Le soudage à électrode réfractaire, plus souvent appelé TIG (Tungsten Inert Gas), est un procédé dans lequel un arc électrique est généré entre une électrode en tungstène et les pièces à souder sous un flux gazeux inerte. Le transfert d'énergie entre l'arc et l'anode donne naissance à un bain métallique et à la production de vapeurs. La qualité des soudures obtenues est directement liée au comportement du plasma et aux phénomènes physiques présents dans le bain métallique (effets Marangoni, force de traînée, gravité, forces de Laplace, conduction thermique...). L'objectif de ces travaux de thèse est de mettre en place des méthodes de diagnostic permettant une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans le transfert d'énergie lors de l'interaction arc-matériau sur une configuration de soudage TIG. Il s'agit également d'évaluer et d'analyser l'influence de certains paramètres opératoires impliqués dans le procédé (nature du gaz, intensité du courant, longueur de l'arc...) sur ces mécanismes. Plusieurs axes de recherche ont été dégagés : - l'étude de la colonne plasma pour estimer sa température selon les paramètres opératoires utilisés ; - l'étude de l'interface arc-liquide pour la compréhension des phénomènes de brassage et d'écoulement dans le liquide ainsi que l'influence des vapeurs métalliques issues de l'érosion du matériau sur le plasma ; - l'étude du matériau après son interaction avec l'arc pour faire le lien entre le brassage dans le bain durant le procédé et les caractéristiques de la zone fondue observée après solidification. L'équipe Arc Électrique et Procédés Plasmas Thermiques (AEPPT) du laboratoire LAPLACE s'intéresse à ces phénomènes d'interaction arc-matériau par le biais de la modélisation et de l'expérience. Un modèle 3D a été récemment développé au sein de notre équipe sur cette thématique. La caractérisation expérimentale du procédé devrait permettre également d'apporter des éléments de validation aux modèles déjà existants. / TIG (Tungsten Inert Gas) welding process is achieved by the creation of an electric arc between a tungsten cathode and a piece of metal. This process uses a shielding gas as argon, helium or mixtures at atmospheric pressure. The heat transfer between the arc and the work piece leads to a metallic weld pool and metallic vapours production. Weld quality is related to the plasma behavior and the molten zone motion (Marangoni force, Laplace force, drag force and gravity...).during the process. The aim of this work is to develop diagnostic methods leading to a better understanding of mechanisms involved in heat transfer in TIG welding. The aim is also to evaluate the influence of different experimental conditions (gaz nature, current intensity, arc length...) on theses mechanisms. Several lines of research were defined: - the study of the plasma temperature under different experimental conditions; - the study of the arc-liquid interface to understand the weld pool flow behavior and the impact of metallic vapor on the arc plasma ; - the study of the work piece after interaction to determine the dimension of the melted zone and link it to the flow behavior during the process. Arc-material interaction phenomena can be studied through modeling and experience. A 3D model has recently been designed in our team. The experimental characterization of the process developed in this work should provide a set of data to validate it.

Le soudage est un moyen d'assemblage très utilisé dans l'industrie. Disposer d'un logiciel de simulation permettrait d'évaluer les contraintes résiduelles et d'obtenir des informations sur la microstructure du joint de soudure, nécessaires à l'analyse de sa tenue mécanique; mais aussi d'évaluer la faisabilité du procédé pour la réalisation de pièces complexes et d'optimiser les séquences de soudage pour minimiser les défauts. Cette thèse porte sur le développement d'un outil de simulation numérique du soudage à l'arc des aciers. Après avoir décrit le contexte tant industriel que bibliographique de ce travail, nous précisons les différents modèles implémentés dans le code de calcul TransWeld (le logiciel développé au CEMEF dans le cadre de ce travail). La description des équations macroscopiques employées est suivie de leur mise en œuvre numérique. Nous abordons ensuite la théorie du remaillage adaptatif et nous décrivons les éléments essentiels de la stratégie de remaillage développée dans le cadre de cette thèse. Ensuite, nous présentons les méthodes développées pour la modélisation de l'apport de métal et de la formation du cordon de soudage. Des simulations numériques conformes aux essais sont réalisées. L'analyse comparative entre résultats expérimentaux et numériques permet de juger de l'aptitude du code de calcul à prédire l'état thermomécanique et métallurgique de la structure soudée. Les limitations de notre modélisation et les phénomènes qu'elle a permis de mettre en évidence sont enfin discutés et permettent de définir quelques orientations intéressantes pour les développement futur de cette modélisation.

