Le développement des structures de grains se formant durant les procédés de soudage par fusion a un large impact sur les propriétés et la résistance mécaniques des assemblages. Des défauts, tels que la fissuration à chaud, sont aussi liés à la texturation de grains propre à l'étape de solidification. La simulation directe du développement tri-dimensionnelle (3D) des structures de grains dans ces procédés, à l'échelle industrielle, est rarement proposée. Dans ce travail, une modélisation couplée 3D Automate Cellulaire (CA) - Eléments Finis (FE) est proposée pour prédire la formation des structures de grains dans les procédés de soudage multipasses GTAW (Gas Metal Arc Welding) et GMAW (Gas Metal Arc Welding). A l'échelle macroscopique, la modélisation FE permet la résolution des équations de conservation de la masse, de l'énergie et de la quantité de mouvement pour l'ensemble du domaine en s'appuyant sur un maillage adaptatif. Pour le procédé GMAW avec apport de matière, le modèle FE est enrichi et développé dans une approche level set (LS) afin de modéliser l'évolution de l'interface métal / air due au développement du cordon de soudure. Le domaine FE contient ainsi la pièce étudiée et l'air environnant dans lequel le cordon se développe. Les calculs FE sont couplés avec l'approche CA utilisée pour modéliser le développement de la structure de grains. Un maillage fixe ('maillage CA') est superposé au maillage adaptatif FE ('maillage FE'). Les champs macroscopiques propres au maillage FE sont ainsi interpolés entre le maillage adaptatif FE et le maillage fixe CA. Une nouvelle stratégie d'allocation / désallocation de la grille de cellules CA est ensuite utilisée basée sur l'allocation / désallocation des éléments du maillage CA. La grille CA est constituée d'un ensemble régulier de cellules cubiques superposées au domaine soudée. A l'échelle micro-, la grille est utilisée afin de simuler les étapes de fusion et solidification, à la frontière entre le domaine pâteux et le bain liquide, durant le processus de soudage. Les évolutions de températures des cellules sont définies par interpolation du maillage CA. Un couplage du modèle avec les chemins de solidification et les évolutions enthalpiques tabulés est aussi implémenté, permettant de suivre la thermique et les évolutions de fractions de phase propre à l'évolution du procédé. Avec de réduire les temps de calcul et la quantité de mémoire informatique nécessaire à ces simulations, une optimisation des maillages FE/CA et des tailles de cellules CA est proposée pour les deux approches FE et CA. La modélisation 3D proposée est appliquée à la simulation de la formation des structures de solidification formées durant le soudage GTAW et GMAW multipasses de pièces d'acier inoxydables de nuances UR 2202. Dans le procédé GTAW, l'influence de l'évolution des structures de grains selon les paramètres procédés est étudiée. L'orientation normale des grains avec l'augmentation de la vitesse de soudage est montrée. Dans le procédé GMAW, la modélisation permet de simuler la refusion et la croissance des grains des couches successives. De manière générale, les structures de grains prédites montrent qualitativement les évolutions attendues présentées dans la littérature.

