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Le procédé de soudage MIG-MAG
Définition et principe du soudage MIG-MAG
Découvert au cours de la deuxième guerre mondiale, le développement du procédé MIG-MAG (nommé aussi Gaz Metal Arc Welding, GMAW) visait à réduire le coût de soudage des matériaux épais. Il s’est vite imposé dans l’industrie en raison de son efficacité au regard des soudures importantes.
Enfin, comparativement au procédé TIG, déjà employéà l’époque, le procédé MIGMAG s’est aussi révélé plus rapide, notamment sur les matériaux plus épais. Aujourd’hui, ce procédé de soudage est indispensable dans l’industrie de la fabrication en général.
Le transfert de métal
Le soudage à l’arc de type MIG-MAG étant toujours alimenté en courant continu avec polarité inverse, l’électrode fusible est reliée aupôle positif. Le fil est alors soumis au flux d’électrons, ce qui favorise la fusion. Le choix dela polarité inverse s’explique par une plus grande stabilité de l’arc. En effet, dans le cas d’une polarisation directe, les gouttes de métal sont plus grosses et se détachent moins facilement,ce qui conduit à l’obtention d’un cordon bombé.
Etudes expérimentales du soudage MIG-MAG
Nous avons souligné que les paramètres opératoires et phénomènes physiques intervenant lors du procédé de soudage MIG-MAG sont nombreux. L’influence de ces différents phénomènes physiques sur la géométrie du cordon et sur les caractéristiques de l’arc a été étudiée à travers des travaux expérimentaux et numériques. Les paramètres rendement d’arc, pression d’arc et l’étude du transfert de métal d’apport ont fait part d’une attention particulière au vu de l’importance de ces données dans la mise en place de la modélisation numérique du soudage MIG-MAG. L’objet de cette section n’est pas d’en faire une liste exhaustive mais de présenter les articles les plus récents et présentant un intérêt particulier. Les articles traitant majoritairement de résultats expérimentaux sont détaillés dans une première partie, ceux traitant essentiellement de la modélisation de l’arc dans une seconde partie.
Rendement de l’arc
Le rendement de l’arc est une donnée essentielle pour la simulation numérique du soudage MIG-MAG, puisqu’il est lié à l’énergie transférée à la pièce. Différentes méthodes permettent d’obtenir les rendements d’arc comme la calorimétrie à azote et à eau ou encore la méthode d’évaluation à partir de la résolution de l’équation de Rosenthal. Cette dernière technique consiste à mesurer la surface de bain fondu et le profil de température à l’aide de thermocouples. Ainsi, on peut estimer l’énergie nécessaire pour obtenir le bain de fusion [NILES 1995]. Le principe du calorimètre à azote est de placer, juste après l’essai, la pièce soudée dans un vase rempli d’azote liquide. En mesurant la quantité d’azote évaporé, on peut en déduire l’énergie récupérée par l’échantillon. La calorimétrie à eau est basée sur le même principe, puisqu’on mesure l’élévation de la température de l’eau contenue dans un vase Dewar (récipient conçu pour avoir une bonne isolation thermique) pour calculer l’énergie qui a été transmise à l’échantillon [DUPONT 1995].
Les données expérimentales de rendement d’arc sont importantes pour le procédé TIG (Tungsten Inert Gas), elles sont néanmoins très contradictoires, comme l’a souligné M. Brochard [BROCHARD 2009]. D’après les travaux de Niles, le rendement d’arc en TIG diminue de 60 à 30% quand l’intensité augmente de 125 à 225 A [NILES 1995].
Pour le procédé MIG-MAG, les travaux sont plus rares et plus anciens. Vitooraporn cite des travaux donnant des valeurs de rendement de l’arc en MIG-MAG pour des aciers allant de 65 à 90% [VITOORAPORN 1990].
Dupont a lui effectué des mesures de rendement d’arc par calorimétrie pour différents procédés d’arc MIG-MAG (GMAW), TIG (GTAW), SAW (Submerged arc welding) et PAW (Plasma Arc Welding) [DUPONT 1995]. Il estime le rendement d’arc en MIG-MAG autour de 85%, il semble que le rendement diminue légèrement quand l’intensité de soudage augmente (Figure 9). Il précise que le rendement d’arc est constant pour différentes vitesses de soudage à une intensité de soudage constante.
