Soutenance mémoire
Conséquences du procédé de soudage
Conséquences thermiques du soudage
Les opérations de soudage engendrent des cycles thermiques qui conduisent à des changements de phase à l’état liquide et solide dans la zone soudée. Les cycles thermiques sont caractérisés par un chauffage suivi d’un refroidissement. L’amplitude et la durée de ce trajet thermique varie en fonction de la distance par rapport à la source de la chaleur qui peut être mobile (ex. soudage à l’arc) ou non (ex. soudage par résistance).
Conséquences métallurgiques du soudage
Les cycles thermiques du soudage conduisent à des modifications métallurgiques du matériau de base dans la zone où la température maximale obtenue au chauffage est suffisamment importante. Ces modifications métallurgiques dépendent de la composition chimique locale du matériau de base et des conditions de soudage telles que l’énergie de soudage, la vitesse de déplacement de la source de chaleur et les conditions de refroidissement.
Conséquences mécaniques du soudage
L’histoire thermique et les modifications de microstructures provoquées par le soudage s’accompagnent naturellement d’évolutions importantes des propriétés mécaniques par rapport au métal de base. D’autre part, la localisation de la source de chaleur ou autrement dit, les dilatations hétérogènes et les variations des propriétés mécaniques du matériau en fonction de la température et de la microstructure ainsi que les conditions de bridage des pièces engendrent les contraintes et les déformations résiduelles dans les structures après soudage.
Couplage thermique, métallurgique et mécanique
Lors d’une opération de soudage, les phénomènes physiques peuvent être répertoriés dans trois catégories :
• thermique : apport de chaleur, conduction et convection ;
• métallurgie : transformations allotropiques, évolutions microstructurales ;
• mécanique : contraintes et déformations résiduelles induites lors du soudage.
Lors de la simulation numérique d’une opération de soudage, le calcul thermique permet de simuler le champ de température dans la pièce. Ce calcul nécessite la connaissance des caractéristiques thermiques, le comportement thermique du matériau ainsi que la quantification de l’apport de chaleur. Ce calcul est généralement à la base des calculs métallurgiques et mécaniques. L’état métallurgique est ensuite obtenu à partir du champ de température, de l’état métallurgique du matériau de base et des cinétiques de transformation de phase pour chaque histoire thermique du soudage. L’état mécanique est ensuite déterminé à partir de la loi de comportement et des chargements appliqués à la structure (bridage, chargement thermique, chargement mécanique). Il dépend très fortement des états thermiques et métallurgiques précédemment calculés. Le calcul mécanique fournit les champs de contraintes et déformations résiduelles.
Généralement, les interactions entre ces différents phénomènes peuvent être classées en six catégories :
• a – Le premier type d’interaction représente l’influence de la température sur la microstructure de l’acier. Pour les aciers, il décrit l’effet de la température sur la cinétique de transformation de phase à l’état solide et le changement d’état liquide-solide.
• b – Le deuxième type d’interaction couvre l’influence de l’état métallurgique sur l’état thermique. Il est caractérisé par les chaleurs latentes de changement d’état liquide-solide et de transformations de phase à l’état solide et par la dépendance des caractéristiques thermiques de la microstructure.
• c – Le troisième type d’interaction représente l’influence de la température sur l’état mécanique du matériau. Il provient de la dépendance des caractéristiques mécaniques de la température et de la dilatation thermique du matériau.
• d – Le quatrième type d’interaction représente l’influence de l’état métallurgique sur l’état mécanique, il décrit la dépendance du comportement du matériau par rapport à l’évolution de la microstructure et permet d’obtenir une déformation de transformation (TRIP – TRansformation Induced Plasticity).
• e – Le cinquième type d’interaction décrit l’influence de l’état mécanique sur l’état thermique par la prise en compte des dissipations dues aux mécanismes irréversibles.
• f – Le sixième type d’interaction concerne l’influence de l’état mécanique sur les cinétiques de transformation métallurgique.
