Mod Le Coupl Cathode Plasma Pi Ce En Vue De La Simulation Du Proc D De Soudage L Arc Tig
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Modèle couplé cathode-plasma-pièce en vue de la simulation du procédé de soudage à l'arc TIG
Au cours de ce travail, une modélisation 2D axisymétrique du procédé de soudage à l'arc TIG a été développée dans l'objectif de prédire, en fonction des paramètres opératoires, les grandeurs utiles au concepteur d'assemblages soudés, telles que l'énergie transmise à la pièce, la géométrie du bain de soudage,... Le modèle développé, à l'aide du code élèments finis Cast3M, traite les phènomènes physiques agissant dans chacune des parties du procédé : la cathode, le plasma d'arc, la pièce dont le bain de soudage, et les interfaces entre ces domaines. Pour cela, les équations de la thermohydraulique sont couplées à celles de l'électromagnétisme qui sont résolues, enpartie, grâce à la méthode des éléments finis moindres carrés. Les prémices de la validation ont consisté à comparer les résultats numériques obtenus avec ceux de la littérature. Aussi, cette étape met en avant l'action des differentes forces dans le bain et la contribution de chacun des flux énergétiques sur le bilan d'énergie. Enfin, pour valider le pouvoir prédictif du modèle, des analyses de sensibilité expérimentale et numérique ont été menées selon un plan d'expériences. Les effets de l'intensité, de la hauteur d'arc, et de l'angle d'affutage de l'électrode sur la géométrie du bain de soudage, l'énergie transmise à la piàce, et le rendement de l'arc ont été étudiés. Les bonnes tendances obtenues pour ces réponses démontrent que le modèle développé reproduit relativement bien la physique du procédé.
Modélisation multi-physique de l'arc de soudage et du dépôt du cordon de soudure lors d'une opération de soudage
Cette thèse est consacrée au développement d'outils de simulation numérique permettant d'appréhender les phénomènes multi-physiques complexes (thermique, mécanique des solides, mécanique des fluides et sciences des matériaux) mis en jeu lors d'opérations de soudage TIG (Tungsten Inert Gas) de tôles minces de type 316L utilisées dans l'industrie agroalimentaire. La fusion locale des éléments à assembler par soudage présente en effet l'inconvénient d'induire des déformations locales importantes qui compliquent le montage des pièces. Un autre désavantage est l'apparition de contraintes résiduelles qui impactent la durabilité de la structure soudée. Afin de prédire ces déformations et contraintes pendant la phase de conception, en vue par exemple de les minimiser en jouant sur des paramètres tels que la vitesse d'exécution et l'intensité du courant de soudage, des outils numériques prédictifs ont été développés dans le cadre de ce travail.Un modèle éléments finis 3D de couplage entre la thermique et la mécanique, dans les domaines transitoire et nonlinéaire,a notamment été programmé en langage APDL (Ansys Parametric Design Language) à l'aide du logiciel multi-physique ANSYS. La source mobile de chaleur par soudage a été représentée par un profil Gaussien dont les paramètres ont été calibrés de manière à optimiser la forme géométrique du cordon. Pour ce faire, la surface de réponse d'un plan d'expérience factoriel a été utilisée. Les résultats numériques obtenus sont tout à fait satisfaisants puisque les paramètres de la source de chaleur gaussienne identifiés à l'aide du plan d'expérience factoriel permettent une reproduction fidèle de la géométrie du cordon. La comparaison entre les valeurs expérimentales et calculées de la déviation montre par ailleurs une bonne cohérence avec un écart relatif inférieur à 5%. Afin d'étudier la tension et la conductibilité électrique lors de l'amorçage et du maintien de l'arc de soudure, un modèle axisymétrique bidimensionnel de l'arc électrique a été réalisé en utilisant le logiciel FLUENT. La géométrie réelle des composantes de la torche telles que le diffuseur de gaz, la buse et l'électrode a été prise en compte. Lemodèle intègre un couplage fluide-structure dans lequel les équations électromagnétiques et thermiques sont résolues dans la cathode solide. Les équations supplémentaires régissant l'écoulement sont considérées dans le domaine gazeux où l'arc est généré. Pour le maintien de l'arc, ces équations, qui ont été programmées en langage C++, permettent de s'affranchir de la conductibilité artificielle souvent utilisée dans la littérature. Le modèle permet d'obtenir les champs de température du plasma, les chutes de tension à l'anode et à la cathode de l'appareil de soudage, la tension dans l'arc ainsi que le rendement de l'apport d'énergie. Les résultats numériques indiquent que la température et la vitesse d'écoulement du plasma augmentent avecl'intensité du courant et avec la distance inter électrode. Il en va de même pour le potentiel électrique mais avec une influence plus forte de la distance inter électrode. Enfin, le débit de gaz ne joue aucun rôle sur la température et sur le potentiel électrique. Il influe par contre sur la vitesse d'écoulement du plasma. Plus le débit est élevé, plus la vitesse d'écoulement du plasma est faible.
Étude numérique et expérimentale des transferts thermiques dans un plasma d’arc
Le soudage à l’arc électrique est employé pour de nombreuses applications industrielles, en particulier, le soudage TIG. Du fait de l’excellente qualité des soudures produites, le soudage TIG est utilisé pour la majorité des interventions (réparations, joints d’étanchéité) sur le parc nucléaire français. Ce travail de thèse s’inscrit dans un projet mené par EDF R&D visant à simuler ce procédé et à construire un outil capable de prédire la qualité des soudures. L’objectif de cette étude est de développer un modèle de prédiction du flux thermique échangé à l’interface arc - pièce à souder, responsable de la fusion du matériau. Cela passe par la modélisation du plasma d’arc à l’aide du module électrique du logiciel de mécanique des fluides Code_Saturne R développé par EDF R&D. Deux types d’essais expérimentaux sont conjointement menés pour valider ce modèle numérique : d’abord sur des mesures de température et de densité du plasma par spectroscopie d’émission puis sur l’évaluation des transferts thermiques en surface de la pièce à souder. Ce travail vise également à montrer que le plasma, souvent pris en compte par l’intermédiaire d’une source thermique équivalente dans les modèles de simulation numérique du soudage (s’attachant davantage à l’étude de la morphologie des cordons de soudure et aux contraintes mécaniques induites par le procédé), se doit d’être pris en compte pour s’affranchir des essais de recalage inhérents à cette méthode.