Modélisation de l'interaction entre un arc électrique et matériau : application au soudage TIG

par Jonathan Mougenot

Thèse de doctorat en Ingénierie des plasmas

Sous la direction de Jean-Jacques Gonzalez et de Pierre Freton.

Soutenue en 2013

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Les plasmas thermiques sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles. Dans le soudage à l'électrode réfractaire (ou soudage TIG), un arc électrique est établi dans un gaz inerte entre une électrode en tungstène et les pièces métalliques à souder. Le plasma thermique, créé par l'arc, transfère son énergie au métal entrainant la création d'une zone fondue et un dégagement de vapeurs métalliques. Ce travail porte sur la modélisation d'un arc électrique en interaction avec une pièce d'acier afin de prédire le comportement dynamique et l'état thermique de la zone fondue et du plasma. Dans cette optique, un modèle instationnaire et tridimensionnel couplant le plasma (à l'ETL), le métal (liquide et solide) et prenant en compte les vapeurs métalliques produites a été développé à partir du code de calcul numérique @Saturne. Distribué en licence GPL par EDF, le code est basé sur la méthode des volumes finis pour résoudre les équations magnéto-hydrodynamiques des fluides traversés par un courant électrique. Plusieurs modifications du code ont été nécessaires afin de prendre en compte l'interfaçage entre le plasma et le matériau ainsi que la résolution des phénomènes physiques dans la zone fondue. Le modèle a été appliqué pour des arcs d'argon et d'Arcal 37 (70%He-30%Ar) en interaction avec un acier inoxydable AISI304. Il permet de prédire les dimensions de la zone fondue, l'influence des forces sur la distribution des vitesses dans le métal (notamment l'importance de l'effet Marangoni), l'impact du changement de la nature du gaz plasmagène et l'effet des vapeurs métalliques. Ces résultats sont une première étape vers la compréhension et l'optimisation des différents paramètres opératoires intervenant sur le procédé de soudage TIG.

  • Titre traduit

    Model of the interaction between an electric arc and material : TIG welding application


  • Résumé

    Thermal plasmas are used in several industrial applications. In tungsten arc welding (or TIG), an electric arc is established in an inert gas between a non-fusible tungsten electrode and the metallic work piece. The thermal plasma created by the arc transfers its energy to the metal leading to the creation of a melted zone and metallic vapours production. This work concerns the modelling of an electric arc in interaction with a steel workpiece to predict the dynamic behaviour and the thermal state of the melted zone and of the plasma. In this way, a transient three-dimensional model coupling the plasma (at LTE), the metal (liquid and solid) and taking into account the presence of metallic vapours was developed from the code @Saturne. Distributed in GPL license by EDF, this code is based on the finite-volume method which is applied to solve the magneto-hydrodynamic equations of the fluids in the presence of electric current. Several modifications of the code were necessary to take into account the interface between the plasma and the material as well as the resolution of the physical phenomena in the melted zone. The model was applied to argon and Arcal 37 (70%He-30%Ar) arcs in interaction with stainless steel AISI304. It allows to predict the weld pool dimension, the influence of the strengths on velocity field in the metal (specially the Marangoni effect), the impact of the inert gas composition and the effect of the metallic vapours. These results are a first stage towards the understanding and the optimization of different TIG welding operating parameters.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (230 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 183-192. Annexes

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