Analyse des phénomènes de transfert et couplages physico-chimiques lors de la transformation des métaux sous arc électrique

Phenomena of transfer and physical and chemical coupling analysis during the transformation of materials under electric arc

• Auteur / Autrice : Anne Berthier
• Direction : Pascal Paillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et technologies de l'information et des matériaux (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : École polytechnique de l'Université de Nantes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Soudage à l'arc TIG

Simulation par ordinateur

Soudage

Corrosion

Acier inoxydable

Arc électrique

Mots clés libres

A-tig

Constriction d'arc électrique

Convection Marangoni

Simulation

Température d'arc

Résumé

Cette étude vise à comprendre et à identifier les mécanismes physico-chimiques dans le bain fondu et au voisinage de l'électrode mis en jeu lors des procédés de soudage TIG et A-TIG. L'inversion des mouvements de convection Marangoni dans le bain a été mise en evidence par des expériences relativement simples à mettre en oeuvre. La constriction de l'arc électrique au passage du soudage TIG à A-TIG a été étudiée par imagerie rapide. La température électronique de l'arc a été quantifiée par spectroscopie optique d'émission pour déterminer l'influence des flux activants sur celle-ci. L'influence de la vitesse, de la hauteur d'arc et de l'énergie de soudage sur la forme des cordons de soudure a été démontrée. L'effet de la granulométrie et du mode d'application des flux activants sur les caractéristiques géométriques des cordons de soudure a été présenté. Un flux dont l'effet activant est similaire au flux commercial a été réalisé tout en abaissant sa toxicité de 30%. Un modèle 2D axisymétrique avec une source de chaleur fixe et basé sur la méthode des éléments finis a été développé pour simuler les mouvements des fluides dans le bain fondu. Parallèlement, une étude expérimentale a validé les résultats obtenus avec le modèle. La déformation des tôles après soudage a aussi été étudiée en fonction du procédé de soudage, de la vitesse d'avance et de l'épaisseur des tôles. L'effet des paramètres de soudage sur les propriétés mécaniques du matériau après soudage a été démontré. L'application à l'acier inoxydable austénitique Super Duplex a permis de montrer l'évolution des propriétés microstructurales, mécaniques et de la résistance à la corrosion lors des procédés TIG et A-TIG.

Our work is based on the comprehension and the identification of physical and chemical mechanisms in the molten zone and near the cathode during TIG and A-TIG welding processes. The inversion of convection movements in the melting zone was determined by simple measurements. The electrical arc constriction while passing from TIG to A-TIG was studied using a high speed camera. The optical emission spectroscopy enabled us to quantify the electrical arc temperature and to determine the influence of the activating flux on it. The influence of the welding speed, the arc length and the welding energy on the geometry of the weld bead was demonstrated. The effect of the grain size or the type of deposition of the activating flux on the characteristics of the weld bead is presented. A new flux with similar activating effect than commercial flux but with reduced the toxicity (~30%) was created. A 2D axial symmetric model with a stationary heat source was to simulate the flow behaviour in the melting pool. These results are compared to experiments to validate the results obtained with the numerical model. The deformation of rectangular plates after welding was studied as a function of welding process, the welding speed and the thickness of the plates. The effect of welding parameters on the mechanical properties after welding was demonstrated. The application of the austenitic stainless steel Super Duplex enabled us to show the evolution of the micro structural and mechanical properties and corrosion tests during TIG and A-TIG welding processes.