Etude bibliographique
L’objet de ce travail est l’évaluation des conséquences mécaniques du soudage des aciers avec la prise en compte des aspects métallurgiques. Nous avons donc orienté notre étude bibliographique sur les travaux réalisés dans un but similaire. Les modélisations étudiées concernent les matériaux présentant des transformations microstructurales lors des opérations de soudage. Il s’agit donc de la modélisation des phénomènes thermiques, métallurgiques et mécaniques ainsi que les interactions entre ces trois phénomènes dans la zone affectée thermiquement. C’est pourquoi, pour la clarté de la présentation, nous avons choisi de scinder cette étude bibliographique en trois parties successives, respectivement consacrées à la modélisation thermique, métallurgique et mécanique.
Modélisation thermique
L’objectif du problème thermique est de trouver l’évolution du champ de température dans la pièce au cours du soudage jusqu’à refroidissement complet. Pour la plupart des procédés de soudage, l’apport de chaleur est utilisé pour fondre le métal des pièces à assembler et permet la formation d’un bain de métal fondu. Donc, dans le cas du soudage à l’arc, pour pouvoir prédire précisément la température dans la structure, la modélisation thermique nécessite, en plus d’une modélisation des transferts de chaleur par conduction dans la partie solide, la modélisation des transferts de chaleurs thermofluides dans l’arc électrique, la prise en compte des phénomènes électromagnétiques, la modélisation des mouvements convectifs dans le bain fondu en interaction avec le plasma de couverture. La modélisation de l’arc électrique et du bain de fusion d’une opération de soudage joue un rôle prépondérant dans la détermination de la quantité d’énergie mise en jeu ainsi que dans la prédiction de la forme du bain de fusion. Plusieurs auteurs se sont intéressés à ce sujet, on peut citer entre autres les travaux de ([Goldak et al., 1984], [Fan et Shi, 1996], [Li et Wu, 1997], [Wu et al., 1997], [Kim et Na, 1998], [Mahrle et al., 2000], [Roger, 2000], [Fan et al., 2001], [Roger, 2005], [Lu et al., 2006], [Hu et al., 2007]). Dans le cadre de notre étude, nous avons focalisé notre attention sur une modélisation fine de la loi de comportement en vue de la détermination des états résiduels des structures soudées. Généralement, ces simulations numériques sont réalisées en utilisant les codes de calcul qui ne permettent pas de modéliser l’arc électrique et le bain de fusion. C’est pourquoi, l’arc électrique sera modélisé par une source de chaleur équivalente, par ailleurs, la fusion du métal sera prise en compte en modifiant les propriétés thermophysiques de façon adéquate. En définitive, dans la modélisation thermique, seule la conduction de la chaleur sera modélisée.
Modélisation de la source de chaleur
Pour les procédés de soudage mettant en jeu de fortes densités d’énergie, comme le soudage par faisceau d’électrons ou le soudage laser, l’énergie est déposée en profondeur dans un capillaire. Ce dernier est considéré comme une source volumique de chaleur tandis que, simultanément, la vaporisation d’une partie du métal et le plasma agissent comme une source surfacique de chaleur. Dans ce cas, la source de chaleur est souvent modélisée comme la superposition d’une source volumique et d’une source surfacique de chaleur ([Du et al., 2004], [Tian et al., 2007], [GouMing et al., 2007]). Dans le cas du soudage à l’arc (ex. soudage TIG, MIG, MAG), l’énergie provenant du plasma d’arc est déposée en surface. L’apport de chaleur peut ainsi être modélisé comme une source surfacique de chaleur. Parfois, pour le soudage TIG, le bain de fusion peut être considéré comme une source interne de chaleur, on peut alors modéliser le plasma d’arc et le bain de métal fondu par une source volumique de chaleur de forme adéquate [Goldak et al., 1984]. L’apport de chaleur dépend également de la présence ou non de métal d’apport ainsi que du type de procédé monopasse ou multipasse. Sans rentrer dans le détail de tous les modèles de sources de chaleur, nous présentons, dans ce paragraphe, quelques modèles simples de source de chaleur souvent utilisés dans la simulation numérique des procédés de soudage ou de traitement thermique des aciers.
