Faculté des Sciences Appliquées Thèse de Doctorat Présentée par Adnen KECHAOU 2013 ...

279 Pages·2013·8.76 MB·French

Faculté des Sciences Appliquées

ETUDE DU SOUFFLAGE MAGNETIQUE DE
L’ARC ELECTRIQUE DE SOUDAGE

Thèse de Doctorat
Présentée par Adnen KECHAOU

Ingénieur de Travaux d’état,
Ingénieur Industriel – Electromécanique,
Ingénieur Civil - Electromécanique Tendance Mécanique,
Maître en Sciences Appliquées - Assemblage et Contrôle des Matériaux,
Spécialiste Européen en Collage,
Ingénieur Soudeur International,

En vu de l’obtention du grade de Docteur en Science de l’Ingénieur

Promoteur: J. Lecomte-Beckers - Université de Liège
Copromoteur: P. Duysinx - Université de Liège

2013
MEMBRES DU JURY

J. Lecomte-Beckers: Promoteur, Université de Liège
P. Duysinx: Copromoteur, Université de Liège
J.F. Debognie: Président, Université de Liège
C. Geuzaine: Membre, Université de Liège
A. Simar: Membre, Université Catholique de Louvain
E. Filippi: Membre, Université de Mons
J.P. Deghay: Membre, CEWAC
Remerciements

A JACQUELINE LECOMTE-BECKERS , Professeur à l’Université de Liège, pour m’avoir
fait l’honneur d’être mon promoteur et qui a eu la lourde tâche de reprendre mon
encadrement. Ses qualités scientifiques, humaines et ses conseils avisés ont été les véritables
catalyseurs de cette thèse. Je lui suis particulièrement reconnaissant pour le travail conséquent
que je lui ai imposé lors de la reprise de la rédaction de ce manuscrit. Pour tout cela je la
remercie vivement.

Aux membres de mon comité de thèse, les professeurs PIERRE DUYSINX, JEAN
FRANCOIS DEBONGNIE et CHRISTOPHE GEUZAINE qui m’ont encouragé à reprendre
et à finaliser mon travail. Je me permets de leur exprimer ma gratitude pour leur vision
critique de mon travail qui fut riche d’enseignements, leur aide à la rédaction de cette thèse,
leurs conseils très appréciés et les renseignements fournis.

Ma pensée pour le regretté WILLY CHAPEAU, mon premier promoteur et initiateur de ma
thèse ainsi qu’à mon professeur BRUNO DEMEESTER, pour la rigueur scientifique qu’ils
ont su me transmettre et grâce auxquels j’ai aimé ce domaine spécial qu’est le monde du
soudage.

Pour PASCAL MAWET directeur du CEWAC, JEAN PIERRE DEGHAYE qui m’a
accueilli dans son laboratoire d’Essais Non Destructifs et tout le personnel du CEWAC, pour
avoir pris de leur temps pour la bonne réalisation des essais expérimentaux.

Je remercie également les membres du Jury de thèse pour leur lecture approfondie de mon
travail.

J’exprime, enfin, toute ma reconnaissance à ma femme, mes enfants et toute ma famille pour
leur aide et compréhension.
Résumé

Les procédés de soudages à l’arc électrique restent les plus largement utilisés en fabrications
soudées. La nature de l’arc électrique rend celui-ci particulièrement sensible aux champs
magnétiques. Les forces électromagnétiques créées par ces champs peuvent être à l’origine de
la déflexion et de l’instabilité de l’arc jusqu'à, dans certaines conditions, éteindre l’arc
électrique. Ce phénomène complexe et imprévisible est connu dans l’industrie sous le
vocable « soufflage magnétique de l’arc ». Il est rencontré surtout sur des matériaux
magnétisables, lors de soudage en fond de chanfrein, en angle et sur les extrémités de pièces
de longues dimensions comme les gazoducs.
Il peut être la cause d’apparition de nombreux défauts et même rendre impossible la
réalisation de l’assemblage. Les conséquences techniques et économiques de l’apparition
d’un tel phénomène peuvent être particulièrement lourdes.
Cette thèse tente d’étudier ce phénomène et de mettre en évidence les différentes causes de
son apparition ainsi que l’étude qualitative et quantitative de l’influence des différents
paramètres impliqués dans le processus.
Face à la pluralité de connaissances requises, une étude bibliographique est d’abord réalisée
dans une première partie. Elle constituera une base de connaissance utile pour les problèmes
étudiés dans ce travail : L’arc électrique de soudage, sa particularité et les phénomènes
électromagnétiques et magnétohydrodynamiques.

