Développement d'un outil numérique de modélisation des déformations induites lors du brasage d'échangeur de chaleur de grandes dimensions

Development of a numerical model to estimate the deformation during brazing of large scale heat exchangers

• Auteur / Autrice : Daniel Bedoya vallejo
• Direction : Eric Fleury
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 23/11/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Elements finis

Brasage

Aluminium

Finite elements

Brazing

Aluminum

Résumé

L'objectif de ce travail est de déterminer, à une échelle mésoscopique, les efforts qui s'appliquent sur ces équipements lorsqu'ils sont soumis à un flux thermique et in fine de disposer d'un outil permettant d'appréhender, en termes de déformation, la qualité de ces assemblages, au regard de leur complexité. Les travaux menés dans le cadre de cette thèse visent aussi à mieux appréhender l'impact que peut avoir un transitoire dans le régime thermique fournis par les panneaux radiants lorsque leur pilotage est modifié par un changement d'affectation de thermocouple. Enjeux industriels Les outils développés dans le cadre de cette thèse doivent permettre, d'une part de diminuer le taux de rebut lié à la conduite des opérations de brasage et d'autre part d'améliorer l'efficacité énergétique et économique du procédé en réduisant les temps de séjour d'une matrice dans le four de brasage (durée de brasage d'un élément de l'ordre d'une quarantaine d'heure). Enjeux Scientifiques L'intérêt de ce travail portera sur une meilleure compréhension de l'effet des conditions de brasure en termes de champs de température sur les déformations. Une attention toute particulière sera apportée sur l'influence des variations locales des cycles thermo-mécaniques sur les possibles causes de défection des échangeurs thermiques à plaques et ondes brasées. Les cycles de brasage optimisés comportent une augmentation progressive de la température avec plusieurs paliers intermédiaires pour atteindre pendant une période courte une température maximale de l'ordre de 0,95Tfusion. Afin d'assurer la diffusion des éléments et l'obtention d'un brasage de bonnes qualités microstructurale et mécanique, ces cycles présentent ensuite une réduction de température de l'ordre de 0,8-0,9Tfusion pendant quelques heures. Les temps de maintien à haute température engendrent des déformations de type viscoplastique dans les éléments constituants les échangeurs thermiques, tels que les barres, plaques et ondes, ainsi que dans le matériau de brasage. Les échangeurs thermiques fabriqués par FIVES Cryo étant de grandes dimensions et leurs structures étant complexes et non régulières, les variations de température dans le temps ne sont pas strictement identiques en tout point et entrainent un chargement thermo-mécanique qui peut être responsable de distorsions géométriques. Dans le but de minimiser ces déformations, il est nécessaire de proposer une simulation numérique de ce procédé complexe reproduisant les champs de température imposés lors du brasage et tenant compte de la viscoplasticité des matériaux utilisés. Ce travail consistera alors à étudier le comportement viscoplastique de ces matériaux dans le domaine des hautes températures puis à construire un modèle par éléments finis reproduisant les conditions de chauffage en tenant compte des flux convectifs et radiatifs des fours de brasage multi-zones comme ceux utilisés par FIVES Cryo. Dans un premier temps, les résultats des simulations numériques en termes de champs de température seront comparés à ceux expérimentaux réalisés chez FIVES Cryo. Ensuite, dans un deuxième temps, ces résultats seront utilisés pour simuler les déformations et les distorsions macroscopiques engendrées. À partir de cette étude, les zones de concentrations de contraintes et de déformations pourront être détectées et des modifications de conception pourront alors être proposées.

The objective of this research work is to determine, at a mesoscopic scale, the stresses during the brazing process of heat exchangers and ultimately to have a tool allowing to apprehend, in terms of deformation, the quality of these assemblies, given their size and complexity. The work carried out within the framework of this thesis also aims to get a better understanding of the impact that a transient in the thermal regime provided by the radiant panels can have when their control is modified by a change in the thermocouple assignment. Industrial challenges The tools developed within the framework of this thesis must make it possible, on the one hand, to reduce the reject rate linked to the brazing process and, on the other hand, to improve the energy efficiencies and economic productivity of the process by minimizing the residence duration times of an exchanger in the brazing furnace (the current duration of brazing operation of an element is of the order of forty hours). Scientific challenges The interest of this work will relate to a better understanding of the effect of brazing processing conditions in terms of temperature fields on deformations. Particular attention will be paid to the influence of local variations in thermo-mechanical cycles on the possible causes of distortions and failure of sheets and/or fins composing brazed aluminium heat exchangers. Optimized brazing cycles include a gradual increase in the temperature with several intermediate stages to achieve during a short period a maximum temperature of the order of 0.95 × Tm (Tm = melting temperature). In order to ensure the diffusion of the constitutive elements and to obtain a brazing of good microstructural and mechanical qualities, these cycles include a temperature reduction down to approximately 0.8-0.9 × Tm for a few hours. The holding time at high temperature induces viscoplastic deformations in the heat exchanger components, such as bars, sheets and fins, as well as in the brazing material. The heat exchangers manufactured by FIVES Cryo being of large dimensions and their structures being complex and non-regular, the temperature variations over time are not strictly identical at any locations, which might lead to thermal-mechanical loading that can be responsible for geometric distortions. With the aim at minimizing these deformations, it is necessary to propose a numerical simulation of this complex process reproducing the temperature fields imposed during brazing and taking into account of the viscoplastic (creep) behaviour of the materials. This work will thus consist in studying the viscoplastic behaviour of these multi-component materials in the high-temperature domain and then in constructing a finite element model reproducing the thermal conditions, considering the convective and radiative fluxes of multi-zone brazing furnaces like those used by FIVES Cryo. Firstly, the results of the digital simulations in terms of temperature fields will be compared with those of the experiments carried out at FIVES Cryo. Secondly, these results will be used to simulate the deformations and the macroscopic distortions generated. From this study, areas of stress and strain concentrations can be detected and design modifications could then be proposed.