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UNE MODELISATION DES CHAMPS DE TEMPERATURE EN SOUDAGE LASER CO2
A. Sakout, J. Dard, M. Laurent
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A. Sakout, J. Dard, M. Laurent. UNE MODELISATION DES CHAMPS DE TEMPERATURE EN SOUDAGE LASER CO2. Journal de Physique Colloques, 1987, 48 (C7), pp.C7-163-C7-166.
�10.1051/jphyscol:1987729�. �jpa-00227031�
au
48,U N E MODELISATION D E S CHAMPS DE TEMPERATURE E N SOUDAGE LASER CO,
A. SAKOUT, J. DARD* e t M. LAURENT
CALFETMAT/IUT, 1 7 , R u e de France, F - 6 9 1 0 0 V i l l e u r b a n n e
l ~ a b o r a t o i r e
de P h y s i q u e I n d u s t r i e l l e , B â t i m e n t 5 0 2 , INSA, F - 6 9 6 2 1 V i l l e u r b a n n e C e d e x ,f r a n c e
Résumé
-
La géométrie d e s i n t e r f a c e s de s o l i d i f i c a t i o n a é t é détermi- née à p a r t i r d ' o b s e r v a t i o n s métallographiques d e l i g n e s de fuskon e f f e c t u é e s s u r un a c i e r Z2CN 18-10. Un modèle bidimensionnel de t r a n s f e r t de c h a l e u r a é t é développé en p r e n a n t comme c o n d i t i o n au l i m i t e isotherme l ' i n t e r f a c e de s o l i d i f i c a t i o n . L ' é v o l u t i o n des températures c a l c u l é e s dans l a phase s o l i d e t i e n t compte, p a r consé- quent, des mouvements d e convection dans l a zone fondue e t d e s phéno- mènes dans l e plasma. La comparaison des é n e r g i e s absorbées mesurées e t c a l c u l é e s montre qu'une p a r t i e de l ' é n e r g i e e s t t r a n s f é r é e en dehors de l a zone fondue.A b s t r a c t
-
The shape of t h e s o l i d - l i q u i d i n t e r f a c e h a s been o b t a i n e d from m e t a l l o g r a p h i c o b s e r v a t i o n s of m e l t i n g l i n e s on 304 L s t e e l . A h e a t computer programm has been w r i t t e n which s o l v e s t h e e q u a t i o n s governing a two-dimensional mode1 i n which t h e s o l i d - l i q u i d i n t e r f a c e i s used a s a c o n s t a n t temperature boundary c o n d i t i o n . Then t h e calcu- l a t e d temperature d i s t r i b u t i o n i n t h e s o l i d p a r t t a k e s i n t o account f l u i d flow i n weld p o o l s and phenomena i n plasma. Comparison between c a l c u l a t e d and experimental inpuc energy shows t h a t a p a r t of t h a t energy i s t r a n s f e r e d o u t s i d e t h e molten a r e a .INTRODUCTION
L ' u t i l i s a t i o n des f a i s c e a u x l a s e r s dans l e soudage d e s matériaux n ' a c e s s é de c r o i t r e dans l e domaine i n d u s t r i e l . La connaissance e t l a p r é d i c t i o n du champ de température qu'impose l e f a i s c e a u l a s e r au matériau soudé p r é s e n t e une importance c a p i t a l e quant au succès de l ' o p é r a t i o n de soudage. Malheureusement, il e s t pratiquement impossible de c o n n a î t r e avec p r é c i s i o n l a r é p a r t i t i o n s p a t i a l e . d e s d é p ô t s d ' é n e r g i e r é s u l t a n t de l ' i n t e r a c t i o n f a i s c e a u - m a t i è r e . De p l u s , l a s i m u l a t i o n d e s t r a n s f e r t s d ' é n e r g i e e t de masse dans l e plasma e t l a zone fondue e s t d i f f i c i l e à r é a l i s e r . Ces r a i s o n s f o n t que souvent d e s s o l u t i o n s approchées s o n t u t i l i s é e s ( 1 à 3) en l e s r e c a l a n t à p a r t i r de l ' o b - s e r v a t i o n de l a forme de l a zone fondue. Pour contourner c e s d i f f i c u l t é s nous avons déterminé expérimentalement l a forme des isothermes de s o l i d i f i c a t i o n q u i o n t s e r v i de c o n d i t i o n s aux l i m i t e s pour l a m o d è l i s a t i o n . On s ' a f f r a n c h i t , a i n s i , des problèmes de d é t e r m i n a t i o n des é n e r g i e s absorbées e t de l ' i n f l u e n c e des t r a n s f e r t s dans l e plasma e t l a zone fondue.