Les différences dans les conditions opératoires, les techniques de mesures et le manque de données en soudage MIG-MAG ne permettent pas d’établir une conclusion concernant l’évolution du rendement en fonction du courant ou en fonction d’autres paramètres opératoires.
Pression d’arc
De même que pour le rendement, nous trouvons très peu de travaux relatifs aux mesures de pression d’arc en MIG-MAG, données également importantes pour prédire les déformations de la surface du bain à l’aide de modèles numériques. On peut citer, néanmoins, pour le cas du procédé TIG les travaux de Lin et Eager qui ont déterminé expérimentalement la pression d’arc [LIN 1986]. Leurs mesures de pression reposent sur l’utilisation d’une plaque de cuivre refroidie par eau pour éviter la fusion et reliée à un capteur de pression. Ils ont ainsi pu évaluer la distribution de la pressionpour différentes intensités allant de 300 à 600 A et pour différents angles d’affûtage de l’électrode (30°, 60° et 90°). Ils ont observé des pressions maximales d’arc variant de 1000 à 5000 Pa quand l’intensité augmente de 300 à 600 A (Figure 10a). Ils ont aussi étudié l’influence du gaz de protection (argon et hélium) (Figure 10b). Leurs valeurs de pression ont largement été utilisées par la suite comme données d’entrée de modèles pour simuler aussi bien le procédé TIG [WU 2004] que le procédé MIGMAG [KIM 2003, KUMAR 2004-a, ZHANG 2004-a].
Xu utilise une expression de la pression d’arc pourle procédé MIG-MAG en fonction de l’intensité, de la distance entre la pièce à souder et le bout de l’électrode et des angles caractéristiques de la configuration [XU 2007]. On retrouve le même ordre de grandeur de pression d’arc que celui donné par Lin et Eager (Figure 11) [LIN 1986].
Etude de la zone fondue
Ushio a développé un modèle numérique thermohydraulique tridimensionnel en régime quasi-stationnaire représentant le cordon desoudure à plat pour le procédé MIG-MAG [USHIO 1997]. Ce modèle prend en compte l’apport de matière, les forces électromagnétiques, l’effet Marangoni et les forcesde flottabilité dans le bain fondu. Le profil de la surface du bain fondu est obtenu en minimisant l’énergie de surface totale. Les résultats du modèle sont comparés avec une coupe transversaledu cordon de soudure, la géométrie à l’arrière du bain fondu n’a pas été validée dans cette étude. Néanmoins, l’algorithme de calcul du bombé et de la déformation de la surface du bain fondu semble être satisfaisant pour représenter les différents phénomènes intervenant en soudage MIG-MAG.
Wahab a réalisé des modèles 2D et 3D purement thermiques en régime quasistationnaire pour simuler le soudage à l’arc MIG-MAG [WAHAB 1998]. Afin de pouvoir obtenir la géométrie tridimensionnelle du bain fondu, une expérience spécifique a été mise en place : après un arrêt brutal de la soudure, un système avec un ressort retourne la pièce soudée afin d’évacuer le métal fondu et laisser ainsi une trace de la géométrie du bain fondu. La largeur, la pénétration et la longueur du bain fondu ont été validées par de nombreuses comparaisons expérimentales. Néanmoins, pour reproduire les longueurs de bain fondu, une conductivité thermique isotrope multipliée par 5 à 10 a dû être introduite dans le modèle. Kumar et DebRoy ont développé dans un premier tempsun modèle tridimensionnel purement thermique pour simuler un cordon de soudure en configuration en angle (ou en « V ») obtenu par procédé MIG-MAG [KUMAR 2004-b]. Ils utilisent les méthodes inverses pour déterminer les paramètres inconnus tels que lerayon de distribution de la puissance d’arc supposée gaussienne et le rendement d’arc. Une conductivité isotrope multipliée par 12 a été utilisée, cette valeur a été choisie d’après leur étude bibliographique. Ce travail se poursuit avec les travaux de Kim, Zhang et DebRoy qui ont développé un modèle très proche de celui de Ushio, mais adapté à