Dans une deuxième partie, une étude expérimentale est menée. Des analyses théoriques et
expérimentales ont été présentées pour mettre en évidence le mécanisme de soufflage de l’arc
de soudage. Un programme d’essai a été réalisé pour déterminer les paramètres qui
influencent ce phénomène. Ainsi, on a déterminé qualitativement et quantitativement les
différentes causes du soufflage de l’arc, et on a montré, grâce à des dispositifs expérimentaux
simples, que la position de la masse n’est pas le facteur majeur du soufflage comme présenté
dans la littérature.
Cette étude a permis aussi de montrer une importante variation des forces magnétiques au
cours de l’opération de soudage de la première passe et les passes de remplissage en fonction
de la position de l’arc sur toute la longueur du chanfrein en découplant l’effet de la masse et
celui de la matière magnétique autour de l’arc.
Le travail aborde ensuite la question de déformation de la colonne de l’arc plongé dans un
champ magnétique transversale. Ici encore, les essais pratiques et la modélisation sont
employés de manière complémentaire ce qui a permis de déterminer une relation simple entre
le courant de soudage, la longueur de l’arc et l’intensité du champ magnétique. Une valeur
dite critique du champ magnétique, au-delà de laquelle la qualité du cordon n’est plus
garantie, est proposée.
Une piste également de nature électromagnétique est également suggérée afin de lutter contre
le soufflage de l’arc par l’application d’un contre champ magnétique. L’expérimentation a
montré qu’elle peut être une solution efficace.
Enfin, une application industrielle des champs magnétiques en soudage est proposée en vue
de développer des technologies de soudage innovantes.
Mots-Clés : Soufflage magnétique de l’arc électrique de soudage, arc de soudage, défauts de
soudage, champ magnétique, magnétisme résiduel.

ABSTRAcT

The electric arc welding process is the most widely used in welded fabrications. The nature
of the electric arc makes it particularly sensitive to magnetic fields. Electromagnetic forces
created by these fields can cause deflection and instability of the arc and, under certain
conditions, lead to arc extinguishing. This unpredictable and complex phenomenon is
commonly known in industry as "magnetic arc blow". This latter is encountered mainly on
magnetizable materials during welding chamfer groove, in fillet welding and in extremities
of long dimensions parts such as gaspipelines.
That complex phenomenon can be the cause of appearance of many defects and even makes
the achievement of the assembly impossible. The technical and economic consequences of
such a phenomenon can be particularly severe.
This thesis aims to study this phenomenon and attempts to emphasize the different causes of
its appearance. Furthermore, the present thesis is focused on the qualitative and quantitative
study of the influence of various parameters involved in the process.
Owing to the plurality of knowledge required, a bibliography is first carried out in the first
part. It will be a very useful knowledge base to introduce the different issues studied in this
work : The electric arc welding, its particularity and magnetohydrodynamic electromagnetic
phenomena.
In a second part, an experimental study is conducted. Theoretical and experimental analyzes
have been set out to emphasize the blow mechanism of welding arc. A test program was
conducted to determine parameters which influence this phenomenon. Thus, different causes
of arc blow were qualitatively and quantitatively defined and it has been shown through the
simple experimental devices, that position of the mass is not the major factor in the blow as
presented by literature.
This study also points out a significant variation of magnetic forces during the first pass
welding and filler passes depending on the position of the arc over the entire length of the
chamfer decoupling both mass effect and the mass of the magnetic material around the arc.
The thesis then discusses the deformation of the arc column immersed in a transverse
magnetic field. Here again, trials and modeling are used in a complementary way. which have
identified a basic relationship between the welding current, the arc length and intensity of the
magnetic field. A value called « magnetic field critical value », beyond which cable quality
is not guaranteed, is suggested.
In addition, for the purpose of countering the arc blow, a similar electromagnetic trail with
application of a counter-magnetic field is suggested. Experiment has pointed out that it could
be an efficient solution.
Finally, the present study offers industrial application of magnetic fields in welding to
develop innovative welding technologies.
Keywords : Magnetic arc blow, electric arc welding, weld defects, residuel magnetic in
groove.

TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................. 1
I. INTRODUCTION ......... …………………………………………………………………1
II. CADRE ET OBJECTIF DE L’ETUDE .......................................................................... 2
III. STRUCTURE DE L’EXPOSE ......................................................................................... 3
IV. ETAT DE L’ART DU SOUFFLAGE MAGNETIQUE DE L’ARC ELECTRIQUE
DE SOUDAGE ………………………………………………………………………….6
BIBLIOGRAPHIE……………………………………………… ……………………..23