L'objectif de ce travail de thèse, est de développer un matériau d'apport et un mode opératoire de soudage associé permettant d'assembler des tôles d'acier K44X pour la fabrication de collecteurs d'échappement automobiles. Les propriétés de l'acier K44X ayant été optimisées pour répondre au mieux aux contraintes de l'application, les conditions de soudage recherchées devront, dans la mesure du possible, éviter de dégrader les caractéristiques de l'acier, en particulier en termes de tenue mécanique à haute température et de résistance à l'oxydation et à la fatigue thermique. Ce mémoire est divisé en quatre chapitres. Le premier chapitre est consacré à une présentation synthétique des évolutions dans le domaine de la fabrication des collecteurs d'échappement automobiles, et des connaissances actuelles dans les domaines des aciers inoxydables ferritiques et sa soudabilité, des procédés de soudage à l'arc. Le second chapitre présente les caractéristiques de l'acier K44X et la problématique de l'étude, puis décrit le travail d'élaboration des matériaux d'apport de différentes compositions. Ainsi que les résultats d'une caractérisation préliminaire des soudures obtenues avec les différents matériaux. Le chapitre 3 traite de la caractérisation de la tenue en service de l'assemblage retenu à l'issu du chapitre précédent. Les tests d'oxydation, de traction à chaud sur zone fondue des soudures ou sur assemblages complets, et de fatigue thermique, utilisés pour réaliser cette caractérisation sont décrits, et les résultats sont discutés. La fin de ce chapitre est consacrée à la caractérisation des précipités formés dans les zones fondues. Enfin, le dernier chapitre est consacré à la modélisation thermique du soudage et à la modélisation de la solidification, dans le but de tenter de prédire le type de microstructure de zone fondue formée lors d'une opération de soudage, en fonction des paramètres procédés. Cette modélisation, qui s'appuie sur les résultats d'un essai de soudage instrumenté, doit notamment permettre de prédire si les conditions de soudage, pour une composition d'acier donnée, permettent ou non de former une structure de grains équiaxe en zone fondue des soudures. / The objective of this work is to develop a filler metal and an associated welding procedure allowing to join sheets of steels K44X for the manufacturing of exhaust manifolds for automotive. The properties of the steel K44X having been optimized to answer at best the constraints of the application, the welding conditions will have to, as possible, avoid degrading the characteristics of the steel, in particular in terms of mechanical strength with high temperature, oxidation resistance and in thermal fatigue.This report is divided into four chapters.The first chapter is dedicated to a synthetic presentation of the evolutions in the field of the manufacturing of the automotive exhaust manifolds, and current knowledge in the domains of ferritic stainless steels and its weldability, and in arc welding processes.The second chapter presents the characteristics of the steel K44X and the problem of the study, then described the work of elaboration of the filler metals with various compositions. As well as the results of a preliminary characterization of the welds obtained with the various materials.The chapter 3 is about the characterization of the in-service behavior of the assembly stemming from the previous chapter. The tests of oxidation, hot traction on molten zone of the welds or on complete assemblies, and of thermal fatigue, used to realize this characterization are described, and the associated results are discussed. The end of this chapter is dedicated to the characterization of precipitates formed in the molten zones.Finally, the last chapter is dedicated to the thermal modelling of the welding and to the modelling of the solidification, with the aim of trying to predict the type of microstructure of molten zone formed during a welding operation, according to the process parameters. This modelling, based on the results of a instrumented experimental test of welding, has to allow in particular to predict if the welding conditions, for a given composition of steel, allow or not to form a structure of grains equiaxed in molten zone of the welds.

La course à l'allègement des aéronefs constitue aujourd'hui l'un des enjeux principaux de l'industrie aéronautique. Le remplacement des rivets par des soudures FSW sur les voilures permettrait de gagner jusqu'à 20% de la masse totale de la voilure. Ce travail réalisé en collaboration avec Dassault-Aviation s'inscrit dans le cadre du projet ADSAM (Assemblage de Structures Aéronautiques Métalliques) visant à fabriquer un démonstrateur de caisson de voilure soudé par FSW. Cette étude traite du comportement mécanique en traction monotone quasi-statique et en fatigue oligocyclique (10⁴ à 10⁵ cycles) d'alliages d'aluminium (séries 2000 et 7000) soudés par FSW. L'objectif est d'étudier l'effet des hétérogénéités microstructurales induites par le soudage sur les hétérogénéités de comportement mécanique dans les joints soudés. La corrélation d'images numériques a été utilisée pour définir la réponse mécanique (σnominale – εvraie) dans chacune des zones constituant ces soudures. En