Code_Aster
Titre :
Notice d’utilisation pour la simulation numérique [...]
Responsable :
Jean ANGLES
2 Généralités sur le soudage
Version default
Date :
10/08/2010
Page :
6/24
Clé :
U2.03.05
Révision :
4036
2.1
Qu’est- ce le soudage ?
Le soudage de deux pièces métalliques est l’obtention d’une continuité par fusion ou diffusion locale grâce à un apport de chaleur et éventuellement d’un apport de métal. Beaucoup de procédés de
soudage peuvent donc être décrits physiquement comme un bref passage à très haute
température, d’une petite quantité de métal, suivi d’un refroidissement libre ou forcé, le plus
souvent par conduction dans la masse des pièces soudées et dans les éléments du poste de travail.
Avec le temps, cette évolution de température détermine la structure métallurgique finale du joint soudé, parfois différente du métal de base.
2.2
Phénomène mis en jeu lors du soudage
D’un point de vue mécanique, les gradients thermiques très localisés mis en jeu lors du soudage de deux matériaux engendrent des dilatations et contractions locales ayant pour conséquence l’apparition de champs de déformations et de contraintes incompatibles, qui subsistent après retour à la température ambiante.
Pour certains matériaux, l’histoire thermique associée à l’opération de soudage engendre des changements de microstructures à l’état solide qui influencent l’état de contraintes résiduelles et de distorsions du joint soudé. Ces changements de microstructures interviennent lorsque la température atteint un seuil qu’on appelle température de début de transformation. Ces transformations s’arrêtent lorsque la température dépasse la température de fin de transformation.
On peut alors distinguer deux types de contrainte : les contraintes d’origine thermique engendrées durant toute la durée du processus de soudage et les contraintes d’origine métallurgique
(éventuellement) engendrées pendant la durée des transformations.
Par conséquent, une simulation numérique du soudage doit prendre en compte les phénomènes couplés entre eux, thermique, métallurgique éventuellement et enfin mécanique.
2.3
Revue des différentes interactions
2.3.1 Interaction Thermique - Métallurgique
•
Sens Thermique => Métallurgique : les propriétés thermo-physiques (conductivité, capacité calorifique, diffusivité…) dépendent des phases en présence.
•
Sens Métallurgique => Thermique : les transformations métallurgiques s’accompagnent d’effets de chaleur latente qui modifient les distributions de température.
2.3.2 Interaction Thermique - Mécanique
•
Sens Thermique => Mécanique : cette influence résulte, d’une part, des variations des caractéristiques mécaniques avec la température et, d’autre part, des dilatations et contractions d’origine thermique.
•
Sens Mécanique => Thermique : l’évolution de la déformation irréversible ainsi que des variables internes d’écrouissage conduit à une dissipation d’énergie sous forme de chaleur. Toutefois, cette
élévation de température d’origine mécanique est souvent négligeable en comparaison de celle provenant de l’apport de chaleur délivrée par le procédé de soudage, compte tenu des déformations et vitesses de déformation relativement faibles qui sont mises en jeu. Cette hypothèse n’est plus valide dans le cas de procédés mettant en jeu de fortes dissipations, par exemple, le soudage par friction.
Manuel d'utilisation
Document diffusé sous licence GNU FDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)
Fascicule u2.03 : Thermo-mécanique
Code_Aster
Titre :
Notice d’utilisation pour la simulation numérique [...]
Responsable :
Jean ANGLES
Version default
Date :
10/08/2010
Page :
7/24
Clé :
U2.03.05
Révision :
4036
2.3.3 Interaction Métallurgique - Mécanique
•
Sens Métallurgique => Mécanique : l’influence de l’histoire métallurgique sur l’histoire mécanique résulte principalement de quatre facteurs. Le premier réside dans les dilatations et contractions provoquées par les transformations métallurgiques. Le second facteur est le phénomène de plasticité de transformation. Le troisième est le phénomène de restauration de l’écrouissage. Enfin le dernier facteur correspond au comportement particulier lié à l’aspect multi-phasé du matériau.
•
Sens Mécanique => Métallurgique : l’application d’une contrainte modifie l’énergie stockée dans le matériau et la structure atomique du réseau. La présence d’une sollicitation mécanique peut donc jouer un rôle sur les transformations métallurgiques.
2.4
Qu’entend-on par zone fondue, ZAT, zone revenue ?
Lorsqu’on parle de soudage, l’ingénieur d’étude entendra souvent parlé de zone fondue, de ZAT et de zone revenue, qui correspond à trois zones distinctes dans un composant soudé. C’est pourquoi, nous donnons ci-dessous une définition très générale de ces zones.
•
La Zone Fondue (Z.F) : c’est la zone où la température est supérieure au solidus de
l’acier considéré ou du métal d’apport. La composition du métal fondu résulte de la chimie
du métal d’apport, de la chimie du métal de base et des interactions avec l’environnement.
Cette zone est séparée de la Zone Affectée Thermiquement (ZAT) par la ligne de fusion qui caractérise l’ensemble des points ayant atteint la température de solidus.
•
La Zone Affectée Thermiquement (ZAT) : de manière très générale, c’est la zone solide de
l’assemblage soudé où le comportement du matériau est fortement influencé par le
champ de température du au soudage. Le terme ZAT a une signification toute particulière
lorsque le matériau du métal de base ou du métal d’apport subit des transformations structurales : c’est la zone où la transformation a lieu. Cette Z.A.T se décompose elle-même en trois grandes parties : la zone où la transformation est complète, la zone où la transformation est partielle et enfin la zone revenue (Z.R) où la température maximale atteinte est légèrement inférieure à la température de début de transformation mais où le comportement du matériau est légèrement modifié par rapport à celui du métal de base.
•
La zone non affectée thermiquement : de manière très générale, c’est la zone solide de
l’assemblage soudé où le comportement du matériau est peu influencé par le champ de
température. Pour les matériaux subissant des transformations structurales, il s’agit de la
partie de l’assemblage soudé où la température maximale atteinte est bien inférieure à la température de début transformation et où l’opération de soudage n’engendre pas de modification des caractéristiques métallurgiques et mécaniques du métal de base.
2.5
Pourquoi est-il important de simuler le procédé de soudage ?
L’évolution des procédés de soudage appliqués aux aciers a permis d’atteindre aujourd’hui une bonne reproductibilité de l’opération et une bonne qualité des assemblages soudés. Les soudures
constituent tout de même les points faibles des structures. Les champs de déformations et de
contraintes induits par l’opération de soudage ont un rôle déterminant sur la qualité et la tenue mécanique du composant soudé ; les contraintes résiduelles induites par le soudage accentuant tous les risques d’endommagement par fatigue, par fluage, par corrosion et par rupture fragile…
C’est pourquoi il est important de se doter d’outils robustes et fiables pour simuler ce procédé.
Manuel d'utilisation
Document diffusé sous licence GNU FDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)
Fascicule u2.03 : Thermo-mécanique