PARTIE I

1 LE SOUDAGE ………………………………………………………………………..28
1.1 Introduction. ................................................................................................................. 28
1.2 Les procédés de soudage .............................................................................................. 28
1.2.1 Soudage a l’électrode enrobée ............................................................................ 30
1.2.2 Soudage sous protection gazeuse : MIG/MAG .................................................. 30
1.3 Éléments sur les phénomènes physiques du soudage................................................... 32
1.3.1 Effet thermique ................................................................................................... 32
1.3.2 Effets mécaniques du régime thermique ............................................................ 34
1.3.2.1 Les déformations en soudage. ......................................................................... 34
1.4 Les contraintes résiduelles ........................................................................................... 35
1.4.1 Contraintes et déformations dans le sens longitudinal ...................................... 35
1.4.2 Contraintes et déformations transversales ................. Erreur ! Signet non défini.
1.4.3 Effet métallurgique ............................................................................................. 37
1.4.3.1 Introduction à la métallurgie du soudage. ....................................................... 37
1.5 Modifications microstructurales en zone affectée par la chaleur. Conséquences
métallurgiques des cycles thermiques de soudage ..................................................... 38
1.5.1 Température maximale atteinte en zone affectée par la chaleur ........................ 38
1.5.2 Transformations en ZAC lors du chauffage ....................................................... 39
1.5.3 Transformations en ZAC lors du refroidissement .............................................. 40
1.5.4 Phénomènes électromagnétiques et magnétohydrodynamiques......................... 41
1.5.5 Transfert du métal dans l'arc ............................................................................... 42
1.5.5.1 Transfert par court-circuit ............................................................................... 43
1.6 Transfert globulaire ...................................................................................................... 44
1.7 Transfert par pulvérisation axiale (spray) .................................................................... 44
1.7.1 Le transfert à veine liquide rotative .................................................................... 45
BIBLIOGRAPHIE - Chapitre 1……………………………………………………..47

I
2 L'ARC ÉLECTRIQUE ................................................................................................... 48
2.1 Introduction. ................................................................................................................. 48
2.2 La décharge électrique. ................................................................................................ 48
2.2.1 Décharge de Townsend. ..................................................................................... 49
2.2.2 Décharge luminescente. ...................................................................................... 49
2.2.3 Décharge d’arc. Formation de site émissif (spot). .............................................. 50
2.3 Différences de potentiel et courants d’arc. ..................................................................... 50
2.4 Phénomènes aux électrodes. ......................................................................................... 53
2.4.1 La cathode........................................................................................................... 53
2.4.1.1 La tache cathodique. ....................................................................................... 53
2.4.1.2 Emission électronique. .................................................................................... 53
2.4.2 Mouvement de la tache cathodique. ................................................................... 54
2.4.3 Vapeur et jets de plasma. .................................................................................... 55
2.4.4 L’anode. .............................................................................................................. 56
2.4.4.1 La tache anodique. .......................................................................................... 56
2.4.4.2 Chute de tension anodique et densité de courant. ........................................... 56
2.4.4.3 Jets de plasma et de vapeur. ............................................................................ 57
2.4.4.4 Mouvement de la tache anodique. .................................................................. 57
2.5 La colonne de l’arc. .................................................................................................... 57
2.5.1 Généralités. ......................................................................................................... 57
2.5.2 Mécanisme du transfert d’énergie aux particules. .............................................. 57
BIBLIOGRAPHIE - Chapitre 2 ..................................................................................... 59

3 L'ARC ELECTRIQUE DE SOUDAGE ........................................................................ 60
3.1 Introduction. ............................................................................................................... 60
3.2 Procédé de soudage T.I.G........................................................................................... 60
3.2.1 Description générale ........................................................................................... 60
3.2.2 Principe de l'opération. ....................................................................................... 61
3.2.3 Equipements de mise en oeuvre. ........................................................................ 61
3.3 Caractéristiques électriques de l'arc de soudage. ....................................................... 63
3.4 Relation entre la source d'énergie et la caractéristique de l'arc. ................................. 68
3.5 Phénomène cathodique. .............................................................................................. 69
3.5.1 Cathode thermo-ionique. .................................................................................... 69
3.5.2 Cathode non thermo-ionique. ............................................................................. 71
3.6 Phénomène anodique .................................................................................................. 72
3.6.1 Caractéristiques de l'anode. ................................................................................ 72
3.6.2 La balance d'énergie à l'anode. ........................................................................... 75
3.6.3 Profondeur de la zone de la chute anodique. ...................................................... 75
3.7 La colonne de l'arc de soudage ................................................................................... 76
II
3.7.1 Le flux d'énergie dans la colonne de l'arc. .......................................................... 76
3.7.2 La température de la colonne de l'arc ................................................................. 77
3.7.3 L'écoulement de matière dans la colonne de l'arc .............................................. 79
BIBLIOGRAPHIE – Chapitre 3…………………………………………….……..81