complément, des essais sur des mini-éprouvettes prélevées dans l'épaisseur des joints ont permis d'établir le comportement local (σvraie – εvraie) dans chacune des zones du joint. Sous chargement de traction monotone, la rupture des soudures FSW a été observée dans la zone de localisation des déformations anélastiques située aux minima des profils de microdureté. En revanche, les fissures de fatigue ne démarrent pas nécessairement dans ces zones de localisation. Des analyses microscopiques des faciès de rupture ont permis d'identifier deux mécanismes principaux d'amorçage de fissure : (i) rupture ou (ii) décohésion de particules intermétalliques. D'autre part, les essais cycliques montrent une adaptation élastique des matériaux dans les différentes zones du joint (noyau, ZAT et ZATM) après stabilisation autour d'une déformation moyenne non nulle. En terme de durée de vie, les résultats d'essais sur éprouvettes entaillées traitées OAC (représentative de zones critiques sur structure) montrent que le soudage par FSW réduit jusqu'à 50% la tenue en fatigue de ces alliages. L'amorçage des fissures de fatigue est dû aux piqûres créées par le traitement d'OAC. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ouvrent des perspectives intéressantes pour modéliser le comportement mécanique des joints soudés par FSW afin d'estimer leur durée de vie en fatigue oligocyclique. / Mass reduction of aeronautic structures is an important challenge for aeronautic industries. FSW is an efficient joining process to replace rivets : the mass reduction using this welding process could reach 20% for aircraft wings. This work carried out in collaboration with Dassault-Aviation was done in the framework of ADSAM project. The FSW process significantly modifies the microstructure and the local material properties, the overall mechanical response of the joint is largely governed by the response of the different zones of FSW joint. In the present study, the global and local mechanical responses under monotonic quasi-static tension and cyclic tension-tension (R=0.1) in low cycle fatigue regime (10⁴ to 10⁵ cycles) were carried out on FSW joints made of aluminum alloys (2000 and 7000 series). Full field strain measurements were carried out on FSW welded specimens using digital image correlation techniques assuming an iso-stress configuration (σlocal = σnominal ). Additionally tension tests parallel to the welding direction have been performed on micro specimens machined in each representative zone of FSW joints. These tests allow us to determine the local mechanical response (σlocal − εlocal) of the joint. Local mechanical properties were determined for each representative weld zone (nugget, TMAZ and HAZ). The full field anelastic strain localization scenario prior to fracture shows a good correlation with the microhardness profile along the FSW joints. Under monotonic loading, fracture was observed at the strain localization zones unlike under cyclic loading. In fatigue, the fracture zones are very dispersed for each weld configuration. SEM observations led to the identification of two crack initiation mechanisms:(i) fracture of intermetallic particles or (ii) decohesion between intermetallic particles and the matrix. Digital image correlation under cyclic loading shows an elastic shakedown of the studied materials in each zone of the joint around a non null mean strain. In terms of number of cycles to failure, fatigue test results on ACO treated notched specimens (representative of structure critical locations) show that the FSW process reduce up to 50% the faigue life of the base materials. The crack initiation was associated to ACO pits. The results of this study open interesting prospects for modelling the mechanical behavior of FSW joints and to assess their fatigue life.

Un nouveau procédé de fabrication additive de pièces métalliques, basé sur le procédé de soudage à l’arc appelé CMT (Cold Metal Transfert), est étudié dans l’objectif de réaliser des pièces en alliage d’aluminium Al-5Si. Un banc de fabrication additive basé sur le principe des imprimantes 3D open source, sur lequel a été intégré le procédé CMT, a été spécialement développé. Le procédé CMT permet de contrôler la fusion d’un fil d’aluminium et son dépôt sous la forme de gouttelettes sur la surface de construction, formant après solidification des « cordons » qui peuvent être superposés pour fabriquer des pièces. L’influence des paramètres du procédé sur les phénomènes de transfert de matière et de chaleur lors de la fusion du métal et de son dépôt sur la surface de construction, ainsi que sur les caractéristiques géométriques des cordons déposés, dans le cas de dépôts mono-cordon, puis dans le cas de murs formés par la superposition d’un grand nombre de cordons, est étudiée. Plusieurs défauts géométriques ont été observés, et les conditions de leur apparition analysées, grâce notamment à l’utilisation d’une caméra rapide. La compréhension des relations entre paramètres procédé, mécanismes de transfert de chaleur et de matière, et géométrie des cordons, a permis de corriger ces défauts en identifiant puis modifiant les paramètres procédé responsables de leur apparition. Enfin, une méthode de contrôle en ligne du procédé, basée sur l’analyse des signaux