une configuration de soudage en angle [KIM 2003, ZHANG 2004-a, ZHANG 2004-b, USHIO 1997]. Leur modèle est validé à partir de 8 configurations expérimentales. Ces validations ont été effectuées uniquement à partir de coupes macrographiques transversales au cordon de soudure,la longueur du bain fondu n’est donc pas comparée à des résultats expérimentaux. Par la suite, Kumar a de nouveau utilisé les méthodes inverses et ce modèle en incluant la priseen compte de la mécanique des fluides dans le bain pour estimer les valeurs des trois paramètres : rendement de l’arc, conductivité thermique effective et la viscosité effective en fonction de différentes conditions de soudage [KUMAR 2005]. Dans ce modèle, l’écoulement du métalliquide est supposé laminaire mais les effets de turbulence sont pris en compte à travers une conductivité thermique et une viscosité effectives. Il en découle que la viscosité a beaucoup moins d’effet sur la géométrie de la zone de fusion que les deux autres paramètres. Dernièrement, Kumar a appliqué le modèle à différentes conditions de soudage tel que le soudage en « V » pour différents angles d’inclinaison de l’assemblage ou le soudage à plat avec une certaine inclinaison du montage (Figure 16) [KUMAR 2007]. Néanmoins, dans tous ces travaux, la longueur du bain fondu n’a pas été validée par des résultats expérimentaux. De même, les cinétiques thermiques ne sont pas non plus comparées à des mesures par thermocouples.
Le rayonnement laser
En 1916, Albert Einstein définit les lois d’émission de photons (lumière) par stimulation (pompage optique) et émet le principe de l’émission stimulée qui ouvre la porte à une nouvelle technologie: le LASER « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation » soit en français Lumière Amplifiée par Stimulation d’Emission de Rayonnement.
Les premiers lasers ont été réalisés en 1960 par MAIMAN (laser solide à rubis) et par JAVAN (laser à Gaz Hélium-Néon) [DOWDEN 2009].
Le faisceau laser est caractérisé par sa longueur d’onde (le rayonnement est monochromatique), sa divergence (φen mrad), son faible diamètre, sa cohérence temporelle et spatiale. En effet, la lumière du laser est appelée lumière cohérente. Le faisceau laser est généré dans un résonateur (Figure 18: 1) constitué de deux miroirs dont l’un est partiellement transparent et contenant un milieu actif, dit lasant, généralement solide ou gazeux. Le milieu actif est excité (Figure 18: 2) par une source d’énergie qui induit dans la cavité (Figure 18: 3) une émission stimulée. Les lois de l’émission stimulée font que les photons réémis ont tous la même fréquence et la même phase. À partir d’un certain seuil, il y a amplification et émission d’un très grand nombre de photons qui se constituent en onde électromagnétique cohérente.
La fréquence de celle-ci est celle des photons qui la génèrent et elle est fixée par la nature du milieu excité.
Au début des années 70, la technologie laser prend place dans le milieu industriel dans le domaine des traitements des matériaux. Des outils de découpage des tôles par faisceau laser ont été utilisés pour la première fois en 1975 et c’est seulement en 1984 que la technologie laser a été développée pour le soudage des métaux dans les industries de production en série.
Dans ce qui suit, nous allons présenter le principede ce procédé de soudage, plus de détails peuvent être trouvés dans les thèses de Chouf, Touvrey-Xhaard et Belhadj [CHOUF 2002, TOUVREY-XHAARD 2006, BELHADJ 2009].
Etudes expérimentales du soudage hybride laser/MIG-MAG
Le soudage laser hybride nécessite d’ajuster un grand nombre de paramètres pour obtenir un procédé optimal. Ainsi, on trouve dans la littérature un certain nombre de travaux présentant l’influence de ces différents paramètres opératoires. La plupart de ces travaux consistent à étudier l’influence de ces paramètres sur la forme et taille du cordon de soudure.
