Validation des développements numériques

Introduction

Avant d’aborder des géométries complexes réelles comme le manchon ou la selle de raccordement, une étude sur des formes plus simples a été menée. L’objectif est de valider le modèle d’électrofusion développé au chapitre précédent en comparant simulations numériques et résultats expérimentaux sur une géométrie permettant des mesures plus aisées que ne l’autorisent les dispositifs utilisés couramment, tout en cherchant à s’approcher des conditions thermiques réelles. Ne pouvons nous contenter des méthodes expérimentales disponibles dans la littérature, nous avons, comme nous allons le voir plus loin, notre propre dispositif. Dans ce chapitre, nous allons dans un premier temps détailler la phase de « conception » des éprouvettes, leur élaboration et comment elles ont été modélisées numériquement. Le processus de validation du modèle numérique consistera dans un premier temps à comparer les résultats numériques en termes d’évolution de température à ceux obtenus expérimentalement à l’aide de ces éprouvettes. Nous insisterons dans ce paragraphe sur les différentes techniques disponibles pour accéder à des mesures expérimentales de température fiables. La validation du modèle numérique portera dans un deuxième temps sur le taux de transformation de la matière. Cette phase nécessite de révéler puis de mesurer expérimentalement la surface de la zone affectée par le soudage (zone fondue). Un essai mécanique à sélectionner parmi ceux disponibles dans la littérature permettra dans un troisième temps de révéler les faciès de rupture, d’observer les modes de rupture et d’établir un lien avec le calcul numérique du paramètre d’interdiffusion. Enfin, nous nous intéresserons à la mesure des déformations des plaques au cours du soudage. Les résultats seront confrontés à ceux prédits par le modèle thermomécanique. Chapitre 4 Validation des développements numériques 

Méthodes expérimentales en vue de déterminer la qualité d’une soudure 

Etude bibliographique De nombreux auteurs ont tenté de trouver une méthode expérimentale fiable pour caractériser la qualité d’une soudure en fonction des paramètres d’entrée. Les techniques expérimentales se répartissent en deux familles : les essais destructifs et les essais non destructifs. Nous allons les passer en revue dans la suite de ce document. 4.2.1.1 Essais destructifs 4.2.1.1.1 Essais mécaniques Usclat [Usclat, 1985], Chevrand et al. [Chevrand, 1986], Federspiel et al., [Federspiel, 1987] et Dufour et Meister [Dufour, 1989] ont développé un essai de traction sur des éprouvettes de type « Pied d’éléphant » (Figure 4-1). Le montage est composé de deux éprouvettes de formes identiques dont une comporte un fil chauffant. L’objectif de cette étude est de déterminer l’influence des paramètres tels que la tension et l’intensité du courant appliqué, le temps de soudage et le jeu à l’interface grâce à des mesures de la température, de la pression à l’interface, de l’étendue de la zone fondue et de l’énergie nécessaire au pelage. L’utilisation d’éprouvettes relativement simples a permis de maîtriser et de mesurer les forces et les déplacements pendant le soudage au moyen d’une machine de traction. Figure 4-1 : Schéma de l’éprouvette « Pied d’éléphant » pour étudier l’électosoudage [Usclat, 1985]  Les éprouvettes sont placées entre les mors d’une machine de traction. Pendant les phases de soudage et de refroidissement, d’éventuelles forces dues à la dilatation sont enregistrées. Après soudage et refroidissement, une vitesse de traction constante est appliquée à l’éprouvette, la force maximale (avant la rupture) enregistrée et les modes et les faciès de rupture ont été observés. Des mesures de la température à l’interface ont permis de remonter au taux d’interdiffusion et donc de créer un lien entre la qualité du soudage et le taux d’interdiffusion. Par contre cet essai n’a pas permis de quantifier un taux de diffusion critique au-delà duquel le soudage est correct. D’autres études ont été menées par Saint-Royre et al. [Saint-Royre, 1989] pour combler ce manque et tenter de déterminer les conditions optimales en température et temps de chauffage et d’obtenir le taux d’interdiffusion à atteindre pour assurer un bon soudage. Pour cela, deux plaques fines (entre 0,36 et 0,38 mm) de PE ont été soudées à l’aide d’une cellule chauffante par lumière infrarouge (Figure 4-2). Un essai de pelage de type « T-Peel test » à 80 °C a été effectué avec une force de traction de 2100 N. La soudure était considérée comme efficace si elle résistait à la rupture pendant 1000 minutes. 

Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier

Gueugnaut et al. [Gueugnaut, 1988] ont étudié l’histoire thermique de la matière autour de la zone soudée par Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier (FTIR). Cette technique leur a permis de déterminer le taux de cristallinité en fonction de la distance Dispositif de serrage Accessoire Tube Dispositif de serrage Accessoire de soudage Tube Goupille fixe Frette libre en rotation Chapitre 4 Validation des développements numériques 101 par rapport à l’interface. Cette technique a mis en évidence la différence de taux de cristallinité qu’il peut y avoir entre le cœur de la zone fondue et ses contours. Ce gradient est favorisé par la vitesse de refroidissement qui varie entre le centre et les bords. Cette technique est néanmoins peu précise au niveau des bords. 4.2.1.1.3 «Sèche-cheveux » Une autre technique a été proposée par Gueugnaut [Gueugnaut, 1989] pour révéler la zone fondue. Cette technique, connue sous le nom du « sèche cheveux » consiste à révéler la zone ayant fondu lors du soudage par un traitement thermique postérieur au soudage. Les échantillons à étudier sont prélevés en réalisant des coupes perpendiculaires à l’interface de la jonction. Ils sont ensuite portés à une température de l’ordre de 80 °C pendant plus d’une heure. Après refroidissement, on distingue alors deux zones (Figure 4-10). Gueugnaut a montré que la frontière correspondait à la limite de la zone qui a fondu pendant le soudage (Figure 4-10).