Comme évoqué dans la partie I.2, les interactions du plasma avec la pièce métallique sont importantes. Le transfert thermique du plasma vers le métal influence les dimensions et les vitesses dans le bain tandis que le dégagement de vapeurs métalliques impacte le plasma. A. Murphy et al [Mur10b] montrent la nécessité d’une modélisation couplée plasma-matériau. Selon eux, il est impossible d’estimer les flux à la surface d’un matériau sans ce couplage.
Le tableau I.3.3 résume quelques travaux qui prennent en compte un couplage des deux zones (dont le prototype du bloc d’information est donné en entête).
Cette section est divisée en trois parties : la première présente les modèles d’interaction arc-matériau avec une dynamique du bain mais sans prise en compte des vapeurs métalliques ; la deuxième regroupe les modèles d’interaction arc-matériau sans dynamique du bain mais avec une propagation de vapeurs métalliques ; enfin, la dernière énumère quelques modèles qui prennent en compte à la fois les vapeurs et la dynamique du bain.
Dynamique du bain sans les vapeurs métalliques
Dès 1998, J. Haidar [Hai98] propose un modèle où l’arc est couplé avec le matériau où la dynamique du bain est prise en compte (avec une déformation de la surface) mais sans effet des vapeurs. Pour un plasma d’argon avec d=2,5 mm et I=275 A, la surface est fortement déformée. F. Lu et al [Lu06] prennent également en compte une surface déformable mais la déformation ne dépasse pas 0,3 mm pour un arc d’argon avec d=5 mm et I=200 A.
En 2002, M. Tanaka et al [Tan02] publient un modèle 2D avec une surface indéformable où ils analysent la forme du bain et les vitesses dans le cas d’un plasma d’argon avec d=5 mm
Année Auteurs Dim. Gaz Intensité Hauteur Description technique du modèle et type de résultats.
Métal Vapeur Surface
1998 J. Haidar [Hai98] 2D. Ar 275 A 2,5 mm
La hauteur de l’arc étant faible et le courant important, la déformation de la surface est conséquente. Les vitesses dans le bain de soudage sont résolues. Ce bain de fusion est de petite dimension (1 mm d’épaisseur).
Mild Steel Non Déformable
2005 J.-J. Gonzalez et al [Gon05] 3D Ar 50 A à 200 A 10 mm Modèle 3D avec prise en compte des vapeurs et de la déflection de l’arc par un champ magnétique ou une force convective radiale. La dynamique du bain n’est cependant pas résolue.
Cu/Fe Cu/Fe Indéformable
2006 F. Lu et al [Lu06] 2D Ar 100 A 5 mm
Comparaison de la forme du bain avec et sans déformation de la surface et la résolution des vitesses dans le bain. Dans cette configuration la surface prédite par le modèle est faiblement déformée (seulement 0,3 mm en profondeur).
AISI 304 Non Déformable
2010 M. Tanaka et al [Tan10] 2D Ar/He 150 A 5 mm
Rare modèle de couplage arc/matériau avec la prise en compte des vapeurs métalliques et de la dynamique du bain. Une hypothèse forte sur le traitement de l’effet Marangoni qui ne permet pas de reproduire l’effet caractéristique de cette force sur les vitesses (le coefficient de Marangoni est considéré constant avec la température). Les auteurs comparent les résultats pour deux gaz plasmagènes et des concentrations de soufre différentes.
AISI 304 Fe Indéformable
2011 A. Traidia et F. Roger [Tra11b] 2D Ar/He 180 A 3 mm Étude de l’influence de la nature du gaz et de son mode d’injection. La dynamique du bain est prise en compte mais pas la production de vapeurs métalliques.
AISI 304 L Non Indéformable
Tableau I.3.3 Liste de quelques modèles magnétohydrodynamiques où le métal est couplé avec le
I.3. Les méthodes de diagnostics expérimentaux et numériques
de l’arc [Tan07b] ou encore l’influence de chaque force dans le bain métallique [Tan07a]. Plus récemment, A. Traidia et F. Roger proposent un modèle avec une surface indéformable pour des arcs d’argon avec un courant pulsé [Tra11a] ou des arcs d’argon et d’hélium [Tra11b]. Ces modèles ne prennent pas en compte la production de vapeurs qui serait non négligeable dans certains cas.
Vapeurs métalliques sans la dynamique du bain
À l’inverse plusieurs travaux modélisent l’impact des vapeurs mais ne prennent pas en compte la dynamique du bain. Dès 1990, les travaux de G. Zhao et al [Zha90] illustrent l’influence des vapeurs de cuivre dans un arc d’une intensité de 150 A et 10 mm. Même si ce modèle donne des informations sur l’effet du matériau (via les vapeurs) sur le plasma, l’anode n’est pas incluse dans le domaine de calcul.
L’étude menée par J.-J. Gonzalez et al [Gon93] concerne par contre l’effet des vapeurs de fer pour des plasmas d’argon avec des intensités de 200 et 300 A et pour une géométrie incluant la pièce métallique. Le modèle a ensuite été étendu en 3D [Gon05] en 2005. Selon ces auteurs, la non prise en compte des vapeurs entraine un transfert d’énergie trop important à l’anode.
Vapeurs métalliques et dynamique du bain
Enfin, plusieurs travaux couplent la prise en compte des vapeurs et la dynamique du bain. Selon A. Murphy [Mur10a] les vitesses dans la zone fondue permettent d’obtenir des températures en surface plus réalistes et donc une meilleure estimation de la pression de vapeur saturante. M. Tanaka et al [Tan10] sont précurseurs dans ce couplage. Leurs travaux en 2D permettent d’étudier l’impact de la nature du gaz sur la production des vapeurs et la forme de la zone fondue. L’équipe suggère la modélisation de plusieurs espèces gazeuses métalliques [Yam08] avant de revenir sur une modélisation à une seule espèce. Contrairement aux autres modèles de dynamique du bain [Cho92b, Kim97, Goo98, Tra11b], le coefficient de Marangoni est pris constant.
En conclusion, à notre connaissance, il n’existe aucun modèle 3D couplant le plasma et la pièce métallique qui résout à la fois la dynamique du bain avec un coefficient de Marangoni variable et la production de vapeurs métalliques. C’est ce type de modèle que nous avons choisi de développer.
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Après avoir décrit quelques techniques expérimentales qui offrent des éléments de confrontations aux modèles, cette partie a listé les principaux modèles de la littérature
scientifique suivant leurs hypothèses et conditions de calcul. Plusieurs orientations ont été dégagées pour caractériser le plasma et/ou le métal dans une configuration d’arc transféré.
Ainsi, l’étude de la colonne d’arc seule est de plus en plus complète et tend vers une description hors-équilibre du plasma. D’autres études s’orientent toujours vers une modélisation seule de la zone de soudage. Ce choix, valable pour certaines configurations, permet l’étude de la déformation des pièces et une description des phénomènes dans le bain avec des temps de calcul réduits. Enfin, une troisième voie s’emploie à étudier l’interaction du matériau avec le plasma. De plus en plus de phénomènes sont pris en compte avec la résolution de la production de vapeurs, la dynamique du bain et parfois même une déformation de la surface du bain.
Nous avons vu que la modélisation couplée entre le plasma et le métal avec une prise en compte de la production des vapeurs métalliques semble être la plus adaptée pour décrire correctement l’interface entre le plasma et le métal.
En complément de l’étude sur les processus physiques menée dans la partie I.2, cette étude a permis de choisir les caractéristiques de notre modèle. Nous synthétisons les hypothèses et les choix de notre modèle dans le chapitre suivant.