1 'ENERGIE ABSORBEE
Les e s s a i s o n t é t é e f f e c t u é s avec deux l a s e r s CO2 c o n t i n u s d e puissance maxi- mum 1 000 W e t 3 500 W (CI 1 000 e t C I 4 000 de l a CILAS) au CALFEMAT (Centre d ' A p p l i c a t i o n d e s L a s e r s de F o r t e Energie à l a Transformation d e s Matériaux).
Les l i g n e s d e f u s i o n o n t é t é r é a l i s é e s s u r un a c i e r inoxydable a u s t é n i t i q u e (304 L) soigneusement n e t t o y é dans un b a i n à 60°C de phosphate t r i s o d i q u e e t s i l i c a t e de soude, p u i s aprSs r i n ç a g e , immergé dans une s o l u t i o n d ' a c i d e n i - t r i q u e à d i x pour c e n t .
A l a s u i t e d ' e s s a i s p r é l i m i n a i r e s p l u s i e u r s paramètres o n t ê t é f i x é s : l a
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1987729
C7-164 JOURNAL
DE
PHYSIQUEs u r f a c e d e s p i è c e s a é t é r e c t i f i é e , l e f a i s c e a u a é t é f o c a l i s é par une l e n t i l l e de 127 mm de d i s t a n c e f o c a l e e t l a p r o t e c t i o n gazeuse a é t é a s s u r é e par de l'Hélium i n j e c t é par un tube i n c l i n é à 30" p a r r a p p o r t à l a s u r f a c e de l a p i è c e e t s e d i r i g e a n t v e r s l e p o i n t d ' i n t e r a c t i o n faisceau-matériau. L ' i n f l u e n - c e de t r o i s paramètres a é t é é t u d i é e : l a f o c a l i s a t i o n ( p o s i t i o n de l a t a c h e f o c a l e par r a p p o r t à l a s u r f a c e de l a p i è c e ) , l a p u i s s a n c e i n c i d e n t e (mesurée au v o i s i n a g e de l a p i è c e ) e t l a v i t e s s e de déplacement. Pour examiner l ' i n - f l u e n c e d ' u n paramètre, l e s deux a u t r e s o n t é t é f i x é s e t l ' o n a observé : l a forme de l a zone fondue ( p é n é t r a t i o n e t l a r g e u r du cordon en s u r f a c e ) , l a q u a n t i t é de p o r o s i t é s , l ' é n e r g i e absorbée par l a p i è c e e t l ' é n e r g i e u t i l e ( é n e r g i e n é c e s s a i r e pour amener à l a température de f u s i o n e t fondre l e Volu- me d ' a c i e r correspondant à l a zone fondue o b s e r v é e ) . Nous ne donnons i c i que l ' i n f l u e n c e de l a f o c a l i s a t i o n e t d e l a p u i s s a n c e s u r l e s é n e r g i e s absorbées e t u t i l e s .
Les é n e r g i e s absorbées o n t é t é mesurées d e deux façons d i f f é r e n t e s : p a r l ' é l é v a t i o n de température de l a f a c e opposée à c e l l e de l ' i n t e r a c t i o n avec l e f a i s c e a u pour une é p r o u v e t t e p a r a l l è l i p é d i q u e , e t en plongeant a p r è s l e passage du f a i s c e a u l ' é p r o u v e t t e dans un c a l o r i m è t r e . Ces deux mesures o n t f o u r n i d e s r é s u l t a t s concordants.
