Montages exp´erimentaux

Deux montages exp´erimentaux diff´erents ont ´et´e r´ealis´es. Ils ont ´et´e con¸cus pour permettre deux types d’observations diff´erentes :

— Le premier montage permet de g´en´erer un bain de fusion axisym´etrique. Tous les ´el´ements du montage ainsi que l’´eprouvette d’essai restent immobiles. L’observation de la solidification se d´eroule alors apr`es l’extinction de l’arc (Fig. 2.23 et 2.24).

— Le second montage permet de g´en´erer une ligne de fusion. Pour r´ealiser cette ligne, les seules parties mobiles en translation du montage sont la tˆole et son support. Tous les instruments d’observation et de mesure et la torche de soudage restent fixes, ce qui facilite la visualisation du bain de fusion pendant tout l’essai. L’observation peut alors se d´erouler pendant toute la phase de soudage (Fig. 2.25 et 2.26).

Les deux montages doivent permettre l’observation des zones d´ecrites sur les figures 2.24 et 2.26. Les zones d’observation `a l’´echelle microscopique pour les deux montages sont choisies afin de visualiser de mani`ere optimale la zone de solidification. Pour l’observation `a l’´echelle macroscopique en visible, les zones observ´ees englobent tout le bain et la zone solide voisine. L’observation en lumi`ere infrarouge requiert une zone qui englobe le bain, la zone solide voisine et les thermocouples, afin de permettre la calibration.

Le r´eglage du montage requiert beaucoup d’efforts de pr´ecision au niveau du positionne-ment des cam´eras, et plus particuli`erepositionne-ment de la cam´era rapide, dont la profondeur de champ est tr`es faible en raison de l’utilisation d’un objectif de microscope (cf 2.3.3.1). En soudage statique, la surface libre du bain liquide se d´eforme assez peu et le r´eglage de la focalisation de l’objectif de microscope est plus ais´ee. Il a donc ´et´e choisi de r´ealiser les essais en soudage statique pr´ealablement aux essais en translation. La r´ealisation du montage statique a aussi permis d’affiner les solutions d’observation et de calibration retenues et de d´ebuter l’analyse des ph´enom`enes physiques en soudage sur un cas de solidification simple sans effets de la vitesse de soudage.

Le montage statique

Figure 2.23 – Montage exp´erimental con¸cu

pour les exp´eriences en soudage statique. ^Figure_{tage statique au niveau du bain liquide en}^{2.24 – Zones d’observation du} mon-cours de solidification.

Comme cela a ´et´e d´ecrit dans la partie 2.3.3, le syst`eme d’observation se compose de quatre cam´eras dont la position et l’orientation doivent ˆetre r´egl´ees `a l’aide du montage exp´erimental. La figure 2.23 montre le placement des diff´erentes cam´eras autour de la tˆole, trois cam´eras observant la face envers et une cam´era la face sup´erieure. Le laser permettant d’´eclairer la sc`ene `a visualiser se trouve `a gauche de la cam´era rapide. Au dessus de la tˆole se trouve la torche de soudage TIG d’o`u sort l’´electrode en tungst`ene, reli´ee `a la borne n´egative

du g´en´erateur de soudage, permettant de g´en´erer l’arc ´electrique. La tˆole est maintenue par un support et sa bride. Ce support est reli´e `a la borne positive du g´en´erateur de soudage.

La protection du bain liquide sur la face du dessus lors du soudage est assur´ee par un flux d’argon sortant de la buse ´equipant les torches de soudage. La face envers quant `a elle est prot´eg´ee grˆace `a une chambre remplie d’argon avant soudage. La chambre de protection est ferm´ee en dessous par une fenˆetre en cristal de chlorure de sodium (NaCl). Cette fenˆetre a ´et´e choisie pour ses propri´et´es de transmission de la lumi`ere. Sa bande passante couvre tout le visible jusqu’aux infrarouges lointains, plus pr´ecis´ement de 250 nm `a 16 µm, avec une transmission de 90%. Elle permet alors l’observation en simultan´e des infrarouges lointains par la cam´era thermique, et du visible par les deux autres cam´eras. La chambre de protection `

a l’argon n’est pas totalement herm´etique, pour ´eviter les hausses de pression `a l’int´erieur. Des trous sont en effet perc´es dans le support, pour permettre dans un premier temps de chasser l’air, puis de maintenir un flux d’argon permanent et une pression constante voisine de la pression atmosph´erique.

