pc20 MODÉLISATION THERMIQUE DE SOUDURES ASYMÉTRIQUES PAR SOUDAGE LASER

5 ème Sémnare Natonal sur le Laser et ses Applcatons UKM Ouargla 16 et 17 Décembre 2009 pc20 MODÉLISATION THERMIQUE DE SOUDURES ASYMÉTRIQUES PAR SOUDAGE LASER Soumaya LEMKEDDEM et Feth KHELFAOUI Laboratore LENREZA, Département de Physque, Faculté des Scences, de Technologe et des Scences de la Matère, Unversté Kasd Merbah Ouargla, 30000 Ouargla, Algére E-mal : slemkeddem@gmal.com, feth.khelfaou@gmal.com RÉSUMÉ : Le soudage par laser est aujourd'hu une technque d'assemblage applquée dans l'ndustre. Cette technque permet de réalser des soudures étrotes et profondes, à des vtesses élevée et en générant de fables déformatons des pèces assemblées. Cec est dû à la très forte densté d'énerge apportée par le procédé. Des chercheurs ont réalsé des travaux montrant des comparasons entre des résultats expérmentaux et numérques dans le cas de soudage laser et dans la majorté des modèles numérques proposés les soudures sont consdérées symétrques. Nous avons remarqué qu aucune étude n a été publée, jusqu'à présent et à notre connassance, sur le soudage par fasceau laser d un allage de magnésum et d un autre à base d alumnum. Dans ce traval on va exposer le prncpe du procédé de soudage, les sources laser utlsées pour l'assemblage des métaux et auss les paramètres du soudage laser et leurs nfluences sur la qualté des soudures obtenues. Une étude hstorque bblographque est nécessare pour connaître les dfférents allages étudés et la modélsaton utlsée par les chercheurs. Dans notre traval, on s ntéresse à une modélsaton du soudage par fasceau laser dans le cas de soudures asymétrques tout en essayant de suvre l évoluton de la température en foncton du temps. MOTS-CLÉS : soudage laser, allage, paramètre de soudage, modélsaton 1. Introducton Depus la fn des années 80, l usage du soudage laser est passé du stade du développement en laboratore de recherche à l étape de mse en oeuvre sur les stes de producton ndustrels. Le soudage par fasceau laser offre de fables déformatons, d excellentes proprétés mécanques assocées à la qualté d aspect et aux fables dmensons des cordons de soudure. La modélsaton numérque est un outl de prédcton du comportement des matéraux, pour l optmsaton des procédés laser. 2. Descrpton d'une opératon de soudage par laser 2. 1. Défnton Le laser est une source de rayonnement lumneux, monochromatque et spatalement cohérent. Dans les machnes de soudage, le rayonnement est focalsé pour obtenr de grandes denstés de pussance, suffsantes pour le soudage ndustrel des allages. Cette pussance permet de générer un capllare rempl de vapeurs métallques dont les paros sont tapssées de métal lqude en fuson. Le ban de fuson ans créé est déplacé et le métal lqude se soldfe après le passage du fasceau assurant la contnuté métallurgque entre les pèces (fgure1). Le capllare a un rôle très mportant en soudage laser car l permet un transfert de l énerge drectement au coeur du matérau. L nteracton du fasceau laser avec les vapeurs métallques condut à une onsaton partelle qu forme un plasma composé de vapeurs onsées à l ntéreur du keyhole et en du ban de fuson. Le plasma de consttue une seconde source de chaleur, elle est responsable de la morphologe de la parte supéreure du cordon. Ce plasma joue un rôle bénéfque pour l'échauffement du métal, mas peut absorber une part mportante de l'énerge du fasceau laser [1]. Un flux de gaz nerte (Ar ou He) soufflé 349