La f i g u r e 1 montre l ' i n f l u e n c e de l a f o c a l i s a t i o n pour une puissance i n c i d e n t e de 2 000 W e t une v i t e s s e de 3 mlmn, l e s maximas des courbes correspondant à l ' é n e r g i e absorbée e t à l ' é n e r g i e u t i l e s e s i t u e n t légèrement sous l a s u r f a c e . I l s coyncident avec l e maximum de p é n é t r a t i o n . Nous avons également r e p o r t é l e r a p p o r t de l ' é n e r g i e u t i l e à l ' é n e r g i e absorbée, nous c o n s t a t o n s que c e r a p p o r t e s t quasiment c o n s t a n t l o r s q u ' i l e x i s t e au-dessus de l a p i è c e un plasma t r è s i n t e n s e . On peut penser que l ' é n e r g i e absorbée dépend, l o r s q u ' i l y a un t r o u de s é r r u r e , principalement de l a n a t u r e du plasma e t que l ' é n e r g i e u t i l e dépend des p r o p r i é t é s thermophysiques du matériau e t de l a v i t e s s e de soudage. Sur l a f i g u r e 2 s o n t r e p o r t é e s l e s é n e r g i e s absorbées Ea e t u t i l e s Eu en f o n c t i o n d e l a p u i s s a n c e pour une f o c a l i s a t i o n de - 0 , s mm e t une v i t e s s e de 3 m/mn, e l l e s s o n t approximativement p r o p o r t i o n n e l l e s à l ' é n e r g i e i n c i d e n t e E i :
Ea/Ei = 55 % Eu/Ei = 25 %
FIGURE 1 FIGURE 2
2 1
4
K j / m i~ a / ~ i .
2a .
1 5 - . 40
3 0
5 . .
1 O
o . . . . .
- 5 - 4 - 1 - 2 - 1 0 1 2 3
F o c a l i s a t i o n (mm)
I n f l u e n c e d e l a f o c a l i s a t i o n s u r l e s é n e r g i e s absorbées Ea e t u t i l e s Eu ( l a s e r C I 4000, puis- sance : 2000 W, v i t e s s e : 3m/mn) Input (Ea), u s e f u l (Eu) e n e r g i e s a s f u n c t i o n s of focus p o i n t p o s i t i o n
( C I 4000 l a s e r , power : 2kw, speed 3 m/mn)
1000 zoo0 3000
Puissance (W)
i n f l u e n c e de l a puissance s u r l e s é n e r g i e s i n c i d e n t e s E i absorbées Ea e t u t i l e s Eu ( l a s e r C I 4000, f o c a l i s a t i o n :
-
0 , s mm, v i t e s s e : 3 mlmn).I n p u t (Ea), u s e f u l (Eu) and i n 6 i - d e n t ( E i ) e n e r g i e s a s f u n c t i o n s of l a s e r power. (CI 4000 l a s e r ,
.
f o c u s p o i n t p o s i t i o n :
-
0 , s mm, speed : 3 mlmn).Nous avons e s s a y é t r o i s t e c h n i q u e s pour d é t e r m i n e r l a forme du f r o n t de s o l i - d i f i c a t i o n , p a r r é f l e x i o n d ' o n d e s u l t r a s o n o r e s s u r l ' i n t e r f a c e s o l i d e - l i q u i d e , p a r é j e c t i o n du m é t a l fondu e n m e t t a n t l a p i è c e rapidement e n r o t a t i o n e n c o u r s de soudage e t p a r l'examen m é t a l l o g r a p h i q u e de coupes l o n g i t u d i n a l e s e t t r a n s v e r s a l e s . C ' e s t l'examen d e s macrographies q u i a donné l e s m e i l l e u r s r é s u l t a t s . En compwant l e s coupes l o n g i t u d i n a l e s e t t r a n s v e r s a l e s on p e u t déeerrniner l ' é v o l u t i o n d e s i s o t h e r m e s d e s o l i d i f i c a t i o n d a n s un p l a n normal à l a l i g n e d e f u s i o n .