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Table des matières
Introduction générale
1 État de l’art
1.1 Introduction
1.2 Procédé de soudage
1.2.1 Description d’une opération de soudage
1.2.2 Procédé de soudage à l’arc
1.3 Conséquences du procédé de soudage
1.3.1 Conséquences thermiques du soudage
1.3.2 Conséquences métallurgiques du soudage
1.3.3 Conséquences mécaniques du soudage
1.3.4 Couplage thermique, métallurgique et mécanique
1.4 Etude bibliographique
1.4.1 Modélisation thermique
1.4.1.1 Equation de la chaleur
1.4.1.2 Conditions aux limites
1.4.1.3 Modélisation de la source de chaleur
1.4.1.4 Conclusion
1.4.2 Modélisation métallurgique
1.4.2.1 Phases métallurgiques
1.4.2.2 Transformation de phase
1.4.2.3 Diagramme d’équilibre et transformation au chauffage
1.4.2.4 Transformation au refroidissement
1.4.2.5 Facteurs influençant les transformations
1.4.2.6 Modélisation des transformations de phases
1.4.2.7 Modèle de type Inoue
1.4.2.8 Modèle de type I.N.P.L
1.4.2.9 Modèle de Leblond-Devaux
1.4.2.10 Modèle de Giusti
1.4.2.11 Modèle de Waeckel
1.4.2.12 Conclusion
1.4.3 Modélisation mécanique
1.4.3.1 Problème mécanique en présence de transformations structurales
1.4.3.2 Conséquences mécaniques des transformations microstructurales
1.4.3.3 Déformations thermiques
1.4.3.4 Phénomène de plasticité de transformation
1.4.3.5 Comportement d’un matériau multiphasé
1.4.3.6 Déformations plastiques et viscoplastiques
1.4.3.7 Modèles viscoplastiques avec transformations structurales
1.4.3.8 Conclusion
1.5 Conclusions
2 Nouvelle modélisation du comportement du matériau multiphasé
2.1 Introduction
2.2 Méthode des deux potentiels
2.2.1 Cas des variables d’état indépendantes
2.2.2 Cas des variables d’état dépendantes
2.2.3 Conclusion
2.3 Modélisation du comportement du matériau multiphasé
2.3.1 Cas de l’élastoplasticité
2.3.1.1 Variables d’état et énergie libre
2.3.1.2 Liaisons internes et lagrangien
2.3.1.3 Lois d’état
2.3.1.4 Evolutions des variables dissipatives
2.3.1.5 Dissipation intrinsèque
2.3.2 Cas de l’élastoplasticité avec la prise en compte de la plasticité de transformation
2.3.2.1 Variables d’état et énergie libre
2.3.2.2 Liaisons internes et lagrangien
2.3.2.3 Lois d’état
2.3.2.4 Evolutions des variables dissipatives
2.3.2.5 Dissipation intrinsèque
2.3.3 Cas de l’élastoviscoplasticité
2.3.3.1 Variables d’état et énergie libre
2.3.3.2 Liaisons internes et lagrangien
2.3.3.3 Lois d’état
2.3.3.4 Lois d’évolution des variables internes
2.3.3.5 Dissipation intrinsèque
2.3.3.6 La prise compte de la plasticité de transformation
2.3.4 Modèle combiné de l’élastoplasticité et de l’élastoviscoplasticité
2.3.4.1 Variables d’état et énergie libre
2.3.4.2 Liaisons internes et lagrangien
2.3.4.3 Lois d’état
2.3.4.4 Lois d’évolution des variables internes
2.3.4.5 Dissipation intrinsèque
2.3.4.6 La prise compte de la plasticité de transformation
2.3.4.7 Remarques
2.3.5 Discussions
2.3.6 Identification des paramètres
2.4 Conclusion
3 Simulations numériques
3.1 Introduction
3.2 Description de l’essai
3.3 Implantation numérique
3.4 Propriétés thermomécaniques et métallurgiques du matériau
3.4.1 Caractéristiques thermiques
3.4.2 Caractéristiques métallurgiques
3.4.3 Caractéristiques mécaniques
3.5 Résultats des calculs numériques – Disque A
3.5.1 Résultats thermiques
3.5.2 Résultats métallurgiques
3.5.3 Résultats mécaniques
3.5.3.1 Cas de l’élastoplasticité
3.5.3.2 Cas de l’élastoviscoplasticité
3.5.3.3 Cas du modèle combiné
3.6 Résultats des calculs numériques – Disque B
3.6.1 Résultats thermiques
3.6.2 Résultats métallurgiques
3.6.3 Résultats mécaniques
3.7 Conclusions
Conclusions générales
Bibliographie
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