MODÉLISATION THERMIQUE DE SOUDURES ASYMÉTRIQUES PAR SOUDAGE LASER LEMKEDDEM S. et al Poster C20 à l'endrot de l'mpact du laser permet de maîtrser ce plasma et protéger le métal de l'oxydaton. Fgure 1 : Prncpe de soudage par fasceau laser [2] 2. 2. Avantages Actuellement, les procèdes à l'arc TIG à courant alternatf et MIG sont les procèdes les plus utlsés pour le soudage et la réparaton des pèces métallque [3]. Mas les lmtes de ces procèdes, comme la fable vtesse de soudage, la large zone affectée thermquement obtenue et les mportantes contrantes résduelles et déformaton ndutes dans les pèces soudées, ont poussé les chercheurs à développer de nouveaux procèdes. Le soudage laser et parm les procèdes qu sont en cours de développement surtout dans l'étude des allages légères. On résume les avantages du soudage par laser dans les ponts suvants: - Densté de pussance entre 10 10 et 10 13 W/m² contre 5x10 6 à 5x10 8 W/m² pour les procédés de soudage à l arc [4] - Vtesse de soudage élevée 1,3m/mn contre envron 25 cm/mn pour les procédés de soudage à l'arc [3, 5] - Fable déformaton des pèces après soudage - Zone affectée thermquement fable - Pas ou peu de correcton sur les cordons soudées - Assemblage possble sans métal d apport 2.3. Types de soudage laser Il exste deux types de lasers ndustrels pour le soudage des métaux les lasers CO 2 et les lasers YAG. 2. 3. 1. Les lasers CO 2 Le mleu actf est un mélange gazeux consttué de doxyde de carbone CO 2 (10%), d azote N 2 (40%)et d hélum He (50%) sous presson rédute. Des décharges électrques exctent les molécules d azote, qu transfèrent leur exctaton aux molécules de CO 2. Ces derners émettent un rayonnement d une longueur d onde de 10,6 μm qu est transportable seulement par mrors. La pussance des lasers CO 2 ndustrels attent 1,5 à 40 kw. En général ce procédé est utlsé en régme de fonctonnement contnu malgré la possblté de pulser le fasceau. La focalsaton du fasceau peut être réalsée par des mrors ou des lentlles de 350

5 ème Sémnare Natonal sur le Laser et ses Applcatons UKM Ouargla 16 et 17 Décembre 2009 focalsaton. Pour des denstés d énerge fable (30 J/mm 2 ) ces lasers sont utlsées pour des soudures profondes [6]. 2. 3. 2. Les lasers Nd-YAG (Néodyme Yttrum Garnet) Ils sont des lasers soldes dont le mleu actf, de nature crstallne, est un grenat d alumnum yttrum (Y 3 Al 5 O 12 ) dopé à 10 20 ons trvalent néodyme (Nd 3+ ). Le rayonnement a une longueur d onde de 1,06 µm. Les pussances maxmales dsponbles sont de 3 à 4 kw. Malgré leur fable pussance, ls sont par excellence l outl de mcrosoudure de précson. Il est possble de transporter le fasceau Nd-YAG par fbre optque sur pluseurs dzanes de mètres, donc de souder suvant des trajectores complexes à l ade de robots de soudage. 3. Soudage laser des allages d'alumnum Les allages d alumnum peuvent être soudés au laser sans dffculté partculère, à des vtesses de soudage pouvant attendre pluseurs mètres par mnute. Ils ont un taux d absorpton de la lumère relatvement fable dans l nfrarouge lontan : 3 % avec le laser CO 2 et 25 % avec le laser Nd : YAG. Cependant, ce coeffcent d absorpton augmente brusquement au delà de la température de fuson, et attent envron 90 % lorsque la température de vaporsaton du matérau est attente [7]. Quelques allages contenant du magnésum ont un seul d nteracton plus bas que les autres allages, ce qu permet de les souder avec une énerge mondre. Il est nutle d utlser une densté de pussance trop élevée, parce que les vapeurs métallques forment un plasma qu fat écran. Cela est surtout vra avec les lasers CO2. Pour évter une oxydaton mmédate du ban de soudure, l est nécessare d utlser un gaz de protecton. Avec les lasers CO2, les melleurs résultats sont obtenus avec des mélanges argon-hélum ou avec de l hélum pur. Avec les lasers Nd : YAG, on peut également utlser l argon. 