Les ´ecoulements dans le bain pendant le soudage

Pendant le soudage, le m´etal liquide contenu dans le bain est soumis `a une forte agitation. Les mouvements qu’il subit sont gouvern´es par quatre ph´enom`enes diff´erents agissant au sein du bain liquide (Fig. 1.25).

— La pouss´ee d’Archim`ede provoque lors du soudage la remont´ee du fluide chaud qui est moins dense et la descente du fluide froid plus dense. Du fait que la source de chaleur se situe au centre du bain, le fluide froid en surface sur les cot´es du bain va descendre pour laisser la place au fluide chaud venant du centre.

— Le courant traversant le bain liquide et le champ magn´etique g´en´er´e par l’arc induisent des forces de Lorentz dans le bain de fusion. Un courant allant de la pi`ece vers l’´elec-trode donne des mouvements de convection faisant remonter le liquide sur les bords pour ensuite replonger au milieu.

— La tension de surface de l’interface liquide/gaz varie en fonction de la temp´erature. Au centre du bain, o`u la temp´erature est la plus ´elev´ee, la tension de surface sera donc diff´erente de celle au bord du bain, cr´eant un gradient de tension de surface le long de l’interface liquide/gaz. Le liquide aura tendance `a se d´eplacer de la zone o`u la tension de surface est la plus faible vers la zone o`u elle est la plus forte. Si la tension de surface augmente avec la temp´erature, le flux sera dirig´e de la fronti`ere vers le centre du bain, alors que si, `a l’inverse, la tension de surface diminue avec la temp´erature, le flux partira du centre pour aller vers la fronti`ere du bain. On appelle ce ph´enom`ene l’effet Marangoni.

— Les forces de cisaillement du plasma de l’arc sur le bain liquide vont induire en surface des mouvements du centre vers la p´eriph´erie du bain.

Figure1.25 – Les 4 diff´erents ph´enom`enes gouvernant les flux liquides dans le bain de fusion au cours du soudage

Quelques nombres sans dimension sont utiles `a la description de la physique des ´ecoule-ments dans le bain.

Le nombre de P´eclet permet de comparer les effets relatifs `a la convection et `a la diffusion dans un syst`eme. Il est d´efini comme le rapport entre la convection et la conduction en thermique et comme le rapport entre la convection et la diffusion pour le transfert d’´el´ements dans les liquides ou les gaz. Le nombre de P´eclet peut donc s’´ecrire P e_T = ^uLc

2α en thermique et P e_C = ^uLc

2Dl pour le transfert de mati`ere, avec α la diffusivit´e thermique, D_l le coefficient de diffusion, u la vitesse d’´ecoulement et L_c la longueur caract´eristique. Lorsque P e ≫ 1, le

transfert par convection domine et lorsque P e ≪ 1, le transfert par conduction ou la diffusion domine, ce qui peut ˆetre le cas en soudage pour certains m´etaux tr`es conducteurs de chaleur `

a faible vitesse de soudage et avec un petit bain de fusion [1].

He et al. ont ´etudi´e `a l’aide d’une simulation num´erique l’´evolution du nombre de P´eclet thermique au cours du temps lors de la formation d’un bain de fusion `a partir d’un spot laser [31]. P e_T augmente graduellement avec la croissance du bain de fusion pour passer d’un r´egime o`u la conduction domine `a un r´egime o`u la convection domine, puis il chute brutalement `a l’arrˆet de la source de chaleur. Donc pendant la phase de refroidissement et de solidification du bain liquide, c’est la conduction qui domine le transfert de chaleur et les ´ecoulements s’affaiblissent.

Pour mesurer l’importance de l’effet Marangoni par rapport `a la viscosit´e, il est possible d’utiliser le nombre de Marangoni qui s’´ecrit :

M a = ^dσ dT

1

ηα^{Lc∆Tm (1.70)}

o`u le terme _dT^dσLc∆Tm

α traduit l’effet du gradient de tension de surface le long de l’interface liquide/gaz non isotherme et le terme _η¹ correspond `a l’effet de la viscosit´e. La diffusivit´e thermique est not´ee α, la viscosit´e dynamique η, la longueur caract´eristique du syst`eme Lc

et ∆T_m correspond `a la diff´erence de temp´erature dans le bain.

