Influence des diff´erentes ´energies de soudage sur la solidification

a diff´erentes distances du front de solidification (0, 2, 0, 4 et 0, 6 mm), vitesses maximales et position du maximum de vitesse.

d’oxyde au centre se poursuit sur les deux faces jusqu’`a ce que le front de solidification re-joigne le centre. Cette rotation se poursuit plus longtemps apr`es l’extinction pour les essais `

a plus forte ´energie `a cause de la taille du bain plus grande pour ces essais. La rotation de cet amas d’oxyde s’effectue dans le sens horaire en visualisant la face sup´erieure, et dans le mˆeme sens sur les deux faces du bain de fusion, quel que soit l’essai. On peut alors supposer qu’il y a continuit´e du mouvement de rotation dans toute l’´epaisseur du bain de fusion.

3.4 Analyses

Les r´esultats pr´esent´es dans les pr´ec´edents paragraphes montrent qu’il existe une r´eelle influence des param`etres de soudage sur le comportement du bain liquide et sa solidification. L’´etude des relations entre les diff´erents param`etres entrant en jeu sur les deux ´echelles de mesure, permettra d’am´eliorer la compr´ehension du d´eroulement de la solidification en cours de soudage. Les ph´enom`enes pilotant la solidification du bain de fusion, le rˆole des ´ecoulements sur la solidification ou la forme des ´ecoulements dans l’ensemble du bain, sont des points qui vont ˆetre discut´es dans cette partie.

3.4.1 Influence des diff´erentes ´energies de soudage sur la solidification La variation des param`etres de soudage entre les essais a permis de montrer la grande sensibilit´e des caract´eristiques de la solidification du bain (vitesse de croissance, espaces inter-dendritiques, gradient thermique et temp´erature au front de solidification) aux changements d’´energie de soudage et `a l’´evanouissement de l’arc, qui modifient les facteurs thermiques et les ´ecoulements agissant sur la solidification. Dans cette partie, nous analysons les relations entre les param`etres de soudage, les facteurs gouvernant la solidification et les caract´eristiques de la solidification.

3.4.1.1 Croissance dendritique et champ de temp´erature

Dans la configuration de soudage statique avec un bain de fusion axisym´etrique, la crois-sance des dendrites colonnaires, qui se traduit par le d´eplacement du front de solidification vers le centre du bain de fusion, est en grande partie conditionn´ee par les caract´eristiques du

transfert de la chaleur depuis le bain fondu vers le reste de l’´eprouvette. On peut donc recher-cher des corr´elations entre les vitesses de d´eplacement du front de solidification mesur´ees, et les param`etres caract´eristiques du champ de temp´erature (gradient et surfusion) au niveau de ce front, qui varient selon les ´energies de soudage employ´ees.

Figure 3.12 – ´Evolution de la vitesse de croissance dendritique en fonction de l’´energie introduite.

Les gradients de temp´erature mesur´es `a l’extinction de l’arc au niveau du front de so-lidification diminuent dans un premier temps lorsque l’intensit´e de soudage augmente, puis croissent `a nouveau, au-del`a d’une intensit´e de 83 A. Selon la loi de Fourier, si l’on consi-d`ere que les ph´enom`enes de transfert sont purement conductifs, la densit´e de flux de chaleur transmise au niveau de la surface du front de solidification est proportionnelle au gradient (Tab. 3.5). En consid´erant les variations de la surface d’´echange au niveau du front mesur´ee pour les diff´erents essais (Tab. 3.3), on trouve en revanche une puissance d´egag´ee par conduc-tion qui augmente avec l’´energie introduite (Tab. 3.5). Par cons´equent, l’´energie thermique pr´esente dans le bain devrait se transmettre de plus en plus rapidement `a la partie solide de l’´echantillon et au support avec l’augmentation de l’´energie introduite, ce qui devrait acc´e-l´erer la vitesse de solidification du bain (vitesse de d´eplacement du front de solidification). Cependant, la vitesse de solidification a plutˆot tendance `a diminuer avec l’augmentation de l’´energie, avec toutefois une stabilisation pour les plus fortes intensit´es (Fig. 3.12).