4. Soudage laser des allages de magnésum Les caractérstques spécfques ntéressantes de ces allages sont les suvantes: Fable masse volumque comparée à celles des acers et aux allages d alumnum. Leur utlsaton permet la réducton du pods des pèces mécanques Conductvté thermque élevée par unté de volume qu permet des échanges thermques facles Bonne soudablté pour la plupart des allages Par contre les allages de magnésum présentent quelques nconvénents qu ont lmté leurs utlsatons et qu consstent en : leur fable module d élastcté en comparason avec ceux des acers et des allages d alumnum [1] leurs résstances au fluage et à la fatgue à haute température leurs fables proprétés en (fable dureté) d où la nécessté d un tratement de Le chox des procédés de soudage pour l assemblage de pèces en allages de magnésum, est prncpalement condtonné par les proprétés physques et chmques de ces derners. Pluseurs études expérmentales ont montré que le soudage des allages de magnésum par le laser Nd-YAG est plus effcace que celu par le laser CO2 [8]. 351

MODÉLISATION THERMIQUE DE SOUDURES ASYMÉTRIQUES PAR SOUDAGE LASER LEMKEDDEM S. et al Poster C20 5. Modélsaton du soudage 5. 1. Étude bblographque Etuder les dfférentes modélsatons et méthodes de résoluton utlsées pour l étude numérque des procédés de soudage est ndspensable. Il y a beaucoup de chercheurs qu ont traté la smulaton ou la modélsaton de la soudure laser on cte comme exemple: En 2009, A. Belhadj (2) a proposé un modèle numérque qu permet de suvre l hstore thermque et mécanque au cours du soudage par fasceau laser d un allage de magnésum. La méthode utlsée est celle des éléments fns, ben adaptée pour la résoluton numérque du problème C. Ferdnand (4), en 2005, a essayé de caractérser des assemblages soudés par procédé laser de tôles d'allages de ttane réfractare. L objectf de la démarche état d évaluer les effets des paramètres de soudage laser CO2 sur la morphologe, la mcrostructure et les proprétés mécanques de cet allage tout en recherchant les assemblages optmaux. H. K et al [9], en 2002, ont développé un modèle qu permet de prédre, localement, l évoluton de la forme du keyhole et du ban de fuson au cours de l nteracton lasermatère en foncton des paramètres du procédé. Ben que les travaux sur la modélsaton ou la smulaton numérque des procédés de soudage laser soent très abondants, mas très peut qu sont ntéressé à la soudure hétérogène par laser. En 2007, T. Pars et al (10) ont essayé de caractérser le comportement du jont soudé Ta/TAl6V4 et d'analyser l nfluence des hétérogénétés sur la déformaton locale du jont soudé. Le modèle utlsé a été développé par K. Saanoun [11] et décrt un comportement élastovscoplastque Dans la thèse de D. Favez (12), soutenu en 2009 l'objectf prncpal état l étude du soudage laser entre de l or et de l acer noxydable. Une smulaton du champ de température lors de la soldfcaton a été réalsée. une étude métallurgque et mécanque de l assemblage hétérogène acer/alumnum par les procédés laser a été fate par G. Serra (13) dans le cadre de son doctorat en 2006. Le modèle numérque développé dans ce traval permet d établr un passage drect des paramètres expérmentaux de soudage à la morphologe (épasseur et largeur) de la couche de réacton développée lors de l nteracton acer solde - alumnum lqude. La modélsaton thermque est réalsée en utlsant les dmensons réelles de l assemblage et un modèle trdmensonnel. Dans notre étude, nous envsageons de trouver l évoluton de la température à chaque poston en foncton du temps dans le cas des soudures asymétrques (allage de magnésum et d un autre à base d alumnum). 