Il a ainsi été démontré que la largeur du cordon desoudure était principalement influencée par la puissance de l’arc [EL RAYES 2004, CAMPANA 2007,GAO 2008]. En effet, quand la puissance d’arc augmente la largeur du cordon augmente aussi. La pénétration est plutôt contrôlée par la puissance du laser [EL RAYES 2004,CAMPANA 2007, GAO 2008]. Plus précisément, El Rayes a réalisé une série d’essais de soudage hybride laser CO 2 /MIG-MAG sur de l’acier austénitique inoxydable 316L afin d’étudier l’influence des paramètres opératoires sur la géométrie du cordon [EL RAYES 2004]. D’après ces travaux, le mode de transfert de métal a une grande influence sur la largeur et la pénétration du cordon de soudure.
Les vapeurs métalliques induites par le laser modifient de façon significative les caractéristiques du transfert de métal. Campana a effectué ses essais de soudage hybride sur de l’acier inoxydable AISI 304 de 8 mm d’épaisseur avec un laser CO2 [CAMPANA 2007].
L’objectif de ces travaux est de déterminer la position optimale des deux sources ainsi que l’importance du mode de transfert de métal d’apportsur la stabilité de l’ensemble du processus. Gao a lui étudié plus particulièrement l’effet des différents paramètres opératoires du soudage hybride laser CO 2/MIG-MAG sur la microstructure d’un acier doux [GAO 2008].
La distance entre les deux sources est donc un paramètre important: la pénétration augmente si les deux sources se rapprochent. Selon Campana, la distance optimale se situerait dans la gamme de 2 à 4 mm [CAMPANA 2007]. Tandis que Song conseille une distance de 1 mm [SONG 2006], El Rayes préconise une distance inférieure à 7 mm entre les 2 sources etCasalino une distance inférieure à 5 mm [EL RAYES 2004, CASALINO 2007]. Ces différences sur la distance optimale peuvent s’expliquer par les diverses conditions opératoires utilisées. Song a utilisé un procédé de soudage hybride laser Nd :YAG/ MIGMAG avec des tôles d’alliages de magnésium AZ31B etd’épaisseur allant de 1,6 à 2,5 mm [SONG 2006]. Dans les travaux de Casalino, le matériau étudié pour l’étude est l’alliage 5005 composé d’aluminium et de magnésium de 3 mm d’épaisseur et les essais sont réalisés avec un laser CO2 [CASALINO 2007]. Enfin, Wouters explique que placer la source MIG en amont du faisceau laser permet le préchauffage de la zone de la pièce où le faisceau laser va passer, et donc permet à ce dernier de pénétrer plus en profondeur [WOUTERS 2005]. Placer à l’inverse la source MIG en aval du laser permet principalement d’élargir le bain fondu. Wouters a surtout étudié l’influence du jeu et de la géométrie de l’assemblage (bord à bord, en angle) sur la géométrie du cordon et les problèmes de qualité du cordon de soudure. En effet, il met en évidence que des jeux très petits (moins de 0,5 mm) ou grands (plus de 2 mm) doivent être évités dans le cas du soudage à pénétration partielle car cela introduit une élévation des contraintes dans le cordon de soudure. Il préconise aussi l’utilisation d’un chanfrein afin d’améliorer la qualité du cordon de soudure. Pour ces travaux, un laser Nd :YAG a été utilisé pour les essais de soudage hybride sur un acier doux. D’après ces nombreux travaux, il semble difficile de conclure sur une distance optimale entre l’arc et le laser. En effet, cette distance caractéristique dépend de nombreux paramètres tel que le type de laser utilisé (Nd :YAG ou CO 2 ), le matériau utilisé ou encore l’épaisseur de la tôle. Ainsi, une étude spécifique sur ce point a été réalisée aucours de ces travaux de thèse.
Le laser
Les premiers essais ont été réalisés à l’aide d’un laser Nd: YAG (dopé au néodyme) continu à disques pompés lampes de marque TRUMPF 4006D, de longueur d’onde 1064 nm, délivrant une puissance maximale de 4 kW. Le laser est commandé à distance. Le faisceau est acheminé au poste de travail par le biais d’une fibre optique de 600 µm jusqu’à une tête laser.
