de la colonne (11000 K). Cette chute de la température électronique est certainement due à l’ensemencement de la colonne en vapeurs métalliques au cours du transfert de la goutte le long de l’axe de l’arc. Il n’apparaît plus en régime globulaire du fait de la dispersion des trajets suivis par le métal liquide après son détachement.

Dans le cas général, la température est plus élevée lorsque du CO₂ est ajouté au gaz de protection. La densité électronique suit par contre l’évolution inverse : elle diminue avec l’augmentation du taux de CO2, en particulier à une certaine distance (au-delà de 3 mm) de l’axe de la colonne.

La proportion de fer dans le plasma augmente fortement lorsque du CO2 est ajouté au gaz de protection, pour une distance comparable de l’anode. En régime globulaire (argon avec 10 et 20% de CO₂), les vapeurs métalliques sont réparties de manière plus homogène ce qui est en accord avec l’absence de séparation entre les zones centrale et périphérique, visibles par cinématographie rapide avec filtre interférentiel. Au contraire, en régime de pulvérisation axiale, la limite entre les deux zones correspond au maximum de température mesuré dans l’arc pour la couche considérée, mais aussi au maximum de concentration des atomes de fer.

L’utilisation de ces différents résultats devait permettre de remonter aux propriétés de transport du plasma : conductivités électrique et thermique… En particulier, la viscosité d’un plasma Ar ou Ar/Fe/CO2 passe par un maximum au voisinage de 10000 K, selon les proportions relatives des divers éléments [Cf. Section IV.4, page 69]. Ainsi,

→ En argon pur, la viscosité du plasma est quasiment identique en tout point de la colonne: le métal liquide libéré du fil-anode, injecté dans la colonne, peut la traverser sans obstacle, et est projeté sur la cathode.

→ Lors de l’ajout de CO2, dans le gaz de protection, d’une part la viscosité sur l’axe décroît lorsque la goutte s’éloigne de l’anode, et par ailleurs, il pourrait exister un maximum hors axe de cette même viscosité qui ‘emprisonne’ le métal liquide, limitant son éjection vers la périphérie de la colonne.

→ Sous fort taux de CO2, la température sur l’axe de la colonne est très supérieure à 10000 K : il existe alors sous l’anode un fort gradient de viscosité, et le métal liquide est maintenu ‘sur’ la colonne de plasma, renforçant l’effet d’attachement de la goutte sur l’électrode lié à la présence de la gangue. Lors de son détachement, le métal liquide ne peut pénétrer facilement dans le cœur du plasma, et est éjecté latéralement.

L’utilisation d’un autre gaz moléculaire, l’azote, ajouté en proportion équivalente au CO₂ (5%), se traduit par une température de plasma plus élevée sans minimum sur l’axe de la colonne, mais avec des densités électroniques et répartitions en fer relativement similaires à celles observées avec utilisation du CO₂. Néanmoins, le plasma est certainement plus chaud, alors que la colonne d’arc semble être légèrement constrictée.

La présence de titane dans le fil (fils AS 42 et G003) entraîne une légère élévation de température et de la concentration en fer dans le plasma alors que la densité électronique ne varie pas, tandis que l’utilisation de fondants (cas des alcalins dans le Mégafil) génère une augmentation importante de la concentration en fer dans le plasma sans répercussion sur les profils de température ou de densité électronique.

IX - CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

L’étude de l’arc de soudage MIG-MAG qui a été réalisée permet d’établir les conclusions suivantes :

- L’utilisation d’un filtre interférentiel permet de visualiser dans de bonnes conditions simultanément le métal liquide à l’extrémité de l’électrode et l’arc entourant celle-ci. A partir des enregistrements réalisés, il a ainsi été possible de caractériser la géométrie de l’électrode consommable (anode) au cours du fonctionnement. Les caractéristiques du régime globulaire et de la pulvérisation axiale peuvent être distinguées de la manière suivante :

→ La forme de l’électrode évolue d’une veine de métal liquide effilée de laquelle se détachent de petites gouttes (0,6 mm de diamètre) à fréquence élevée (supérieure à 600 Hz) en pulvérisation axiale vers une goutte de diamètre important (1,5 à 2 mm) se formant et se détachant à faible fréquence (de l’ordre de 100 Hz) en régime globulaire.

→ La surface globale en contact avec le plasma ne varie pratiquement pas entre les deux régimes. Par contre l’interface avec la zone riche en vapeurs métalliques augmente lorsque le transfert de métal dans l’arc évolue vers un régime globulaire. Ces résultats sont importants pour caractériser le flux de courant sortant de l’électrode.