Sur l a f i g u r e 3 s o n t r e p r o d u i t e s c e s é v o l u t i o n s pour d i v e r s e s v a l e u r s d e s p a r a m è t r e s d e soudage. On v o i t que l a s o l i d i f i c a t i o n s ' e f f e c t u e d ' a b o r d e n fond d e cordon, l e s i s o t h e r m e s s e r e j o i g n a n t l a t é r a l e m e n t , p u i s l a s o l i d i f i c a - t i o n remonte p r o g r e s s i v e m e n t v e r s l e h a u t . P a r l a s u i t e nous s u p p o s e r o n s q u ' e n t r e deux i s o t h e r m e s c o n s é c u t i v e s l ' a v a n c e du f r o n t d e s o l i d i f i c a t i o n e s t r é g u l i è r e . ( i n t e r v a l l e d e temps c o n s t a n t e n t r e l e s i s o t h e r m e s s u c c e s s i v e s )
FIGURE 3 Température ( O C )
Temperature d i s t r i b u t i o n s and s o l i d - l i q u i d i n t e r f a c e .
C I 1000 l a s e r , power : 0,8 kTd, speed 0 , 5 m/mn f o c u s p o i n t p o s i t i o n :
-
0 , 5 mm, e x p e r i m e n t a l i n p u t energy : Ea = 53 kj/m computed i n p u t e n e r g y : Ec = 36 kj/m.S o l i d i f i c a t i o n t i m e 0,32 S.
280
*
3. CHAMPS DE TEMPERATURE DANS LA ZONE SOLIDE
1
En d i s p o s a n t d ' u n e c o n d i t i o n d e t e m p é r a t u r e imposée il e s t p o s s i b l e de d é t e r - m i n e r , l e champ de t e m p é r a t u r e dans l a zone s o l i d e . Pour c e l a nous avons u t i l i - s é une méthode n o d a l e ( d i f f é r e n c e s f i n i e s ) , ( 4 ) ,
sont
l e p r i n c i p e g é n é r a l c o n s i s t e à a f f e c t e r à d e s noeuds d ' u n m a i l l a g e l a c a p a c i t é thermique du m a t é r i a u , e t à c o u p l e r c e s noeuds p a r d e s r é s i s t a n c e s ' t h e r m i q u e s . On o b t i e n t a l o r s pour l ' e n s e m b l e d e s noeuds un système d ' é q u a t i o n s d i f f é r e n t i e l l e s de l aforme :
~e$;s en jns
E v o l u t i o n d e s t e m p é r a t u r e s e t i s o t h e r m e s d e s o l i d i f i c a t i o n c o r r e s p o n d a n t e s L a s e r C I 1000, p u i s s a n c e : 800 W, v i t e s s e : 0 , 5 m/mn f o c a l i s a t i o n :
-
0 , 5 mm, E n e r g i e a b s o r b é e mesurée : Ea = 52 kj'/m, E n e r g i e t r a v e r s a n t l ' i n t e r f a c e d e s o l i d i f i c a t i o n , c a l c u l é e : Ec = 36 kj/m.Temps d e s o l i d i f i c a t i o n 0,32 soù T i s o n t l e s t e m p é r a t u r e s d e s noeuds e t t l e temps. Ce système e s t r é s o l u à chaque p a s d e temps p a r une méthode d e Runge ~ Ü t t a du q u a t r i è m e o r d r e m o d i f i é e p a r G i l l ( 5 ) .