Pour information, la taille de la fibre optique impose la taille minimale de la tache focale que l’on peut utiliser. Les principaux paramètres opératoires, outre la vitesse de soudage que nous avons mentionnée précédemment, sont les suivants :
– la puissance laser : fixe dans l’étude, 4 kW (mais variable de 0 à 4 kW), continu,
– le diamètre de la tache focale : fixe dans notre étude, 0,6 mm (les distances de collimation et de focalisation sont de 200 mm, Figure 21),
– la position du point de focalisation : fixe dans notre étude, focalisation en surface de la pièce à souder.
Par la suite, le laboratoire s’est équipé d’un laser Nd : YAG (dopé au néodyme) à disques pompés diodes, continu de 8 kW de puissance maximale de la marque TRUMPF TruDisk 8002. Néanmoins 90% des essais ont été réalisés avec le laser de 4 kW de puissance maximale, une précision sera donc donnée si l’essaia été réalisé avec le laser de 8 kW.
L’imagerie rapide
La caméra rapide CMOS utilisée est de marque PHOTRON IMAGEUR FASTCAM APX RS 3000 avec une fréquence d’enregistrement maximale de 100 kHz. Sa mémoire d’acquisition est de 2,6 Go. Ainsi, selon la superficie de la zone à observer et la fréquence d’acquisition, une séquence de seulement de 0,1 à 10 secondes peut être filmée à chaque essai. Au vu des cinétiques du procédé et de nombreux essais, une fréquence de 10 kHz a été suffisante pour observer les phénomènes qui interagissent lors du procédé de soudage. Des observations latérales de la géométrie du bain fondu ont été réalisées en plaçant l’appareil sur le côté, perpendiculairement au sens de soudage et incliné de 45° par rapport à la verticale du faisceau laser (Figure 33). Un film a été réalisé pour chaque essai avec un éclairage et un filtre adéquats pour les différents types d’essai. Les données peuvent être enregistrées soit sous forme de séquences d’images, soit directement sous forme de fichiers vidéo. La caméra estassociée à un système de déclenchement à distance.
Etant donné l’intensité de la lumière de l’arc et du laser, il est difficile d’observer directement l’arc de soudage. De très nombreux essais ont été réalisés afin de mettre au point un éclairage et un système de filtrage adéquats. Unfiltre interférentiel rouge (CVI F03-632.8-4 50.0M) centré sur 632,8 nm (FWHM 3 nm) a ainsi été choisi dans le cas du soudage MIGMAG à forte intensité, afin de supprimer la luminosité de l’arc. Le contraste ainsi obtenu est suffisant pour étudier également le transfert des gouttes dans l’arc. En procédé laser, on utilise en complément un filtre KG-3 afin de protéger les capteurs de la caméra rapide des longueurs d’onde du laser (1064 nm dans notre cas). En utilisant ces filtres, la zone d’observation devient très sombre, un éclairage à lampe halogène a donc été utilisé afin d’obtenir un contraste suffisant surtout sur l’arrière du bain de fusion.
