Analyse expérimentale et simulation thermomécanique du soudage bout a bout de tubes de polyéthylène

Experimental analysis and thermomecanical simulation of the butt fusion welding of polyethylene pipes

• Auteur / Autrice : Olivier Hehn
• Direction : Michel Vincent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermoplastiques

Mécanique analytique

Mots clés libres

Simulation numérique

Cinétique de transformation

Résumé

Ce travail porte sur la compréhension et la simulation numérique des phénomènes thermomécaniques régissant la formation des soudures au cours du procédé de soudage bout à bout de tubes de polyéthylène. Ce procédé consiste à faire fondre les extrémités des tubes et à les plaquer l’un contre l’autre avec une certaine pression pour former la soudure par refroidissement de la matière. Le soudage bout à bout, qui paraît simple a priori, fait intervenir un certain nombre de phénomènes interagissant entre eux. Ainsi, il existe de forts couplages entre la mécanique, la thermique et les changements de phase. Ce manuscrit est composé de trois parties principales. Premièrement, une analyse complète du procédé a été réalisée. Ainsi, les phénomènes thermiques se produisant au cours du procédé, principaux moteurs du soudage, et les déplacements de matière, responsables de la formation du cordon de soudure, ont été étudiés. Ceci a mis en évidence l’importance de la dilatation thermique, notamment lors du chauffage de la matière, mais aussi une cinétique de formation du bourrelet et une thermique complexes (formation d’un plan vertical dans le bourrelet lors du chauffage, importance du rayonnement et de la convection lors du chauffage des tubes ; …). Dans une deuxième partie, nous avons caractérisé la matière dans le but d’obtenir une simulation numérique du procédé la plus réaliste possible. Les lois de fusion et de crisallisation du polyéthylène ont été déterminées à partir des lois d’Avrami et d’Ozawa. Les comportements du polyéthylène à l’état liquide, solide et au cours de la transition ont également été déterminés. De plus, des mesures d’enthalpie de changement de phase et de dilatation thermique ont été faites. Finalement, l’ensemble des étapes du procédé a été simulé à l’aide du logiciel Forge2, bien adapté à la résolution des problèmes thermiques et mécaniques responsables de la formation des soudures. Les lois et les paramètres obtenus expérimentalement ont été intégrés au logiciel. Les résultats obtenus sont très satisfaisants, tant au niveau de la thermique que du déplacement de matière et de la forme des bourrelets. Nous avons à présent une meilleure compréhension du soudage bout à bout ainsi qu’un premier outil opérationnel pour simuler le procédé.

This work concerns the comprehension and the digital simulation of the thermomechanical phenomena governing the development of the welds during the process of butt fusion welding of polyethylene tubes. This process consists in melting the ends of the tubes and pressing them together to form the weld after the matter is cooled. Butt fusion welding, which seems to be simple a priori, brings in some phenomena interacting ones with the others. Thus, there are strong couplings between thermics, mechanics and phase changes. This manuscript is composed of three principal parts. Firstly, a complete analysis of the process was carried out. Thus, thermal phenomena occurring during the process, which are the main origins of welding, and displacements of matter, which are responsible for the formation of the weld bead, were studied. The importance of thermal dilatation, in particular during the heating of the matter, but also complicated kinetics of bead formation and thermal phenomena are highlighted (formation of a vertical plane in the bead during heating, importance of the radiation and the convection during tubes heating ; …). In a second part, we characterized the matter with an aim of obtaining a digital simulation of the process that is as realistic as possible. The fusion and crystallization laws of polyethylene were given using the Avrami and Ozawa laws. The behaviour of polyethylene in a liquid state, solid state and during the transition were also given. Moreover, measurements of thermal dilatation enthalpy and phase changes were made. Finally, all the stages of the process were simulated using Forge2 software, which is well adapted to the resolution of thermal and mechanical problems responsible for the welds formation. The laws and the parameters obtained in experiments were integrated into the software. The results obtained are very satisfactory, as well from the point of view of thermics as of the matter displacement and the shape of the beads. We have now a better comprehension of butt fusion welding and a first operational tool to simulate the process.