L’OPTIMISATION DE LA VITESSE DE SOUDAGE ELECTRIQUE A L’ARC PAR MODELISATION NUMERIQUE

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3^ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012,

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L’OPTIMISATION DE LA VITESSE DE SOUDAGE ELECTRIQUE A L’ARC PAR MODELISATION NUMERIQUE

Ch. Derfouf,¹ A.W. Aliouali² et F. Khamouli³

1,2 et 3

Département de Mécanique, Université de Biskra, BP: 145, Biskra-07000-Algérie.

E-mail : ¹cderfouf@lgm-ubiskra.net,²Kadourouali@yahoo.fr et ³khamoulikh@yahoo.fr

Résumé :

Le procédé de soudage à l’arc électrique sous flux solide [1], est l’un des procédé de soudage le plus répondu dans l’industrie, il est conditionné par une variante de paramètres telle que la tension de soudage, le courant de soudage et la vitesse de soudage dans ce travail nous nous somme concentré à donner une idée claire sur les conséquences de la variation de la vitesse de soudage dans ce procédé par le biais d’une étude numérique pour différentes valeurs de vitesse cette étude peut contribué à définir la valeur optimale de la vitesse de soudage adéquate lors de l’usage de ce procédé.

L’élément soudé choisi dans notre cas est les deux bouts sphériques constituant la bouteille à gaz B13 fabriqué par l’entreprise SNS BAG Batna. [1-2].

La formulation de la théorie physique et métallurgique du soudage à guidé notre raisonnement numérique à déduire le choix optimale de la vitesse de soudage de plus elle nous montre la délimitation de la Zone Affectée Thermiquement dite (ZAT) et nous propose un suivi de température en tout point des deux bouts soudées au cours du soudage.

Mots clé : Soudage électrique– vitesse de soudage –– numérique.

1. Introduction

Dans le domaine du soudage électrique à l’Arc la simulation propose une solution de raccourci aux expérimentations et tests de soudage, elle offre une prédiction des phénomènes physiques, avec prise en compte des paramètres de soudage pour aboutir à des résultats plus proches de la physique, et donc du cas industriel.

Pour être performante et fiable, la simulation numérique doit en effet intégrer les comportements thermiques, métallurgiques et mécaniques du métal, de même quelques certains aspects chimiques des procédés de soudage [3]

Plusieurs travaux de recherche traitent ce sujet en visant l’objectif de la réduction du coût, de la fiabilité et du bon rendement au cours de la production. [4-5]

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 101 Dans notre cas d’étude nous avons choisi de prendre le ca s de la fabrication de la bouteille à gaz ménagère qui se confectionne dans l’unité SNS BAG de Batna composée de deux bouts sphérique et soudé par le procédé du soudage électrique à l’arc sous flux solide [1] dont la composition chimique de l’acier et du métal d’apport sont connu et considéré comme doux, parfaitement soudable et à faible pourcentage en carbone, sa composition chimique est proche de celle du métal d’apport.[6].

1.1. Type et caractéristiques technique du soudage pratiqué :

C’est le soudage à l’arc électrique automatique immergé sous flux solide. La machine est de marque : LINCOLN avec Phase singulière : Simple

Tension U de 115 Volts, Courant I de 01 Amps, Taux de soudage courant de 750 Amps et des Cycles entre 50-60

La Vitesse de soudage Vs = 5,6 x 10 ^-2 m/s et le temps de cycle de soudage d’une bouteille = 25 secondes.

Tableau.1 Composition Chimique de l’Acier de base

Tableau.2 Composition Chimique du métal d’apport

L’étude numérique entamée porte sur le comportement de la variation de température durant le procédé de soudage.

Cette étude nous montre la délimitation physique de la Zone Affectée Thermiquement dite (ZAT) et nous propose un suivi de valeurs de température en tout point des deux bouts soudées au cours de l’opération de soudage.

Elément C Si Mn P S Al Mo Nb Ti

% 0.19 0.25 0.4 0.025 0.015 0.09 0.009 0.05 0.03

C % Mn % Si % S % P %

Min 0.06 0.40 - - -

Max 0.12 0.60 0.01 0.025 0.025

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2. Modèle de l’étude numérique proposé.

Figure 01 : Schéma du modèle de soudage étudié.

Nous nous somme limité à la dimension de la tôle à souder pour une distance de cinq 05 centimètres, car cette distance est suffisante à tirer les interprétations et les remarques relatives.