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Table des matières
REMERCIEMENTS
NOMENCLATURE
1. Introduction
2. Etude bibliographique
2.1 Introduction
2.2 Généralités
2.3 Le procédé de soudage MIG-MAG
2.3.1 Définition et principe du soudage MIG-MAG
2.3.2 Le transfert de métal
2.3.3 Les paramètres opératoires et physiques induits parle soudage MIG-MAG
2.3.4 Etudes expérimentales du soudage MIG-MAG
2.3.4.1 Rendement de l’arc
2.3.4.2 Pression d’arc
2.3.4.3 Déformation de la surface du bain liquide
2.3.4.4 Transfert de métal
2.3.5 Modélisation numérique du soudage MIG-MAG
2.3.5.1 Etude de la zone fondue
2.3.5.2 Etude du détachement des gouttes
2.3.5.3 Etude du plasma
2.4 Le procédé de soudage laser
2.4.1 Le rayonnement laser
2.4.2 Définition et principe du soudage laser
2.4.3 Les paramètres opératoires et physiques induits parle soudage laser
2.4.4 Etudes expérimentales du soudage laser
2.4.5 Modélisation numérique du soudage laser
2.5 Le procédé de soudage hybride laser/MIG-MAG
2.5.1 Définition et principe du soudage hybride laser/MIG-MAG
2.5.2 Etudes expérimentales du soudage hybride laser/MIG-MAG
2.5.3 Modélisation numérique du soudage hybride laser/MIG-MAG
2.6 Conclusion
3. Dispositifs expérimentaux
3.1 L’installation de soudage
3.1.1 Le poste de soudage MIG-MAG
3.1.2 Le laser
3.1.3 L’imagerie rapide
3.1.4 Schéma général de l’installation
3.2 Matériaux
3.2.1 L’acier S355
3.2.2 Le fil d’apport (G4 Si1)
3.3 L’observation macrographique
3.4 Techniques spécifiques d’observation et de mesure
3.4.1 Traceur dans le bain de fusion
3.4.2 Mesure de la longueur du bain de fusion
3.4.3 Mesure de la déformation maximale
3.4.4 Mesure de la fréquence, de la vitesse, du rayon et de la pression des gouttes en régime spray
3.4.5 Mesure de la vitesse en surface de bain fondu.
4. Etude expérimentale
4.1 Etude du cordon de soudure
4.1.1 Le soudage MAG
4.1.1.1 Observations du procédé MAG à la caméra rapide
4.1.1.2 Géométrie des lignes de fusion obtenues en soudage MAG
4.1.1.3 Comparaison des configurations tirée et poussée en soudage MAG
4.1.1.4 Soudage MAG : Etude du jeu
4.1.2 Le soudage laser
4.1.3 Hybride laser/MAG
4.1.3.1 Observations du procédé hybride laser/MAG à la camé ra rapide
4.1.3.2 Géométrie des lignes de fusion obtenues en soudage hybride laser/MAG
4.1.3.3 Comparaison des configurations tirée et poussée
4.1.3.4 Influence de la distance fil/faisceau en soudage hy bride laser/MAG
4.1.3.5 Assemblage en soudage hybride laser/MAG
4.1.4 Forme de bain dans le sens longitudinal
4.2 Mesures spécifiques obtenues à l’aide de la caméra rapide
4.2.1 Longueur du bain fondu
4.2.2 Déformation maximale de la surface du bain fondu
4.2.3 Fréquences, vitesses, diamètre et pressions des gouttes en régime spray
4.2.4 Mesure de la vitesse en surface de bain fondu
4.3 Bilan de la base de données
4.4 Conclusion
5. Modélisation tridimensionnelle thermique des procédés de soudage
5.1 Modélisation du soudage MIG-MAG
5.1.1 Formulation du problème
5.1.2 Equation de conservation de l’énergie
5.1.3 Conditions aux limites
5.1.4 Déformation de la surface du bain liquide
5.1.5 Implémentation du modèle dans le logiciel Comsol Multiphysics ®
5.1.6 Maillage
5.1.7 Etude de sensibilité des paramètres de la source dechaleur
5.1.8 Modification de la conductivité thermique
5.1.9 Etude de sensibilité des paramètres de la pression d’arc
5.2 Modélisation du soudage laser
5.3 Modélisation du soudage Hybride
5.4 Conclusion
6. Validation et ajustement des modèles de soudage MAG, laser et hybride laser/MAG
6.1 Comparaison expérimentale et numérique des coupes t ransversales macrographiques
6.2 Comparaison expérimentale et numérique des longueur s de bain de fusion
6.3 Comparaison expérimentale et numérique des coupes l ongitudinales
6.4 Rendement et rayon de distribution de la source MAG
6.5 Déformation de la surface du bain de fusion et pres sions d’arc correspondantes
6.6 La puissance laser
6.7 Bilan des paramètres à calibrer
6.8 Cycles thermiques
6.9 Conclusion
7. Conclusion et perspectives
ANNEXES
Annexe 1 : Etude de sensibilité des propriétés thermophysiques
Annexe 2 : Etude de sensibilité de la géométrie de la modélisation
Annexe 3 : Etude du flux évaporé
BIBLIOGRAPHIE