Le procédé de soudage TIG est actuellement le plus utilisé dans l’industrie aéronautique du fait de la qualité des joints de soudure qu’il permet d’obtenir et de sa simplicité d’automatisation. Une opération de soudage provoque des gradients thermiques dus au passage de la source de chaleur sur la pièce qui induisent des déformations et des contraintes résiduelles pouvant impacter la durée de vie de l’assemblage. Ce travail vise à mettre en place un modèle de simulation de ce procédé dans le but d’optimiser les paramètres opératoires.Avant d’envisager un couplage thermomécanique, il convient de représenter convenablement les transferts thermiques au cours du soudage et en particulier l’apport de chaleur lié au procédé. Dans cette étude, on propose une source de chaleur prédictive simplifiée représentative des paramètres opératoires qui permet en particulier d’estimer les dimensions caractéristiques du cordon de soudure et de traduire fidèlement l’évolution thermique dans la pièce. Cette source est définie par un flux de chaleur homogène dépendant d’une puissance P, réparti sur un disque de rayon R, ces 2 paramètres numériques étant liés aux principaux paramètres opératoires de soudage que sont l’intensité I et la hauteur d’arc h.Une campagne d’essais expérimentaux dans laquelle on étudie les variations des dimensions de la Zone Fondue (ZF) pour des cas non pénétrants et pénétrants en fonction des paramètres opératoires (I, h) est présentée. Pour chaque essai, un couple de paramètres d’entrée de la source de chaleur (P, R) permettant de reproduire les dimensions du bain fondu est identifié. La confrontation des résultats obtenus numériquement et expérimentalement permet de mettre en place des relations entre les paramètres opératoires de soudage (I, h) et les paramètres numériques (P, R) conférant un caractère prédictif à la source de chaleur. Ce modèle de source a été validé pour différentes configurations de soudage en termes d’épaisseurs de tôles, de matériaux à assembler, de vitesses d’avance de la torche, ...Notre modèle thermique a ensuite servi de base pour la simulation thermomécanique du procédé. Le modèle est appliqué à l’assemblage de deux composants d’un turbomoteur en superalliage base Nickel. / Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) is the most widely used welding process in aeronautics, due to its weld quality. During a welding operation, the thermal source induces thermal gradients causing strains and stresses that could affect assembly’s life duration. The aim of this study is to develop a numerical model of the welding process in order to get optimized process parameters.Before coupling thermal and mechanical phenomena, we must modelize heat transfers during welding. We propose a simplified heat source linked to the process parameters which enables to predict the main dimensions of the weld pool and the thermal evolution in the solid part. This source is defined by an homogeneous heat flux depending on a power P distributed in a R radius disk. These two parameters relate to process parameters, the arc height (h) and the current intensity I.Experiment tests was achieved to study the weld pool dimensions for both cases : incomplete penetration and full penetration weld. For each test, we identified the heat source parameters (P, R) which allow to obtain the experimental weld pool dimensions. The confrontation of numerical and experimental results enables to get links between the heat source parameters (P, R) and the welding parameters (I, h), producing a predictive heat source. The heat source reliability was verified taking into account several welding configurations with various superalloys sheet thickness, welding speed, materials.A coupled thermal-mechanical analysis, based on our thermal model, was applied to an industrial case: a nickel based superalloy components assembly of a gas turbine.

