I.7 MODELISATION NUMERIQUE DU PROCEDE DE SOUDAGE DES
PIPELINES
I.7.1 Introduction
La simulation numérique des procédés de
soudage apparaît bien souvent comme un moyen d'accès
privilégié aux grandeurs qui les caractérisent. Ainsi, la
simulation numérique du soudage est du plus grand intérêt
lorsqu'il s'agit d'étudier la tenue mécanique d'un joint
soudé ou de vérifier la faisabilité d'une séquence
de soudage. La simulation de tels procédés nécessite la
modélisation des interactions complexes entre des
phénomènes thermiques, métallurgiques et mécaniques
et la mise en oeuvre de méthodes numériques particulières.
Sous l'impulsion de l'industrie nucléaire au cours des années
1980 et 1990, un grand nombre de recherches destinées à
prévoir les contraintes résiduelles dans les soudures de
composants mécaniques ont été conduites. Les
méthodes et modèles développés ont alors
constitué les fondations de logiciels de simulation numérique
aujourd'hui utilisés par un grand nombre de sociétés
industrielles des secteurs aéronautique, automobile ou encore de la
métallurgie [15].
I.7.2 Intérêt de la simulation du soudage
Les procédés de soudage conduisent à des
modifications de microstructure et à des contraintes et distorsions
résiduelles qui jouent un rôle important sur la tenue
mécanique des assemblages ou encore la faisabilité d'un
procédé. Ces contraintes et distorsions proviennent
principalement des gradients de température et des éventuelles
transformations de phase susceptibles de se produire au cours du
procédé.
Les apports de la modélisation du soudage se situent au
niveau:
? des études de faisabilité d'un
procédé visant à identifier d'éventuels
défauts
d'alignement des structures ou à optimiser la
séquence de soudage;
? de l'évaluation de la tenue mécanique des
assemblages soudés.
La faisabilité d'un procédé se juge en
termes de distorsions résiduelles. Leur évaluation
nécessite des simulations portant sur la structure dans sa
totalité et comportant l'ensemble des joints soudés. L'objectif
peut être ici de prédire les éventuels défauts
d'alignement en vue de dimensionner les conditions de bridage ou encore de
déterminer une séquence de soudage optimale comme étant
celle conduisant à minimiser le coût des outillages de bridage.
L'évaluation de la tenue mécanique repose
principalement sur la connaissance de la microstructure et des contraintes
résiduelles [15].
Chapitre I Recherches bibliographique.
26
I.7.3 Phénomènes physiques impliqués
et leurs modélisations
I.7.3.1 Modélisation thermique
La modélisation véritablement complète du
problème thermique nécessiterait la modélisation des
transferts de chaleurs thermofluides dans l'arc électrique, avec prise
en compte des phénomènes électromagnétiques, la
modélisation des mouvements convectifs dans le bain fondu, en
interaction avec le plasma de couverture, et les transferts de chaleur dans la
partie solide. Bien qu'une littérature abondante existe en ce qui
concerne la prise en compte de la modélisation de l'arc et du bain de
fusion dans la simulation, nous nous placerons par la suite dans une optique de
modélisation avec des codes de calculs industriels, qui ne permettent
pas de modéliser les phénomènes présents dans l'arc
et le bain fondu. Ceux-ci sont remplaces par la définition d'une source
de chaleur de forme adéquate, avec éventuellement une
modification des propriétés thermophysiques en fonction de la
température. Seule la conduction de la chaleur est par conséquent
modélisée [16].
Les transferts de chaleur au cours d'un procédé
de soudage sont très rapides au chauffage comme au refroidissement. Les
températures atteignent des valeurs bien supérieures à la
température de fusion du matériau. Dans ce cas, les effets de
chaleur latente apparaissent lors de la transformation liquide-solide. D'autre
part, les cinétiques thermiques vécues par le matériau au
voisinage de source de chaleur peuvent entraîner des modifications
microstructurales s'accompagnant d'effets de chaleur latente plus au moins
importants[17].
Les transferts de chaleur dans un milieu solide occupant un
domaine Ù sont gouvernés par les équations suivantes
[15] :
div (X. grad T) ? Qi ? ? c dT/dt
(1)
avec :
X conductivité thermique
Qi source interne
ñ densité du solide
C chaleur spécifique
Chapitre I Recherches bibliographique.
qi densité surfacique de flux de chaleur qui peut
dépendre de la température et du temps pour représenter
des phénomènes de convection ou de rayonnement en surface,
Cette équation (1) s'accompagne d'une condition
initiale, et de conditions limites. Ces dernières sont de type
température imposée, ou bien flux normal impose, ou encore
échanges par rayonnement et convection avec l'air extérieur,
selon la formule :
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n étant la normale extérieure, d
étant un éventuel flux surfacique fonction de l'espace (r) et du
temps. h est le coefficient d'échange convectif, ? la constante
de Stefan-Boltzman, et ? l'émissivité du
matériau.
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