En d e h o r s d e l a t e m p é r a t u r e imposée e t é g a l e à l a t e m p é r a t u r e d e f u s i o n s u r
C7-166 JOURNAL
DE
PHYSIQUEl ' i n t e r f a c e mobile de s o l i d i f i c a t i o n , l e s a u t r e s h y p o t h è s e s du modèle s o n t :
-
l e s p r o p r i é t é s thermophysiques s o n t f o n c t i o n d e l a t e m p é r a t u r e ,-
l e s t r a n s f e r t s d e c h a l e u r s o n t supposés b i d i m e n s i o n n e l s e t normaux au d é p l a - cement du f a i s c e a u l a s e r , c e t t e h y p o t h è s e e s t a c c e p t a b l e dans l a mesure où l a v i t e s s e d e soudage e s t é l e v é e ,- e n s u r f a c e , e n d e h o r s de l a zone fondue l e s échanges d e c h a l e u r s o n t r e p r é - s e n t é s p a r un c o e f f i c i e n t d'échange,
-
a u l o i n , à l ' i n t é r i e u r du m a t é r i a u deux t y p e s d ' h y p o t h è s e s o n t é t é u t i l i s é s : t e m p é r a t u r e é g a l e à l a t e m p é r a t u r e i n i t i a l e e t f l u x n u l , c e c i a permis d e f i x e r l e s dimensions du m i l i e u pour q u ' i l p u i s s e ê t r e c o n s i d é r é comme s e m i - i n f i n i l o r s q u e l e s r é s u l t a t s o b t e n u s a v e c c e s deux h y p o t h è s e s s o n t comparables,-
t e m p é r a t u r e i n i t i a l e uniforme.Les v a r i a t i o n s d e t e m p é r a t u r e pour une s i m u l a t i o n s o n t r e p r é s e n t é e s s u r l a f i g u r e 3 ; e l l e s f o n t a p p a r a î t r e d e s comportements p a r t i c u l i e r s q u i p r o v i e n n e n t d e s t r a n s f e r t s d ' é n e r g i e dans l a zone fondue e t l e plasma, notamment l e s cour- b e s d e r e f r o i d i s s e m e n t dans l a zone s o l i d i f i é e o n t une forme n o n - r é g u l i è r e , l e r e f r o i d i s s e m e n t s ' a c c é l è r a n t à l a f i n de l a s o l i d i f i c a t i o n .
Nous avons c a l c u l é également l e s f l u x t r a v e r s a n t l e s i s o t h e r m e s d e s o l i d i f i c a - t i o n ( v o i r f i g u r e 3 ) , l e s v a l e u r s o b t e n u e s p e r m e t t e n t , e n l e s comparant a u x é n e r g i e s a b s o r b é e s e t mesurées, d ' é v a l u e r l e s q u a n t i t é s d e c h a l e u r t r a n s i t a n t p a r l a zone fondue, e t c e l l e s émises p a r l e plasma e t a b s o r b é e s p a r l a s u r f a c e en d e h o r s d e l a zone fondue ( 6 ) . On c o n s t a t e que l o r s q u e l e cordon e s t l a r g e e n s u r f a c e p r a t i q u e m e n t t o u t e l ' é n e r g i e t r a n s i t e p a r l a zone fondue, en r e v a n c h e l o r s q u 7 i l e s t é t r o i t une p a r t non n é g l i g e a b l e d e l ' é n e r g i e e s t d i f f u s é e p a r l e plasma v e r s l a s u r f a c e d e l a p i è c e .
CONCLUSION
La méthode p r é s e n t é e pour c a l c u l e r l e s d i s t r i b u t i o n s d e t e m p é r a t u r e q u i a s s o c i e un c a l c u l numérique à l a d é t e r m i n a t i o n e x p é r i m e n t a l e d e s i s o t h e r m e s d e s o l i d i - f i c a t i o n donne d e s r é s u l t a t s p l u s e x a c t s que l e s s i m u l a t i o n s c l a s s i q u e s pour l e s q u e l l e s l e s d é p ô t s d ' é n e r g i e s o n t supposés connus.
En o u t r e , comparaison a v e c l e s é n e r g i e s a b s o r b é e s mesurées on o b t i e n t d e s r e n s e i g n e m e n t s s u r l e s e n d r o i t s où l ' é n e r g i e e s t déposée.
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