2.1.Formulation numérique de l’étude thermique du soudage : Q soudage représente la somme de tous les flux agissants dans le soudage Q soudage = q1 + q2 + q3 + q4

Ou q1 : flux par conduction

q1=





 







 

 

 







 

 

 







 



z T z

y T y

x T x

t

C

_p

T   



q2 : flux par convection q2= h (T - T∞)

Avec h : cœfficient d’échange par convection q3 : flux par rayonnement

q3 = ε σ (T⁴gaz -T⁴surf ext)

Avec ε : émissivité et σ : constante de Boltzmann

q4 : flux d’enthalpie de fusion absorbée au cours du soudage.

Les flux q2, q3 et q4 sont négligés du faite que le soudage se fait par convection.

En tenant compte de la symétrie de la bouteille au niveau du cordon de soudage et des deux embouts à souder, la distribution de la température sera calculée sur la moitié du domaine de soudage.

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 103 Figure 02 : Schéma du modèle discrétisée du soudage.[6]

Le domaine de soudage est présenté sur la figure ci-dessous

Figure 03 : Maillage et disposition du modèle d’étude de la bouteille et disposition du volume de contrôle. [6]

On considère un maillage régulier ∆x= ∆y et ∆z=1

L’équation différentielle qui gouverne le régime transitoire de la diffusion de chaleur est la suivante : λp (∂T/∂x)p=0

Adiabatique

λp (∂T/∂x)p=0 Adiabatique

λp (∂T/∂x)p=0 Adiabatique T° initiale = T°ambiante

λp (∂T/∂x)p=0 Adiabatique

(5)

 

 







 

 

 







 

 

 







 



z T z y

T y

x T x t

C

_p

T   



……….. (1)

Avec 0



 







 z T

z



………..(2)

Donc :





 







 

 

 







 



y T y x

T x t

C

_p

T  



………. …..(3)





,.C_P.et. : Caractéristiques du matériau supposé constants

Sur la face correspondante du cordon est imposée la source de chaleur (qui la source de soudage de l’A.E.S.F.G. qui se déplace le long de cette face, cette source est notée q.

En utilisant la méthode de PATANKAR [2], est qui consiste à écrire l’équation différentielle (1) sous forme algébrique discrétisée pour un nœud du domaine de calcul après intégration sur le volume de contrôle (avec la supposition que ∆z=1) entourant le nœud, en utilisant le schéma totalement implicite recommandé par PATANKAR [2].

On obtient l’équation :

b T a T a T a T a T

a_P _P  _W _W  _E _E  _S _S  _N _N  ………. (4) aP,W,E,S,N et b: cœfficients de l’équation discrétisée et le terme source étant nulle dans ce cas.

2.2. Conditions aux limites : Sur toutes les faces :

dx

dT : par rapport à la direction x et dy

dT par rapport à la direction y, correspondant à l’adiabatique du

fait de la symétrie, seule sur la face du cordon ou est imposée une source de chaleur q mobile

P

P x

q T 



 







 

Sur la frontière et en tenant compte des CAL :

 0



 x

T

, 0



 y

T ou

P

P x

q T 



 







 

En supposant la variation de température linéaire et en utilisant le schéma implicite pour l’intégration dans le temps (recommandé par PATANKAR [7]), on obtient la forme générale de l’équation (4) résolue par l’application de l’algorithme de Thomas aux problèmes 02 dimensions, la résolution

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 105 incrémentale itérative combinée entre la méthode de Newton et celle de Gauss Seidel, nous donne les figures mentionnées dans le tableau III.

3. Résultats

Tableau III. Comparaison des différents modèles de soudage à différentes vitesses.

La longueur de modèle considéré des deux bouts soudés est supposé égale 05 cm.

Vitesse de

Soudage Vs Début de Soudage En cours du soudage Apres 05 cm de soudage

Modèle 01 Vs=10mm/s

Figure01 : carte des températures au début de soudage (Vs=10 mm/s)

Figure04 : carte des températures après 04 cm de soudage (Vs=10 mm/s)

Figure07 : carte des températures après 05 cm de soudage (Vs= 10 mm/s)

Modèle 02 Vs=16 mm/s

Figure02 : carte des températures au Début de soudage (Vs=16 mm/s)

Figure05 : carte des températures Après 04.5 cm de soudage (Vs=16 mm/s)

Figure08 : carte des températures Après 05 cm de soudage (Vs= 10 mm/s)