On peut imputer la diminution de la vitesse aux diff´erences de volume du bain liquide entre chaque essai. La diff´erence de volume de bain entre les petites et grandes ´energies est significative (Tab. 3.3). De l’essai type 1 `a type 5, le volume de mati`ere liquide `a solidifier augmente ainsi un peu plus que la puissance d´egag´ee par conduction (Tab. 3.5). Entre l’essai type 1 et type 5, le volume du bain est multipli´e par 4, 5, alors que la puissance d´egag´ee par conduction par 2, 9. Donc, avec l’augmentation de l’´energie introduite, il est plus long de solidifier le bain, ce qui ralentit la vitesse de solidification.

On peut tenter d’analyser plus pr´ecis´ement les relations entre les caract´eristiques du champ de temp´erature et la vitesse de solidification en consid´erant les transferts de chaleur au niveau du front de solidification et le d´egagement de chaleur latente de fusion qui s’y produit. L’´equation de Stefan (´eq. 1.6) permet de retrouver le gradient de temp´erature dans le liquide G_l, `a partir de celui mesur´e dans le solide G_s et de la vitesse de solidification

Type Densit´e de Puissance d´egag´ee Taux de G/v

d’essai de flux de `a travers le front refroidissement

chaleur (W/mm²) (W ) (K/s) (Ks/mm²) 1 12, 4 ± 1, 9 388 ± 55 775 55 2 9, 7 ± 1, 4 383 ± 46 570 46 3 8, 4 ± 1, 9 411 ± 75 395 50 4 14, 7 ± 0, 9 807 ± 57 653 91 5 18, 6 ± 0, 6 1115 ± 36 880 109

Table3.5 – Caract´eristiques de refroidissement du front de solidification au moment de l’ob-servation `a l’´echelle microscopique. Le calcul de la densit´e de flux de chaleur est r´ealis´e grˆace `a la loi de Fourier avec une conductivit´e thermique λ = 0.06 W/mmK (Tab. 2.1). La puissance d´egag´ee au niveau du front de solidification est obtenue en multipliant la densit´e de flux de chaleur par la surface d’´echange calcul´ees dans le tableau 3.3. Le taux de refroidissement est le produit de la vitesse de solidification v et du gradient de temp´erature `a l’interface pendant la solidification G.

mesur´ee. En supposant que la distribution radiale de la temp´erature dans le bain suit une loi parabolique, on peut alors calculer la temp´erature au centre du bain T_c `a l’aide de la relation suivante (cf. annexe E) :

T_c= T_l+ ^R(λsGs− ρsL_fv)

2λ_l ^(3.1)

avec T_lla temp´erature mesur´ee au bord du bain, R le rayon du bain de fusion, ρ_s la masse vo-lumique (suppos´ee identique pour le liquide et le solide), λset λ_lles conductivit´es thermiques dans le solide et le liquide et L_f la chaleur latente de fusion.

La figure 3.13 montre, pour les diff´erentes intensit´es, l’´evolution de la temp´erature calcu-l´ee au centre du bain liquide aux instants correspondant au passage du front dans le champ d’observation microscopique. Les temp´eratures calcul´ees pour les essais r´ealis´es entre 63 A et 83 A sont constantes et proches de la temp´erature du liquidus, mais apr`es 83 A les tem-p´eratures augmentent. Les bains de fusion les plus gros, produits `a plus haute intensit´e de soudage, sont alors ceux qui sont aussi les plus chauds au centre. La diminution de la vitesse de croissance avec l’augmentation de l’´energie de soudage (Fig. 3.12) pourrait donc aussi ˆetre due `a l’augmentation de la temp´erature maximale du bain.

Sur la figure 3.13, on peut aussi remarquer que la variation de la valeur de la conductivit´e thermique λ_l choisie pour le liquide modifie fortement les temp´eratures au centre du bain pour les deux plus hautes intensit´es de soudage (93 et 103 A). `A 103 A, si l’on prend la valeur `

a 700oC de la conductivit´e du mat´eriau (λ_l = 0.06 W/mmK), on obtient une temp´erature au centre du bain de 2000 K. Or d’apr`es la litt´erature, dans la partie liquide, la conductivit´e est plus faible [38]. Si l’on prend la valeur λ = 0.02 W/mmK, la temp´erature au centre du bain atteint 3000 K environ, puisque la chaleur se dissipe plus lentement. En revanche, si l’on augmente la conduction thermique pour simuler l’effet de la convection produite par les ´ecoulements, la temp´erature dans le bain s’homog´en´eise plus rapidement, provoquant la diminution de la temp´erature au centre.