4 LES PHENOMENES ELECTROMAGNETIQUES ET
MAGNETOHYDRODYNAMIQUES EN SOUDAGE ................................................ 83
4.1 Introduction. ............................................................................................................... 83
4.2 Phénomènes électromagnétiques. ............................................................................... 83
4.2.1 Les notions fondamentales de l’électromagnétisme. .......................................... 83
4.2.2 Force magnétique. .............................................................................................. 84
4.2.3 Induction électromagnétique et champ magnétique créé par un conducteur
parcouru par un courant. ..................................................................................... 85
4.2.4 La contrainte de Maxwell et forces appliquées sur un élément conducteur. ...... 87
4.2.5 Effet de pincement (the pinch effect). ................................................................ 89
4.3 Phénomènes magnétohydrodynamiques en soudage. ................................................ 91
4.3.1 Introduction. ....................................................................................................... 91
4.3.2 Lois gouvernant l’écoulement de masse dans la colonne de l’arc. ..................... 91
4.3.2.1 Conservation de la masse. ............................................................................... 91
4.3.2.2 Conservation de la quantité de mouvement. ................................................... 92
4.3.3 Détermination de la vitesse de plasma à partir de l’équation de Bernoulli. ....... 94
BIBLIOGRAPHIE - Chapitre 4……………………………………………………..96

5 LES PROPRIETES MAGNETIQUES DES ACIERS DE CONSTRUCTION ........ 97
5.1 Introduction. ............................................................................................................... 97
5.2 Rappel d’électromagnétisme. ..................................................................................... 97
5.3 Les phénomènes magnétiques dans les matériaux. .................................................... 99
5.4 Les phénomènes magnétiques dans les matériaux ferromagnétiques. ..................... 100
5.4.1 Domaines magnétiques. .................................................................................... 100
5.4.2 Phénomènes d’aimantation d’un matériau ferromagnétique. ........................... 100
5.4.3 Propriétés magnétiques des matériaux ferromagnétiques. ............................... 104
5.4.4 Facteurs influençant les propriétés magnétiques. ............................................. 111
5.4.4.1 La température. ............................................................................................. 111
5.4.4.2 Facteurs propres au matériau magnétique..................................................... 113
5.4.4.3 Influence d’un écrouissage. .......................................................................... 118
5.4.4.4 Influence d’un traitement thermique. ............................................................ 120
5.4.5 Les matériaux ferromagnétiques et leur utilisation pratique. ........................... 121
BIBLIOGRAPHIE - Chapitre 5……………………………………………………123

III
PARTIE II

6 ETUDE EXPERIMENTALE ....................................................................................... 125
6.1 Les causes du soufflage magnétique de l'arc. ........................................................... 126
6.1.1 Soufflage de l'arc par les champs magnétiques du courant de soudage. .......... 126
Dispositif expérimental……………………………………………………...128
6.1.1.1 Soufflage de l'arc par un courant additionnel. .............................................. 128
6.1.1.2 Soufflage de l'arc par une variation géométrique de la pièce à souder. ........ 130
6.1.1.3 Soufflage de l'arc par l'inclinaison de l'électrode. ......................................... 132
6.1.1.4 Soufflage de l’arc par la localisation de la masse. ........................................ 134
6.1.1.5 Soufflage de l’arc par l’effet de la largeur de la pièce .................................. 140
6.1.1.6 Soufflage de l’arc par répartition inégale de la matière ferromagnétique autour
de l’arc.……………………………………………………………...............142
Conclusion……………………………………………………………………159

6.1.2 Soufflage de l'arc par des champs magnétiques résiduels. ............................... 160
6.1.2.1 Origine du magnétisme rémanent. ................................................................ 160
6.1.2.2 Intensité et distribution du magnétisme résiduel dans les chanfreins. .......... 165
Conclusion…………………………………………………………………...180

6.2 l’arc de soudage plonge dans un champ magnétique transversal ............................. 182
6.2.1 Introduction ...................................................................................................... 182
6.2.2 Matériel utilisé .................................................................................................. 183
6.2.3 Spécification des conditions opératoires .......................................................... 183
6.2.4 Conception d’outil d’investigation ................................................................... 185
6.2.5 Etude de la déflexion de l’arc ........................................................................... 190
6.2.6 Paramètres gérant le comportement de l’arc dans un ....................................... 193
6.2.6.1 Introduction ................................................................................................... 193
6.2.6.2 Effet de l’intensité de l’induction magnétique .............................................. 193
6.2.6.3 Effet de la longueur de l’arc.......................................................................... 196
6.2.7 Propriétés électriques de l’arc aimanté ............................................................. 201

6.3 Approches de modélisation de la déformation de la colonne de l’arc par un champ
magnétique…………………………………………………………………………211
6.3.1 Approche magnétohydrodynamique................................................................. 211
6.3.2 Approche élastique pour la modélisation de la deformation de la colonne de
l’arc plongé dans un champ magnétique transversal ........................................ 215
6.3.2.1 Données expérimentales ............................................................................... 215
6.3.2.2 Hypothèses .................................................................................................... 215
Conclusion…………………………………………………………………………...228
IV