de tension et d’intensité produits par le générateur de soudage au cours du phénomène de dépôt, qui permet de détecter précocement l’apparition de défauts, et ainsi de modifier les paramètres procédé avant qu’ils ne s’amplifient, a été proposée. / A new additive manufacturing process for metallic parts, based on the arc welding process known as CMT (Cold Metal Transfer), is studied with the objective of building parts with the aluminium alloy Al5Si. A workbench for additive manufacturing based on the 3D printers open-source principle, on which the CMT generator was integrated, was specially developed. The CMT process allows to control the aluminium wire melting and its deposition under the form of droplets on the building surface, forming, after solidification, beads that can be superposed for the parts construction. The process parameters influence on the material transfer and heat transfer during the metal melting and deposition on the build surface, as well as on the geometric characteristics of the deposed beads, in the case of mono-layer deposits, and in the case of multi-layer walls, is studied. Many geometric defects were observed, and their apparition conditions analysed, thanks in particular to the use of a high-speed camera. The understanding of the relations between the process parameters, the melting and heat transfer mechanisms, and the beads geometry, allowed the defects correction by identifying and modifying the process parameters responsible of their apparition. Finally, an on-line control method for the process, based on the analysis of the voltage and current signals produced by the welding generator during the deposition phenomena, making possible the early detection of defects, and then the modification of the process parameters before they are amplified, has been proposed.

Les plasmas de type MIG-MAG n'étaient pas, jusqu'à présent, examinés en détail et exploités en laboratoire. En raison des applications techniques de ce type d'arc électrique, la plupart des expériences et des calculs théoriques se limitaient à l'étude des processus provenant des régions des électrodes. Des l'année 1948, au cours de laquelle les premiers brevets ont été déposés pour des arcs sous argon, les procédés de soudage MIG-MAG ont été exploités avec succès comme une des plus populaires méthodes d'assemblage de métaux. Et pourtant, malgré plus de cinquante ans d'histoire et de développement de cette méthode, la plupart des phénomènes fondamentaux qui y prennent naissance, n'ont pas trouvé d'explications. En 1953 Lubawski et Nowosilow ont présenté, pour la première fois, un arc avec une électrode fusible fonctionnant sous protection de dioxyde de carbone. On peut admettre, que à partir de ce moment, on a cherché à savoir de quelle manière le type du gaz appliqué influait sur le transfert du métal dans l'arc. En particulier, il s'agissait de déterminer comment des différences de propriétés physiques du plasma pouvaient intervenir sur les procédés intervenants dans la région de l'électrode supérieure, et pourquoi dans les mélanges gazeux riches en dioxyde de carbone on ne pouvait pas obtenir un régime de fonctionnement d'arc de type pulvérisation axiale ? Malheureusement, toutes les tentatives pour répondre à ces questions, par exemple un postulat selon lequel une modification de la distribution du courant dans l'extrémité d'électrode provoquerait une constriction de l'arc et une inversion de la force de Lorentz [83], restent toujours et uniquement seulement des hypothèses. Les travaux présentés dans cette thèse avaient pour but de comprendre l'influence du gaz utilisé sur le transfert du métal dans l'arc, et plus spécifiquement pourquoi une augmentation de la proportion de dioxyde de carbone dans le mélange gazeux provoquait un changement de son régime de fonctionnement. Les mesures réalisées ont toutes été financées par Air Liquide Welding, dans le but d'améliorer le procédé. Un motif supplémentaire de mener des recherches sur l'arc MIG-MAG, est la quasi-absence de données expérimentales concernant les distributions de température et de densité électronique dans ce type de plasma. Les données disponibles dans la littérature sont généralement le fruit de simulation numériques sans réelle validation expérimentale. Ainsi, par exemple, les valeurs de température présentées par Haidar semblent trop élevées pour un plasma dominé par les vapeurs métalliques. Le caractère particulier de l'arc de soudage, dont le spectre d'émission consiste en de nombreuses raies spectrales fortement élargies par effet Stark, a également permis de mesurer, parfois pour la première fois, les paramètres Stark des raies d'éléments métalliques. Une telle possibilité est très intéressante, car pour déterminer les élargissement et déplacement Stark de raies métalliques, il est nécessaire d'introduire les vapeurs de ce métal dans la région de décharge. En général, dans le cas des plasmas utilisés en laboratoire, cela n'est pas simple et induit de gros problèmes de demixing difficiles à résoudre, comme le montre la relativement faible quantité de données expérimentales disponibles jusqu'à présent. Ce sont pourtant des données essentielles pour la connaissance des milieux plasmagènes, notamment ceux étudiés en astrophysique.