5. 2. Phénomènes physques mplqués Pluseurs phénomènes physques ntervennent de manère couplée dans le soudage. Ils peuvent être d orgne thermque (conducton, convecton), métallurgque (soldfcaton transformaton de phase, fuson du matérau), mécanque des fludes (quantté de mouvement) et mécanque (déformatons et contrantes). Généralement les changements de phase solde - lqude, solde solde modfent profondément les proprétés des matéraux, mas ls peuvent être néglgés dans notre cas [2]. Dans le cas de soudage laser, le plasma émet des rayonnements qu peuvent être étudés afn de caractérser les proprétés du mleu. Nous avons réalsé ce traval pour les torches à plasmas pour la sdérurge [14]. 352

5 ème Sémnare Natonal sur le Laser et ses Applcatons UKM Ouargla 16 et 17 Décembre 2009 5. 3. Modélsaton de la source de chaleur Des travaux publés sur le soudage laser montre que le capllare a un damètre de l'ordre de grandeur de la tâche focale du laser [1, 15]. Le capllare est drectement nfluencé par le fasceau ncdent : l est supposé être de forme cylndrque de damètre D et rempl de gaz résultant de l émsson des vapeurs métallques. La zone lqude content du métal en fuson, elle est supposée être de forme cylndrque de damètre d. Elle dépend de la vtesse du soudage, du damètre du capllare, et des proprétés physques du matérau et de la pussance du fasceau laser ncdent. La parte solde consttue tout le reste de la plaque à souder et elle est soumse à une source moble de chaleur, de damètre D et de température égale à la température de fuson du métal. 5. 4. Modélsaton thermque La modélsaton est llustrée sur la fgure 2. On a néglgé les phénomènes suvants: - la chaleur latente de changement d états physques (solde - lqude) - le changement de phase (solde solde) Chaque pèce possède ses propres grandeurs de conductvté thermque, de masse volumque et de chaleur massque qu dépendent de la température. Chaque pèce possède alors sa propre dffuson de chaleur et sa propre dstrbuton de température. - Une source de chaleur volumque moble Q qu se déplace à une vtesse V (avec une répartton unforme de la pussance dans le keyhole). - Le plasma absorbe une parte de l énerge du fasceau laser - Une source d'énerge surfacque q au nveau du plasma. - Un transfert d énerge par convecton sur la extéreur de la pèce. - Des pertes d énerge par rayonnement au nveau de la éclarée par le fasceau laser. - Un flux d énerge q' sur la de contact entre les deux pèces. Fgure 2 : La modélsaton du blan énergétque au cours du soudage laser 353

MODÉLISATION THERMIQUE DE SOUDURES ASYMÉTRIQUES PAR SOUDAGE LASER LEMKEDDEM S. et al Poster C20 5. 5. Équatons de chaleur Au cours du soudage (passage du fasceau laser) l équaton de chaleur est donné par : ρ ( T ) C ( T ) T ( x t dv ( λ ( T ) gradt ( x ) Q = 0 (1) La résoluton est applquée pour chaque poston de la source de chaleur et permet de donner la valeur de la température en tout pont de la pèce et à chaque nstant du tratement. La condton ntale est la température des pèces avant le soudage. T(t=0)=T ambante à chaque poston Les condtons aux lmtes dans notre cas sont de type densté surfacque de flux de chaleur qu dépend en général de la température et du temps. - Pertes de chaleur par convecton naturelle à l ar au nveau de la extéreure de la pèce: λ ( T )( gradt ( x ) + h( T ( xx T ) = 0 (2) - Perte d'énerge par rayonnement sur la plasma: 4 4 λ ( T )( gradt ( x ) + εσ ( T ( x T ) = q (3) - Flux d énerge q'=0 sur la de contact entre les deux pèces: λ ( T ) gradt( x = 0 (4) Pendant le refrodssement l n y a pas de source volumque de chaleur (Q=0) alors l équaton de chaleur sera: ρ ( T ) C ( T ) T ( x t dv ( λ ( T ) gradt ( x ) = 0 La condton ntale est la température des pèces après le soudage. T(t=t R )=T fn S à chaque poston Les condtons aux lmtes dans ce cas sont: - Pertes de chaleur par convecton naturelle à l ar au nveau de la extéreure de la pèce: λ ( T )( gradt ( x ) + h( T ( x T ) = 0 (6) - Flux d énerge q' sur la de contact entre les deux pèces: ' λ ( T ) gradt ( x = q (7) Nomenclature C Chaleur massque h Coeffcent de convecton q Source de chaleur surfacque du plasma q ' Source de chaleur surfacque entre les deux pèces Q Source de chaleur volumque T Température T Température du flude t temps t R début du refrodssement T fn S température fn de soudage (5) 354

5 ème Sémnare Natonal sur le Laser et ses Applcatons UKM Ouargla 16 et 17 Décembre 2009 x ρ λ σ ε Coordonnées cartésennes Masse volumque Conductvté thermque Constante de Boltzmann Emssvté Nous sommes actuellement en tran d essayer de résoudre numérquement le problème et nous estmons comparer les résultats numérques avec d autres expérmentales ou d'autres travaux pour vérfer l'effcacté du modèle. Références [1] D. Dangose, D. Hennequn et V. Zehnlé, "Les laser"; Dunod, Pars (2004) [2] A. Belhadj; thèse de doctorat: " Contrbuton é l'étude expérmentale et numérque du soudage laser: applcaton aux allages de magnésum"; École Natonale d Ingéneurs de Tuns et l École Natonale Supéreure d'arts et Méters France (2009) [3] S. Lemkeddem, Mémore de magster: "Contrbuton à l'étude du rayonnement éms par le Plasma lors de l nteracton des torches à plasma avec les métaux" ; Unversté de Ouargla, Algére (2008) [4] C. Ferdnand; thèse de doctorat: "Mse en œuvre et caractérsaton d'assemblage soudés par procédés TIG et LASER de tôles d'allages de ttane réfractares"; Insttut Natonal Polytechnque de Toulouse (2005) [5] www.bl-bs.be/fr [6] www.ndustral-lasers.com/artcles [7] www.alcan-marne.com/internet/tm/marne.../chap06.pdf [8] H. Haferkamp, F. von Alvensleben, I. Burmester et M. Nemeyer, "The characterstcs of laser beam welded magnesum alloys", Proceedngs of the Laser Materals Processng Conference ICALEO, Part 2,, pp. 140-149 (1997) [9] H. K, P.S.Mohanty et J. Mazumder, "smulaton of keyhole evoluton, velocty, temperature profle, and expermental verfcaton", Metallurgcal and Materals Transactons A, 33, 1831-1842 (2002) [10] Thomas Pars, Khémaïs Saanoun, Manuel Francos et Damen Delaplanche; "Caractérsatons expérmentales et dentfcaton d un jont soudé hétérogène : applcaton aux lasons Ta/TAl6V4"; 18 ème Congrès Franças de Mécanque Grenoble (2007) [11] K. Saanoun, et J. L. Chaboche;" Computatonal damage mechancs. Applcaton to metal formng, Numercal and Computatonal methods", Elsever Oxford, vol. 3, n. 7 pp. 321-376(2003) [12] D. Favez; thèse doctorat "Soudage laser or-acer: métallurge et procédé"; École Polytechnque Fédérale de Lausanne (2009) [13] G. Serra; Thèse de doctorat "Etude métallurgque et mécanque de l assemblage hétérogène acer/alumnum par les procédés laser et TIG"; Unversté Montpeller II (2006) [14] S. Lemkeddem et f. Khelfaou ; "Spectre de raes d émsson d une torche à plasma en utlsant la technque de l nverson d Abel" ; Annales de la Faculté des Scences et Scences de l'ingéneur Ouargla Algére, Vol. 1 N 3 (2009) [15] F.Brand, K. Chouf, P.Lefebvre et O.Matle; "Soudage hybrde arc/laser"; soudage et technques connexes ISSN, vol. 56, n o 9-10, pp. 9-13 (2002) 355