La variation de la conductivit´e thermique du liquide λ_la moins d’effet sur les temp´eratures au centre du bain des essais `a plus basse intensit´e (entre 63 A et 83 A) (Fig. 3.13), car les gradients de temp´erature dans le liquide sont plus faibles, le terme (λsGs − ρsL_fv) dans

Figure 3.13 – ´Evolution de la temp´erature au centre du bain de fusion, calcul´ee `a partir des temp´eratures et des gradients de temp´erature mesur´es au niveau du front de solidification au moment du passage du front dans la champ d’observation microscopique, en fonction de l’intensit´e de soudage. Les quatre s´eries de points repr´esent´ees ont ´et´e obtenues `a partir de conductivit´es thermiques dans le liquide λ_l diff´erentes.

dans le liquide (simul´e par les variations de λ_l sur la figure 3.13) aurait tr`es peu d’impact pour les bains les plus petits, g´en´er´es `a plus faible intensit´e.

Il semble alors que l’on soit en pr´esence de deux r´egimes de transfert de chaleur au front de solidification diff´erents. Aux faibles intensit´es de soudage (de 63 `a 83 A), le flux de chaleur transf´er´e `a travers le front (Tab. 3.5) correspond majoritairement `a la chaleur latente lib´er´ee par la solidification, qui doit ˆetre ´evacu´ee par conduction dans la partie solide. Le flux de chaleur provenant du bain liquide est alors tr`es faible, la temp´erature du liquide ´etant quasiment uniforme, et les ´ecoulements au sein du liquide ne peuvent alors produire qu’un tr`es faible effet sur le transfert thermique. En revanche, aux plus fortes intensit´es, correspondant aux bains de fusion les plus larges, le gradient thermique dans le liquide est plus ´elev´e, le centre du bain ´etant beaucoup plus chaud que le front de solidification. Le flux de chaleur transf´er´e `a travers le front de solidification vers la partie solide (Tab. 3.5) comprend alors la contribution de la chaleur latente lib´er´ee par la solidification, et la contribution du flux de chaleur provenant de la partie la plus chaude du liquide. Les ´ecoulements dans le bain, en agissant sur les transferts thermiques au sein du liquide, peuvent alors avoir une forte influence sur le transfert de chaleur `a travers le front.

La figure 3.14 montre la position des diff´erents essais dans le diagramme propos´e par Kurz et Fisher [44], qui pr´edit les morphologies de front de solidification attendues en fonction du gradient de temp´erature au front et de la vitesse de solidification. Tous les essais se situent dans la zone de croissance dendritique colonnaire sur la figure 3.14. Cela paraˆıt coh´erent avec les observations, puisque seules des dendrites colonnaires sont observ´ees sur les vid´eos, comme illustr´e sur la figure 3.3. Les vid´eos ne permettent pas de voir des bras secondaires entre les bras primaires pendant la solidification colonnaire. N´eanmoins les micrographies post-mortem des points de fusion confirment qu’il s’agit de grains colonnaires dendritiques (Fig. 3.15).

On voit sur la figure 3.14 que l’on se rapproche de la transition colonnaire/´equiaxe avec la diminution de l’´energie, et vers une croissance cellulaire avec l’augmentation de l’´energie.

Figure 3.14 – Position de chaque essai dans le diagramme de Kurz et Fisher (vitesse de solidification v en fonction du gradient de temp´erature G) [4]. Les valeurs de gradient de temp´erature sont prises au mˆeme moment que les mesures de vitesse de croissance dendritique. Les points les plus sombres correspondent aux essais `a plus basse ´energie et les plus clairs aux essais aux ´energies les plus hautes.

Cependant, il n’a pas ´et´e possible d’augmenter ou de diminuer d’avantage l’´energie dans cette configuration pour tenter de modifier le mode de solidification. Plus l’´energie de soudage est importante, plus le bain liquide est grand. Avec l’augmentation de l’´energie, le bain liquide risquerait de s’effondrer sous son propre poids. Avec une ´energie de soudage plus basse, il serait peut-ˆetre possible d’obtenir des grains ´equiaxes, mais le bain liquide serait trop petit pour traverser l’´epaisseur de la tˆole, rendant les observations en face envers impossibles.

