Etude expérimentale du mouvement hydrodynamique d'un bain métallique et de sa production de vapeurs sur une configuration de soudage TIG

Experimental characterization of the weld pool flow and metallic vapors production in a TIG configuration

• Auteur / Autrice : Marine Stadler
• Direction : Jean-Jacques Gonzalez, Mathieu Masquère
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des plasmas
• Date : Soutenance le 18/03/2016
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arc électrique

Soudage à l'arc TIG

Mots clés libres

Arc électrique

Soudage TIG

Spectroscopie d'émission

Vapeurs métalliques

Imagerie rapide

Bain métallique

Métallographie

Zone fondue

Zone fondue

Emission spectroscopy

High-speed imaging

Metallography

TIG welding

Metallic vapors

Weld pool

Weld shape

Résumé

Le soudage à électrode réfractaire, plus souvent appelé TIG (Tungsten Inert Gas), est un procédé dans lequel un arc électrique est généré entre une électrode en tungstène et les pièces à souder sous un flux gazeux inerte. Le transfert d'énergie entre l'arc et l'anode donne naissance à un bain métallique et à la production de vapeurs. La qualité des soudures obtenues est directement liée au comportement du plasma et aux phénomènes physiques présents dans le bain métallique (effets Marangoni, force de traînée, gravité, forces de Laplace, conduction thermique...). L'objectif de ces travaux de thèse est de mettre en place des méthodes de diagnostic permettant une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans le transfert d'énergie lors de l'interaction arc-matériau sur une configuration de soudage TIG. Il s'agit également d'évaluer et d'analyser l'influence de certains paramètres opératoires impliqués dans le procédé (nature du gaz, intensité du courant, longueur de l'arc...) sur ces mécanismes. Plusieurs axes de recherche ont été dégagés : - l'étude de la colonne plasma pour estimer sa température selon les paramètres opératoires utilisés ; - l'étude de l'interface arc-liquide pour la compréhension des phénomènes de brassage et d'écoulement dans le liquide ainsi que l'influence des vapeurs métalliques issues de l'érosion du matériau sur le plasma ; - l'étude du matériau après son interaction avec l'arc pour faire le lien entre le brassage dans le bain durant le procédé et les caractéristiques de la zone fondue observée après solidification. L'équipe Arc Électrique et Procédés Plasmas Thermiques (AEPPT) du laboratoire LAPLACE s'intéresse à ces phénomènes d'interaction arc-matériau par le biais de la modélisation et de l'expérience. Un modèle 3D a été récemment développé au sein de notre équipe sur cette thématique. La caractérisation expérimentale du procédé devrait permettre également d'apporter des éléments de validation aux modèles déjà existants.

TIG (Tungsten Inert Gas) welding process is achieved by the creation of an electric arc between a tungsten cathode and a piece of metal. This process uses a shielding gas as argon, helium or mixtures at atmospheric pressure. The heat transfer between the arc and the work piece leads to a metallic weld pool and metallic vapours production. Weld quality is related to the plasma behavior and the molten zone motion (Marangoni force, Laplace force, drag force and gravity...).during the process. The aim of this work is to develop diagnostic methods leading to a better understanding of mechanisms involved in heat transfer in TIG welding. The aim is also to evaluate the influence of different experimental conditions (gaz nature, current intensity, arc length...) on theses mechanisms. Several lines of research were defined: - the study of the plasma temperature under different experimental conditions; - the study of the arc-liquid interface to understand the weld pool flow behavior and the impact of metallic vapor on the arc plasma ; - the study of the work piece after interaction to determine the dimension of the melted zone and link it to the flow behavior during the process. Arc-material interaction phenomena can be studied through modeling and experience. A 3D model has recently been designed in our team. The experimental characterization of the process developed in this work should provide a set of data to validate it.