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

400 600 800 1000 1200 1400

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

400 600 800 1000 1200 1400 1600

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 106 Modèle 03 Vs=21 mm/s

Figure03 : carte des températures au Début de

soudage (Vs=21 mm/s)

Figure06 : carte des températures Après 03.7 cm de soudage (Vs=21 mm/s)

Figure09 : carte des températures Après 05 cm de soudage (Vs= 10 mm/s)

3.1 Interprétation :

Relativement aux figures de modélisation du Tableau I

D’après les figures (01,02 et 03) et selon l’échelle coloriée du code (couleur/température), nous remarquons que la température au début de soudage du modèle 1 avec la vitesse de 10 mm/s est plus intense et atteint une valeur de plus de 1400 °C que celle du modèle 2 avec la vitesse de 16 mm/s ou modèle 3 avec la vitesse de 21 mm/s.

Au cours du soudage et d’après les figures (04, 05 et 06), le même phénomène se répète et on déduit que la température atteinte pour les vitesses de soudage moindres sont plus importantes que celles atteintes avec des vitesses plus grande soit des températures de plus de (1800 °C, 1600 °C et 1400 °C relativement aux vitesses de 10 mm/s, 16 mm/s et 21 mm/s).

Après 05 cm de soudage et avec la répétition de ce phénomène les températures cumulées atteintes sont de plus en plus conséquentes soit des températures de plus de (2200 °C, 1800 °C et 1600

°C relativement aux vitesses de 10 mm/s, 16 mm/s et 21 mm/s), cela nous ramène à dire que :

La première vitesse de soudage Vs = 10 mm/s et trop lente par rapport à la vitesse de soudage souhaitée optimale, car la température atteinte dépasse de loin la température de fusion du métal et cela affecte le cours du soudage par l’influence de cette température sur la solidification du métal et le collage des deux bouts à souder. La troisième vitesse de soudage Vs = 21 mm/s, s’avère trop élevé car la température de fusion du métal n’est atteinte qu’après 05 cm de soudage et cela explique le non collage des deux bouts à souder qu’après cette distance. Mais la deuxième vitesse de soudage 16 mm/s s’annonce comme le meilleur modèle proposé de vitesse de soudage et la température atteinte assure le soudage et le collage des deux bouts à souder dés le départ jusqu’à la fin de soudage, nous estimons que cette vitesse de soudage est la plus proche de la vitesse optimale adéquate si ce n’est pas celle-ci.

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

400 600 800 1000 1200 1400

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

400 600 800 1000 1200 1400 1600

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4. Conclusion :

L’étude numérique entamée nous à permis d’avoir une idée sur :

 La valeur de la vitesse de soudage optimale en fonction des autres paramètres de soudage et de la nature des aciers soudés et leurs dimensions.

 La variation du flux de température dans les bouts soudés sa forme géométrique en fonction de la source d’énergie mobile durant le soudage.

 L’identification dimensionnelle de la ZAT en fonction de la vitesse de soudage.

 Prédiction et localisation du comportement métallurgique et mécanique des différentes zones des éléments assemblés lors du soudage.

5. Référence :

[1] : C. Derfouf « Effet de la soudure sur la structure de l’acier » thèse doctorale université de Biskra année 2011.

[2] : C. Derfouf, A. Aliwali et Z. Boumerzoug « étude numérique de la variation de température dans le soudage a l’arc électrique sous flux solide des aciers à faibles pourcentage de carbone », IC- WNDT-MI’ 10 Conférence Internationale sur le Soudage, le CND et l’industrie des Métaux et Alliage 27-28 Novembre 2010 Oran – Algérie-

[3] : T.T.CHAU « une méthode de simulation numérique du soudage a l’arc » matériaux 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France.

[4] : M. Rachik «Simulation numérique des procédés numériques de mise en forme et d’assemblage», Habilitation à diriger les recherches, 2003, UTC.

[5] : B. Saint-Germain « Etude expérimentale et numérique des distorsions des structures mécano- soudées » Thèse de doctorat, 2006, LGMM, Université de Bretagne-Sud.

[6] : C. Derfouf, A. Aliwali « étude numérique de la variation de température dans le soudage a l’arc électrique sous flux solide des aciers à faibles pourcentage de carbone », courrier du savoir N°11, Université de Biskra Mars2010.

[7]: Suhas V. PATANKAR “Numerical heat transfert and fluid flow“, Année 1980, Hémisphère publishing corporation.