Le soudage des alliages Al-Zn-Mg est de plus en plus utilisé dans l'industrie du transport. Les variations brutales de température induites par le soudage à l'arc provoquent des modifications importantes de la microstructure dans la zone dite affectée thermiquement.<br />Cette étude porte sur l'évolution de la précipitation suite à ce procédé de l'alliage 7108.50 présentant différentes microstructures initiales. Une caractérisation fine des précipités durcissants dans la zone affectée thermiquement a été menée par SAXS, MET et DSC juste après soudage et après traitements thermiques post-soudage. Afin de mieux cerner les mécanismes influençant la précipitation au cours de ce procédé anisotherme, des traitements thermiques contrôlés, de type réversion ou rampes de montée en température, ont également été étudiés.<br />Un modèle basé sur l'évolution d'une distribution en taille de particules a été développé afin de prédire l'état de précipitation après divers traitements thermiques, dont le soudage.

Dans le cadre des développements technologiques réalisés au CEA, l'analyse du comportement mécanique des liaisons soudées hétérogènes Ta/TA6V est une préoccupation première. En effet, la soudure de ces deux matériaux qui se distinguent par leurs propriétés mécaniques et thermiques, induit de fortes hétérogénéités microstructurales au niveau de la zone fondue.<br />Afin de caractériser le comportement des joints, un essai de flexion quatre points sur éprouvette entaillée a été développé. Ce nouvel essai permet d'obtenir une réponse macroscopique mais également d'analyser plus finement, grâce à un moyen d'extensométrie optique, l'influence des hétérogénéités sur la déformation locale du joint soudé. La confrontation de ces résultats à une étude métallurgique permet de conclure quant à l'influence du gradient de composition sur la rupture.<br />En outre, des essais de nanoindentation permettent d'identifier certains paramètres locaux tels que le module d'élasticité dont la faible valeur est quantifiée.<br />Une base expérimentale variée, réalisée sur les matériaux de base, permet d'identifier un modèle élasto-viscoplastique avec écrouissages isotrope et multi-cinématique non linéaires couplé à l'endommagement. Ce modèle prend en compte l'anisotropie initiale et entre dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. Une attention particulière est portée à la description de la viscosité, l'introduction de plusieurs couplages avec l'écrouissage isotrope et le traitement numérique de la contrainte plane.

Le procédé de soudage TIG met en jeu un arc électrique entre une électrode réfractaire de tungstène et les pièces à souder. L'électrode et la zone fondue sont protégées contre la pollution ambiante par une atmosphère neutre d'argon. Ainsi, de est un procédé de prédilection dans les secteurs aussi variés que le nucléaire, l'aéronautique, les industries chimiques et agro-alimentaires.<br />Nonobstant ces qualités, ce procédé souffre d'un lourd handicap : sa faible productivité, particulièrement dans le cas des pièces de forte épaisseur. En effet, au-delà de 3mm d'épaisseur, il est nécessaire d'usiner les bords à souder et de faire des passes multiples avec du métal d'apport. L'accroissement du nombre de passes multiplie les risques de défauts et augmente les déformations et accroît la zone thermiquement affectée.<br />Il parait alors intéressant de disposer d'un procédé simple permettant de s'affranchir des faibles pénétrations inhérentes aux soudures TIG.<br />Il nous a semblé opportun de développer une technique permettant d'étendre les domaines d'utilisation du soudage TIG de 3 à 7mm d'épaisseur soudable maximale sans préparations. Cette technique appelée ATIG consiste à déposer, en endroit du joint à souder un flux activant qui va, au passage de l'arc électrique, modifier les courants de convection dans le bain de fusion, ainsi que l'équilibre électrochimique du plasma.<br />Ce document traite du développement de ces produits, ainsi que de la mise en évidence des mécanismes d'activation opérant au cours du soudage.<br />Ce travail, mené en collaboration avec la société B.S.L.i a conduit à la formulation de deux compositions (appliquées respectivement aux aciers inoxydables et aux alliages de titane) en phase de commercialisation par la société CASTOLIN S.A., ainsi qu'à la réalisation industrielle d'une colonne chimique avec plus de 2200 soudures ATIG orbitales.