Le support de la tˆole est con¸cu en aluminium pour r´esister aux ´echauffements dus au soudage. Il mesure 3 cm d’´epaisseur pour avoir assez de place pour y ins´erer l’arriv´ee de gaz de la chambre de protection et ˆetre assez rigide pour supporter l’´equipement install´e dessus. Des rainures y ont ´et´e usin´ees pour laisser passer les thermocouples mesurant la temp´erature sur la face envers de la tˆole. Un trou de 0, 5 mm de diam`etre est ´egalement perc´e dans la masse du support pour ins´erer le thermocouple de contrˆole de temp´erature du support. Les ´eprouvettes utilis´ees sont des disques de 70 mm de diam`etre et de 1, 6 mm d’´epaisseur, brid´ees en p´eriph´erie sur le support, qui est de forme circulaire pour ´epouser la forme du disque. Cette forme d’´eprouvette a ´et´e retenue parce qu’elle permet d’avoir un bain parfaitement circulaire, le flux de chaleur ´etant radial autour du bain liquide.

Pour ´eviter le risque de fuite de courant dans le support, celui-ci est viss´e `a une poutre m´etallique fix´ee au sol par l’interm´ediaire d’un support isolant. L’isolation ´electrique permet aussi de supprimer le bruit induit par le soudage sur les signaux de mesure.

Le montage en translation

Figure 2.25 – Montage exp´erimental con¸cu pour les exp´eriences en translation.

Figure 2.26 – Zones d’observation du mon-tage en translation en cours de soudage.

Les cam´eras et les dispositifs de mesure sont plac´es de la mˆeme mani`ere que pour le montage statique. La seule diff´erence se situe au niveau du support de la tˆole, il doit ˆetre

motoris´e pour se d´eplacer en cours de soudage. Sa forme est aussi diff´erente afin d’accueillir une tˆole rectangulaire de 150 mm par 70 mm (Fig. 2.25). La chambre du support situ´ee sous la tˆole est toujours remplie d’argon pour prot´eger le bain liquide de l’oxydation et la tˆole est toujours brid´ee par de dessus. La partie transparente fermant la chambre du support est compos´ee de deux mat´eriaux diff´erents. Au niveau de la partie centrale, une fenˆetre de mˆeme nature que dans le montage statique permet la visualisation en infrarouge. Les fenˆetres en chlorure de sodium de grande taille sont en effet difficiles `a trouver, donc seule la partie centrale de la paroi de la chambre en est ´equip´ee. Aux deux extr´emit´es, des fenˆetres en mati`ere plastique transparente, ne laissant passer quasiment que la lumi`ere du visible, sont utilis´ees.

Conception du syst`eme en translation

Le d´eplacement du support est r´ealis´e par un syst`eme m´ecanique comportant deux mo-teurs, deux r´educteurs et deux couples poulies/courroie. La commande est r´ealis´ee par une carte Arduino. Ce syst`eme a ´et´e con¸cu en s’inspirant de ce qui existe d´ej`a dans les imprimantes 3D (Fig. 2.27).

Le syst`eme de translation doit r´epondre `a plusieurs crit`eres :

— il doit ˆetre assez robuste pour supporter le poids du support et de tout ce qui y est accroch´e ;

— le support doit pouvoir ˆetre translat´e en toute position, s’arrˆeter en tout point et sa position instantan´ee doit ˆetre connue afin de pouvoir revenir au point de d´epart ; — la vitesse de d´eplacement doit pouvoir ˆetre r´egl´ee de mani`ere pr´ecise et doit ˆetre stable

pour ´eviter que des acc´el´erations n’affectent la physique de la solidification ;

— la vitesse de d´eplacement doit couvrir au moins une partie des vitesses de soudage typiques en TIG (de 1 `a 10 mm/s environ).

Le support de tˆole est maintenu sur quatre roulements lin´eaires port´es sur deux tiges lisses rectifi´ees qui servent de glissi`eres. Les tiges sont maintenues par quatre pieds en plastique vis-s´es sur une armature m´etallique. Cette armature m´etallique est fix´ee `a une poutre m´etallique qui est elle-mˆeme fix´ee au sol. Les quatre pieds en plastique servent ´egalement d’isolation ´electrique pour ´eviter toute fuite de courant dans le montage et les dispositifs de mesure.

Deux moteurs pas-`a-pas sont utilis´es pour r´ealiser la translation du support. Ils sont coupl´es avec deux r´educteurs permettant de r´eduire la vitesse de rotation des moteurs et d’augmenter le couple. En sortie de r´educteur, deux poulies crant´ees entraˆınant deux cour-roies attach´ees au support permettent sa translation sur les glissi`eres. Pour que le montage fonctionne correctement, les moteurs sont synchronis´es.

Les deux r´educteurs ont ´et´e implant´es dans le montage pour ´eviter les `a-coups g´en´er´es par chaque pas `a petites vitesses de translation. Le r´educteur permet de r´eduire la taille de chaque pas de translation du support. Ainsi avec ce r´educteur, le pas au niveau de la translation du support est pass´e de 0, 15 mm `a 0, 01 mm, ce qui permet d’avoir un mouvement quasi continu mˆeme `a faible vitesse de soudage, les fluctuations ´etant alors imperceptibles sur les vid´eos rapides `a 5000 images/s.