- Une estimation du poids des gouttes formées (toujours très faible) et de la force liée à la tension de surface (comparable en module à la force de Lorentz) a pu être réalisée pour diverses conditions de soudage, notamment en fonction du type de fil-anode utilisé.

- Les caractéristiques des différents régimes sont données sur le Tableau IX.1 Description des régimes Pulvérisation axiale Régime globulaire

Forme de l'arc Cône Cloche

Fréquence des gouttes f > 300 Hz f < 300 Hz

Poids des gouttes 6µN 90 µN

Force de Lorentz 4 à 7 mN ± 2 mN

Tension de surface - 5 mN -2 à -6 mN

Vapeurs métalliques Zone centrale Homogènes

Gangue Absente 5 à 50 µm : oxydes

Précipités Peu nombreux Nombreux

Température électronique

Maximum hors axe à 12500 K

(argon)

Maximum à 14000 K, faible diminution sur l'axe

(Ar + 20% CO2) Densité électronique

Maximum hors axe à 2,2.10²³ m^-3

(argon)

Maximum à 1,8.10²³ m^-3, faible diminution sur l'axe

(Ar + 20% CO2)

Tableau IX.1 : Caractéristiques du régime globulaire et de la pulvérisation axiale, à 330 A

- L’étude de l’évolution de la tension, corrélée avec celle de la longueur d’arc, a permis de vérifier le lien entre ces deux paramètres, pour les différentes conditions de soudage utilisées. En particulier, lors de l’utilisation d’un fil massif 70 S, nous avons pu montrer l’existence d’un

abaissement de la tension d’arc dès l’ajout dans le gaz d’une très faible proportion de dioxyde de carbone, puis son augmentation progressive avec le taux de CO2, la transition pulvérisation axiale-globulaire étant caractérisée par le passage par la valeur de la tension obtenue sous argon pur. Cet effet n’a pas été observé avec les autres fils massifs ou fourrés utilisés, pour lesquels le régime de soudage restait de type pulvérisation axiale dans toute la gamme d’étude. - Les résultats, établis pour les fils pleins et les fils fourrés, ont servi de base à l’étude des

performances de différentes compositions du fil-électrodes. Ils ont permis de mettre en évidence l’effet du lithium et du potassium qui permettent de souder avec un gaz

majoritairement composé de CO2 pour un courant modéré.

- De nombreux abaques donnant la position de la transition entre le régime globulaire et la pulvérisation axiale en fonction du courant et du taux de CO2, ont été établis Ces résultats correspondent à un des principaux objectifs de ce travail de thèse qui consistait à déterminer une composition de fil permettant d’obtenir le régime de pulvérisation axiale pour un taux de CO2 supérieur à 50%. Pour trois des fils étudiés ce taux est dépassé, pour un courant de 330 ampères (pour les fils G011 et G012) et même dés 300 ampères pour le fil G010 contenant un mélange d’alcalins Li et K. Pour ce dernier la pulvérisation axiale a été observée pour un taux de CO2 de plus de 60% pour le courant le plus élevé utilisé (410 ampères). Le Tableau IX.2 résume les résultats obtenus pour les différents éléments étudiés.

Elément étudié Si (diminution) Ti (ajout) Zr, La (ajout) Li, Na, K (ajout) Fils ^{AS 26, AS 35,} G002, G004 AS 42, S2MoTi, G003 ^{G005, G006} G007, G008, G009, G010, G011, G012, Mégafil Effet Viscosité, Résistance électrique Résistance électrique Résistance électrique ^Viscosité Résultat ^{Amélioration de la} transition Pas d'amélioration sensible Amélioration de la transition Amélioration de la transition Conclusion Pas applicable car Si est nécessaire

Pas applicable car Ti se vaporise Gangue plus conductrice mais gain modéré Soudage à plus de 50% de CO2 pour G010 et G011

Tableau IX.2 : Récapitulatif des différents éléments étudiés, par rapport à la composition du 70 S

- L’analyse de la structure microscopique de l’anode prélevée après extinction de l’arc, a permis de préciser les phénomènes limitant l’établissement du régime de pulvérisation axiale sous forte concentration de CO₂ dans le gaz de protection.

→ L’étude comparative d’un fil fourré (G002) et d’un fil massif (AS 26) de composition voisine montre que les comportements en soudage et les caractéristiques microstructurales observés sont similaires dans les deux types de fils. Ainsi, ces expériences valident l’utilisation du fil fourré en substitution du fil plein, aussi bien en terme de régimes de soudages, qu’en terme de phénomènes physico-chimiques, notamment d’interaction liquide - atmosphère de travail.