N´eanmoins, en fin de solidification de l’essai type 1, la formation de dendrites au centre du bain liquide a ´et´e observ´ee, sans contact apparent avec le front de solidification (Fig. 3.4). Deux explications peuvent ˆetre donn´ees `a ces observations :

— Les grains se d´eveloppant au milieu du bain liquide sont compos´es de dendrites qui ont germ´e `a partir d’impuret´es dans le bain. Cette explication co¨ıncide avec la tendance du ratio <sup>G</sup><sub>v</sub> `a d´ecliner avec le d´eroulement de la solidification. La cam´era thermique permet en effet de voir que le gradient de temp´erature d´ecroˆıt avec le d´eroulement de la solidification (Fig. 3.9). Il est aussi possible que la vitesse du front de solidifica-tion augmente `a la fin de la solidification, parce que le volume du bain se r´eduit plus rapidement que la surface d’´echange de chaleur. De plus, beaucoup d’impuret´es se ras-semblent au centre du bain, pouvant constituer des supports possibles `a la germination h´et´erog`ene.

— Les grains en croissance observ´es au centre pourraient ˆetre des grains colonnaires venant du haut du front de solidification. Si la partie sup´erieure du bain liquide ou l’int´erieur du bain se solidifie avant la partie inf´erieure, les grains colonnaires venant

Figure 3.15 – Macrographie d’une partie d’un bain de fusion, montrant les dendrites colon-naires form´ees lors de la solidification.

du haut peuvent ´emerger au centre du bain encore liquide.

Si l’on compare l’´evolution de la vitesse de solidification avec celle de la surfusion au front de solidification (Fig. 3.8), on observe la aussi une assez bonne corr´elation, si l’on excepte les r´esultats des essais `a 83 A et 93 A, o`u les surfusions mesur´ees manquent de reproductibilit´e. La surfusion au front croˆıt en effet avec la vitesse de solidification, conform´ement `a la th´eorie, mˆeme si les niveaux de surfusion mesur´es paraissent tr`es ´elev´es (cf. chap. 1).

3.4.1.2 Espacements interdendritiques

Le taux de refroidissement variant significativement (Tab. 3.5), on peut s’attendre `a avoir des espacements interdendritiques diff´erents d’un essai `a l’autre. Une tendance peut ˆetre d´egag´ee dans les mesures des espacements interdendritiques (Fig. 3.16). Les espacements semblent l´eg`erement d´ecroˆıtre entre 63 A et 103 A d’apr`es les mesures rassembl´ees sur la figure 3.16. Cependant, les variations entre 73 A et 103 A sont beaucoup plus faibles, alors que l’essai `a 63 A montre un espacement des dendrites beaucoup plus grand. En effet, les mesures entre 73 A et 103 A tournent autour de 83 µm, alors que les mesures `a 63 A sont comprises entre 96 et 97 µm.

La faible d´ecroissance des espaces interdendritiques observ´ee entre 83 A et 103 A peut s’expliquer par l’augmentation du taux de refroidissement entre les essais 3 et 5. Il est en effet admis que les espacements entre bras primaires des dendrites sont d’autant plus faibles que le taux de refroidissement G.v est grand, ou plus pr´ecis´ement, si l’on se fie aux mod`eles existants, lorsque G².v est grand (cf. ´equation 1.18). Cette tendance est relativement respect´ee pour les

essais type 2 `a type 5 (Figure 3.17), l’essai type 3, qui forme les bras primaires de dendrites les plus espac´es, ayant le produit G².v le plus faible, alors que l’essai 5, qui forme les dendrites

Figure 3.16 – ´Evolution des espacements interdendritiques avec l’intensit´e de soudage pour les diff´erents essais. La droite en trait plein repr´esente la courbe de tendance de tous les points de mesure et la droite en poin-till´es repr´esente la courbe de tendance pour les essais compris entre 73 A et 103 A.

Figure 3.17 – Relation entre les valeurs moyennes du produit G2.v et les espaces

entre bras primaires des dendrites colon-naires, pour les essais type 2 `a type 5.