En soudage en phase solide, si la température peut avoir un rôle favorable, une sollicitation mécanique est également nécessaire pour s'affranchir de la couche d'oxyde recouvrant naturellement l'aluminium. Dans ce travail, on a ainsi cherché à comprendre l'importance de la sollicitation mécanique vis-à-vis de la création des jonctions métalliques. Dans ce but, 2 essais de soudabilité à froid ont été mis en place. L'essai de compression plane (CP) a pour but d'augmenter la surface à l'interface de soudage, de sorte à morceler la couche d'oxyde. Grâce à la microscopie, à une analyse par EF et à un modèle tensoriel de caractérisation de l'évolution des surfaces, les essais ont montré que, plus que l'importante déformation globale, le soudage se produit dans les zones de cisaillement maximum.Par conséquent, le second essai repose sur le cisaillement de l'interface de soudage : un tube sectionné est soumis à un effort de compression et de torsion alternée. Comme pour l'essai de CP, l'influence de divers paramètres a été étudiée. Parmi ceux-ci, l'état de surface (rugosités et propreté), l'angle de torsion (faible amplitude) et le nombre de cycles ont un rôle prépondérant. Les assemblages soudés ont ensuite été caractérisés mécaniquement et observés en microscopie (MEB-FEG, EBSD). Par rapport à l'essai de CP, on a pu constater une meilleure quantité et qualité des jonctions en compression-torsion alternée. De plus, un modèle thermodynamique a permis de conclure que les énergies mises en jeu sont trop faibles pour permettre un échauffement significatif : le soudage, sur environ 50% de l'interface en l'état actuel des choses, n'est réalisé que par des effets mécaniques locaux.

L'objectif de l'étude consiste en l'établissement d'une modélisation prédictive du procédé avec des temps de calcul acceptables en vue d'optimiser le procédé vis-à-vis de la tenue mécanique de l'assemblage soudé. Le modèle mis en place est constitué de deux étapes sucessives.<br /><br />Lors de la première étape, un calcul stationnaire thermohydrodynamique couplé permet d'obtenir le champ de température et l'écoulement de matière autour de l'outil. Pour cela, un comportement purement visqueux est adopté et la zone de contact outil-matière est modélisée par des conditions de glissement. Des données expérimentales obtenues par thermographie infrarouge ont permis de fixer deux paramètres de ce modèle.<br /><br />La seconde étape du modèle s'appuie sur un comportement élastoviscoplastique pour déterminer l'état mécanique résiduel d'un assemblage. Pour cela, l'écoulement de matière permet de suivre l'histoire de chaque particule, en particulier lors de leur passage autour de l'outil. Le champ de température permet de quantifier la dissolution des précipités durcissants au sein de l'alliage et de tenir compte de la variation avec la température des paramètres de la loi de comportement adoptée. En outre, la fraction de précipités dissous est reliée à la limite d'élasticité du matériau. Une méthode de calcul stationnaire est utilisée pour obtenir directement l'état stationnaire des variables mécaniques.<br /><br />Les résultats obtenus sont en accord avec des profils de contraintes résiduelles publiés dans la littérature. De plus, l'influence de la vitesse de soudage et de la vitesse de rotation de l'outil a été étudiée au regard des contraintes résiduelles simulées.