→ Pour tous les fils étudiés (fils fourrés et fils massifs), l’évolution des comportements est comparable à celle observée pour le fil de référence 70 S : une gangue d’oxydes est présente dans le cas du régime globulaire, son épaisseur croît avec le taux de CO₂ et décroît avec le courant. Les oxydes précipitent également sous forme de précipités répartis dans la matrice. Il y a donc une relation directe entre la formation de ces oxydes et la présence de CO2 dans le gaz de protection, conformément aux prévisions thermodynamiques

→ La modification de la composition du fil par retrait d’un élément (le silicium par exemple) ou ajout de métaux choisis (Ti, Zr, La pour les propriétés conductrices de leurs oxydes, et K, Li, Na : pour leur propriétés de fondants) modifie considérablement les propriétés physico-chimiques du système telles que les points de fusion, les tensions de surfaces, la nature des phases en équilibre.

→ Que ce soit pour les fils massifs ou les fils fourrés, on constate que les éléments métalliques supplémentaires par rapport au fil de référence sont effectivement présents dans la gangue ou les précipités.

→ L’effet de la gangue d’oxydes entourant la goutte est renforcé par la présence du silicium (qui reste nécessaire à l’obtention d’un cordon de bonne qualité), mais peut être atténué par l’emploi des éléments alcalins. Par rapport aux autres fils étudiés, tout se passe alors comme

si la gangue était maintenue à l’intérieur du fil, n’opposant pas de contrainte d’accrochage au plasma.

→ L’interprétation du passage en régime globulaire par la formation d’une gangue d’oxydes empêchant le détachement des fines gouttes représente une alternative innovante par rapport à l’explication couramment admise basée uniquement sur l’effet des forces électromagnétiques, et évoquée au chapitre précédent. Cependant les deux approches ne sont pas incompatibles puisque l’aspect isolant de la gangue peut expliquer la modification de la géométrie des lignes de courant et donc le changement de signe des forces électromagnétiques. Les résultats obtenus montrent que de bonnes performances peuvent également être obtenues avec des oxydes à haut point de fusion (zirconium notamment). Les améliorations plus significatives ont donc été obtenues en agissant sur les paramètres physico-chimiques (température de fusion, viscosité) de l’électrode, liés directement à la formation et aux propriétés de la gangue.

- Le diagnostic spectroscopique complet du plasma a permis de mettre en évidence l’évolution de la température et de la densité électronique dans la colonne d’arc, pour différentes compositions du gaz de protection. L’existence d’un maximum de température hors-axe en régime de pulvérisation axiale a notamment été précisée en fonction du rayon pour différentes positions entre la cathode et l’anode.

Les premières applications de ces résultats à l’estimation des propriétés de transport du plasma de soudage utilisant les données de T.Murphy [Cf. section IV.4] semblent montrer que, si en pulvérisation axiale, la viscosité du plasma peut jouer un rôle de canalisation des gouttes de métal liquide de l’anode vers la cathode, au contraire, en régime globulaire, elle pourrait renforcer l’attachement de la goutte sur l’électrode et, en empêchant le métal liquide de pénétrer dans le plasma, expliquer l’importance des projections latérales.

Cette analyse doit être confirmée en utilisant les valeurs correctes de la viscosité dans le plasma, prenant en compte la température mais également la proportion locale de Fe/Ar. Connaissant désormais les proportions de fer dans le milieu plasmagène, nous avons contacté T.Murphy, du CSIRO (Australie), pour lui porposer de calculer la composition et les propriétés thermodynamiques d’un plasma Ar-CO2-Fe dans une large gamme de compositions. Nous comptons sur ces résultats pour finaliser l’étude entreprise.

- L’ensemble de ces résultats pourra servir de base à la réalisation d’un modèle numérique de l’arc prenant en compte l’influence des vapeurs métalliques, dont la proportion dans l’arc a également été estimée. Les caractéristiques de l’arc comme la chute de température au centre de la colonne pourront ainsi être définies avec plus de précision. De même, les mesures des paramètres géométriques de l’électrode permettront d’inclure dans le modèle le comportement de l’anode dans les différents régimes de soudage.

L’ensemble des données recueillies a permis de mieux caractériser le processus de soudage MIG-MAG. Les phénomènes qui empêchent, sous utilisation de CO2, d'atteindre le régime de pulvérisation axiale, semblent désormais bien appréhendés, et des solutions innovantes ont été proposées pour obtenir le transfert par pulvérisation axiale au-delà des limites existantes. Elles pourront servir de base à la réalisation d’un produit exploitable..

Il semble intéressant de prolonger ce travail par l’étude de l’effet des caractéristiques du plasma sur le régime de soudage, notamment en tentant de découpler d'éventuels effets du carbone et de l'oxygène sur le procédé de soudage (utilisation d’oxygène pur, ou de gaz tels que le butane ou le propane), et/ou de modifier localement les propriétés de transport du milieu plasmagène.