Le mémoire qui suit vise à vérifier si la formation de traces latentes par des ions lourds et rapides passe par une phase liquide. Compte tenu du fait que le processus de formation des traces est trop rapide pour être directement étudié, notre expérience vise à mesurer après coup des éléments qui seraient indicateurs d’une fusion. Dans cette optique, nous étudierons s’il y a eu une redistribution d’ions d’or (initialement présents par dopage dans des échantillons de silicium amorphe) à la suite de l’irradiation des échantillons. Cette redistribution d’or s’expliquerait par le phénomène de raffinage de la zone fondue, qui surviendrait pendant une hausse de température lors de la création de traces ioniques latentes prévue par le modèle théorique du pic thermique. Les échantillons étudiés sont des membranes de silicium amorphes de 2 µm d’épaisseur, dopés à l’or selon différents pourcentages (pur, moyen et élevé) et irradiés avec des ions lourds rapides d’or à 1,1 GeV ou d’argent à 75 MeV. Aucune image SAXS n’a pu révéler la présence de traces ioniques latentes pour les échantillons irradiés par des ions argent à 75 MeV. Bien que le pouvoir d’arrêt de ceux-ci est bas (9,5 keV/nm) [1], il dépasse tout de même le seuil observé pour plusieurs autres phénomènes associés avec des traces. [2] [3] Nous aurions donc trouvé un régime où il y a des effets causés par des ions lourds et rapides, mais sans signature visible en SAXS. À l’inverse, les échantillons irradiés d’ions d’or ont démontré la présence de traces ioniques latentes via des images SAXS. Ces images démontrent un motif de diffusion caractéristique à des traces de type core-shell. Toutefois, ces résultats ne démontrent pas de différences de ségrégation d’or selon le niveau de dopage initial. Tous les échantillons (dopage pur, moyen et élevé) présentent un noyau de rayon de (2,5 ± 0,1)nm et un rayon total de (9,9 ± 0,5)nm, ce qui rejoint des valeurs similaires à ceux obtenus dans la littérature. [4] Par contre, l’absence de différence selon le dopage pourrait s’expliquer par le fait que la resolidification après la fusion serait trop rapide au point où l’or subirait du solute trapping qui empêcherait la ségrégation. Une autre explication possible serait qu’il n’y aurait pas de fusion du tout lors de la formation de la trace. En premier lieu, ce mémoire traite de toutes les étapes nécessaires à la conception des échantillons, soit leur amorphisation, l’implantation d’impuretés d’or, puis l’irradiation. Deux catégories d’échantillons sont abordées : les échantillons de validation, puis les véritables échantillons qui ont été étudiés. Par la suite, ce mémoire aborde la détection des traces ioniques latentes, d’abord avec un AFM (qui s’est avéré insuffisant), puis avec des mesures SAXS. Finalement, un code théorique pour reproduire les mesures expérimentales obtenues a été développé en se basant sur la littérature. Il génère des résultats numériques prometteurs par rapport aux données expérimentales obtenues. / The following thesis aims to verify whether the formation of latent traces by heavy and fast ions passes through a liquid phase. Given the fact that the process of trace formation is too fast to be directly studied, our experience aims to measure after the fact elements that would be indicative of a merger. In this context, we will study whether there has been a redistribution of gold ions (initially present by doping in amorphous silicon samples) following the irradiation of the samples. This redistribution of gold could be explained by the phenomenon of refining the melted zone, which would occur during a rise in temperature during the creation of latent ionic traces predicted by the theoretical model of the thermal peak. The samples studied are amorphous silicon membranes of 2 µm in thickness, doped with gold at different percentages (pure, medium and high) and irradiated with fast heavy ions of gold at 1.1 GeV or silver at 75 MeV. No SAXS image was able to reveal the presence of latent ionic traces for samples irradiated with silver ions at 75 MeV. Although the stopping power of the latter is low (9.5 keV/nm), it exceeds the threshold observed for several other phenomena associated with traces. [2] [3] We would therefore have found a regime where there are effects of heavy and fast ions, but without a visible signature in SAXS. In contrast, irradiated samples of gold ions demonstrated the presence of latent ionic traces via SAXS images. These images demonstrate a diffusion pattern characteristic of core-shell type traces. However, these results do not show differences in gold segregation according to the initial doping level. All samples (pure, medium and high doping) have a core radius of (2.5 ± 0.1) nm and a total radius of (9.9 ± 0.5) nm, which are values similar to those obtained in the literature. [4] On the other hand, the absence of a difference according to the doping could be explained by the fact that the resolidification after the fusion would be too fast, to the point where the gold would undergo solute trapping which would prevent the segregation. Another possible explanation would be that there would be no fusion at all during the formation of the trace. First of all, this thesis deals with all the steps necessary for the design of the samples, namely their amorphization, the implantation of gold impurities, then the irradiation. Two categories of samples are discussed: the validation samples, then the actual samples that were studied. Subsequently, this thesis addresses the detection of latent ion traces, first with an AFM (which proved to be insufficient), then with SAXS measurements. Finally, a theoretical code to reproduce the experimental measurements obtained was developed based on the literature. It generates promising numerical results compared to the experimental data obtained.