En revanche, le r´esultat de l’essai type 1 est difficile `a expliquer, puisque le taux de refroidissement et le produit G<sup>2</sup>.v sont ´elev´es, ce qui devrait conduire `a des espacements entre bras primaires plus faibles. On constate cependant qu’en fin de solidification de l’essai 1, les espaces liquides interdendritiques entre bras primaires se remplissent de nouvelles dendrites, si bien qu’au final, apr`es solidification compl`ete, la taille des dendrites est du mˆeme ordre que pour les autres essais. Contrairement aux autres essais, la croissance lat´erale des dendrites colonnaires form´ees pour l’essai type 1 est plus lente que pour les autres essais, laissant des films liquides tr`es larges entre les dendrites, jusqu’`a la fin de la solidification. On peut rapprocher ce r´esultat de la plus faible vitesse d’´ecoulement mesur´ee au niveau du front de solidification, mais aussi dans les canaux liquides entre les dendrites pour les essais `a faible ´energie (Tab. 3.4). Cette vitesse plus faible, qui est minimale pour l’essai type 1, ne facilite pas l’homog´en´eisation de la teneur en solut´e `a l’interface solide-liquide dans les canaux interdendritiques, limitant la croissance lat´erale des dendrites.

Il est `a noter aussi que les dendrites sont beaucoup moins organis´ees dans l’essai type 1. Elles ne sont plus dirig´ees exactement normales au front de solidification comme c’est le cas dans les autres essais. Ce r´esultat est visible sur la figure 3.4, tir´ee d’un essai `a 63 A, sur laquelle on remarque des bras primaires non orient´es vers le centre du bain. Cette diff´erence est sˆurement due `a la petite taille du bain liquide. La taille du bain ´etant plus r´eduite, le changement d’orientation des bras primaires par le ph´enom`ene de croissance comp´etitive est moins rapide.

3.4.1.3 Influence de l’´evanouissement de l’arc

Le temps d’´evanouissement de l’arc t_ev modifie sensiblement la vitesse de solidification du bain de fusion, celle-ci passant de 2, 8 mm/s pour l’essai type 5, avec un temps d’´evanouisse-ment nul, `a 1, 9 mm/s pour l’essai type 7, avec un temps d’´evanouissement de deux secondes. Le temps d’´evanouissement de l’arc n’a pourtant pas ou tr`es peu d’influence sur la taille du

Type t_ev Diam`etre sup. Diam`etre inf. Ratio Zone semi-d’essai (s) du bain (mm) du bain (mm) inf./sup. solide (mm) 4 0 11, 1 ± 0, 1 10, 3 ± 0, 1 0, 93 ± 0, 01 0, 43 ± 0, 01 6 1 10, 9 ± 0, 3 10 ± 0, 1 0, 91 ± 0, 02 0, 43 ± 0, 08 7 2 11, 1 ± 0, 2 10, 4 ± 0, 4 0, 93 ± 0, 01 0, 32 ± 0, 02 Table 3.6 – Tailles de bain en fonction du temps d’´evanouissement de l’arc t_ev.

bain liquide ainsi que sur sa forme (Tab. 3.6).

De la mˆeme fa¸con, le gradient de temp´erature au front est comparable quel que soit le temps d’´evanouissement, avec pour un temps d’´evanouissement de 2 s, une valeur moyenne de 298 K/mm `a l’extinction de l’arc, et de 255 K/mm 0, 5 s apr`es. On retrouve ainsi, avec un temps d’extinction ´elev´e, la d´ecroissance du gradient de temp´erature au front d´ej`a observ´ee pour un temps d’extinction nul (Fig. 3.7).

En revanche, le temps d’´evanouissement d’arc semble avoir un effet sur les espacements interdendritiques (Fig. 3.18). Entre les essais type 4 et type 7, les espacements passent de 83 µm `a 66 µm (Tab. 3.2). La diff´erence de finesse se distingue entre ces deux essais sur la figure 3.18. Une plus grande finesse des dendrites est normalement le r´esultat d’un taux de refroidissement plus ´elev´e. Cependant, entre les essais type 4 et type 7, le taux de re-froidissement pendant la solidification passe de 656 K/s `a 494 K/s. L’´evolution du taux de refroidissement n’explique donc pas la diff´erence d’espacements interdendritiques observ´ee, car elle est `a l’inverse de ce qu’elle devrait ˆetre. Il est possible que l’espacement interdendri-tique soit perturb´e par un autre param`etre, tel que la vitesse d’´ecoulement qui est un peu moins rapide pour les essais avec ´evanouissement (Tab. 3.4).

Figure 3.18 – ´Evolution de la finesse de la microstructure de la zone semi-solide en fonction