Tous ces nombres sont calcul´es avec une longueur caract´eristique L_c. Cette longueur est d´elicate `a choisir surtout pour ce type d’´ecoulement particulier. En soudage, c’est la profon-deur ou la largeur du bain liquide qui est prise comme longueur caract´eristique.

Figure 1.26 – Les trois diff´erentes possibilit´es d’´ecoulement par effet Marangoni. Si l’acier est riche en soufre l’´ecoulement se fait de la p´eriph´erie vers le centre (a), alors que si l’on a moins de soufre, celui-ci est invers´e (b). Dans certains cas, il y a changement de signe du gradient de tension de surface entre le centre et la p´eriph´erie, donnant une double circulation (c).

Les diff´erents ph´enom`enes gouvernant les ´ecoulements pendant le soudage n’ont pas la mˆeme intensit´e. Il est souvent admis que l’effet Marangoni est l’un des effets pr´epond´erants d´eterminant les ´ecoulements dans le bain de fusion. Ce ph´enom`ene est toutefois difficile `a appr´ehender, car l’´evolution de la tension de surface avec la temp´erature est li´ee `a la concen-tration en ´el´ements tensioactifs dans le mat´eriau, comme par exemple le soufre ou l’oxyg`ene dans les aciers. Ceci explique des diff´erences de formes de bain entre les aciers riches et les

aciers pauvres en soufre. Les aciers plus riches en soufre donneront des ´ecoulements de Ma-rangoni de la p´eriph´erie vers le centre du bain, rendant le cordon soud´e plus p´en´etrant [32].

`

A l’inverse lorsque l’acier contient moins de soufre les ´ecoulements se font dans le sens op-pos´e, donnant un cordon peu profond et large (Fig. 1.26). Une double circulation peut aussi apparaˆıtre dans le bain (Fig. 1.26) sous certaines conditions [33], `a cause d’un changement de signe dans le gradient de tension de surface entre le centre et le bord du bain liquide. La cause de ce ph´enom`ene est la variation de l’effet du soufre sur le gradient de tension de surface en fonction de la temp´erature. De mani`ere g´en´erale, quand la temp´erature augmente, le gradient de tension de surface a tendance `a d´ecroˆıtre `a concentration en soufre constante.

Figure1.27 – Simulation num´erique montrant, en coupes transversales les ´ecoulements dans le bain de fusion obtenu en soudage TIG statique [34].

Afin de mieux comprendre le rˆole de l’effet Marangoni sur les ´ecoulements dans le bain liquide, la simulation num´erique est souvent utilis´ee. Basu et Date [35] ont ainsi pu conclure qu’en l’absence d’apport de chaleur externe (`a l’arrˆet de la source de chaleur), les gradients de temp´erature en surface disparaissent rapidement, faisant ainsi s’arrˆeter les ´ecoulements dans le bain. Par ailleurs, ils concluent de leur mod´elisation que la convection a tr`es peu d’effet sur la solidification dans le cas de l’acier et de l’aluminium.

Lorsque le bain de fusion est pleinement p´en´etr´e, c’est `a dire lorsqu’il traverse totalement la tˆole, les ´ecoulements peuvent ˆetre tr`es diff´erents. Dans cette configuration, l’effet Marangoni se retrouve en effet sur les deux surfaces du bain liquide en contact avec le gaz. Fan et al. [34] ont r´ealis´e une simulation dans ce cas de figure pour un acier 304L en soudage TIG statique. Ils observent le mˆeme type d’´ecoulement que dans un bain non d´ebouchant tant que la largeur du bain de fusion en face envers reste limit´ee (Fig. 1.27, pour un temps de 3 s). Cependant, si la largeur du bain augmente, une double circulation du liquide apparaˆıt, dans les parties sup´erieure et inf´erieure du bain de fusion (Fig. 1.27 apr`es un temps de 4 s).