Brevet FR2878774A1 — publié le 20060609

PROCEDE POUR DETERMINER L'ANGLE D'OUVERTURE D'UN CHANFREIN DE SOUDAGE ETROIT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un procédé d'optimisation de l'angle d'ouverture d'un chanfrein étroit pour la réalisation d'un assemblage par soudage entre une première et seconde pièces, une torche de soudage fournissant la chaleur et la matière permettant de remplir le chanfrein et provoquant l'apparition d'un bain de soudage qui réalise l'assemblage, le procédé utilisant un modèle mathématique représentant l'apport de chaleur de la torche de soudage. Il est connu de réaliser un assemblage de pièces soudées, par exemple des tubes ou des plaques, comportant un chanfrein étroit ayant des parois resserrées, chacune des faces de ce chanfrein faisant un angle sensiblement égal à 3 avec le plan de symétrie médian de l'assemblage des pièces. A titre d'exemple, le document Mise en uvre du procédé de soudage TIG orbital avec chanfrein étroit (Souder, mars 1993, n 2) décrit un procédé TIG orbital à chanfrein étroit (TOCS) développé en vue d'assembler par soudage les tuyauteries primaires des chaudières PWR. Dans un soudage à chanfrein étroit, le rapport de la profondeur du chanfrein à sa largeur, rapport appelé facteur de forme, est de l'ordre de 10. Ce type de chanfrein s'oppose aux chanfreins en V larges traditionnels dans lesquels le facteur de forme est typiquement compris entre 1 et 3. Les avantages du soudage en chanfrein étroit sont importants. Comme le chanfrein est étroit, son volume est nettement inférieur à celui d'un chanfrein large. En conséquence, la quantité de métal à déposer diminue dans les mêmes proportions. Il en résulte à la fois une économie de métal d'apport, d'énergie et un gain de temps pour la dépose du métal. Dans un chanfrein en V ouvert, la largeur du chanfrein varie de manière importante du début à la fin de la soudure. En conséquence, le nombre de passes à prévoir pour remplir ce chanfrein augmente du talon de soudure à la fin de la soudure. Au contraire, dans un chanfrein étroit, la largeur du chanfrein reste sensiblement constante de telle sorte que le nombre de passes, par exemple une ou deux, reste lui aussi constant. Il en résulte une amélioration de qualité métallurgique de la soudure. Enfin, la fiabilité est améliorée parce que la plupart des paramètres opératoires restent identiques du début à la fin du soudage, à l'exception des passes de racine et de finition. Toutefois, une difficulté d'exécution d'une soudure en chanfrein étroit provient du resserrement du chanfrein en cours de soudage. En effet, au cours du remplissage, sous l'effet de l'apport de chaleur du procédé, l'assemblage est sujet au développement de contraintes et de distorsions. Ces distorsions cumulées à chaque passe se traduisent par un resserrement du chanfrein qui dépend des pièces à assembler (dimensions, matériau, etc), du procédé et de ses conditions de mise en oeuvre. Il est par conséquent nécessaire de compenser ce resserrement en prévoyant un angle initial d'ouverture entre les deux parois opposées du chanfrein de manière à garantir une largeur en fond de chanfrein à peu près constante à chaque couche du début à la fin du procédé. Afin de prédire correctement les effets mécaniques liés à une opération de soudage, il est nécessaire de connaître l'apport de chaleur pour un procédé de soudage et des conditions opératoires données. Or, l'apport de chaleur est le résultat complexe d'une transformation partielle de l'énergie fournie par la tête de soudage en énergie thermique dans l'assemblage. Les mouvements de convection induits par le gradient thermique (poussée d'Archimède et force thermo-capillaire) par les forces Lorentz et de poussée d'arc (procédé arc), par la pression de recul (procédé à haute densité d'énergie) redistribuent dans l'assemblage l'énergie provenant de la tête de soudage. Ainsi, compte tenu du fort couplage existant entre les forces électromagnétiques, les changements d'états, les écoulements de fluides (gazeux et liquides) de nature laminaire et/ou turbulent, la modélisation des différents phénomènes physiques intervenant dans le procédé de soudage est très complexe. Il n'existe pas actuellement de code de calcul métier capable de prendre en compte ces différents couplages et permettant d'aboutir directement au calcul de la distorsion des pièces assemblées. La valeur de l'angle optimal peut être obtenue en pratique en réalisant une campagne d'essais sur des maquettes de qualification en faisant varier l'angle du chanfrein pour des conditions opératoires sélectionnées au regard de la qualité de la soudure et de la productivité souhaitée. Ce processus est long, coûteux, et valable exclusivement pour la configuration considérée. C'est pourquoi, afin de réduire les coûts, on a développé des simulations de soudage utilisant des logiciels de calcul faisant appel à la méthode des éléments finis. On citera par exemple le logiciel métier SYSWELD de la société ESI. Les procédés de simulation du soudage actuellement connus concernent principalement des modèles de comportement métallurgiques et mécaniques. Pour utiliser ce modèle de calcul, il est nécessaire de disposer d'un modèle prédictif représentant l'apport de chaleur du procédé en chanfrein étroit dont les coefficients sont dépendant des paramètres opératoires afin d'utiliser ce chargement dans les calculs thermo- métallurgiques et mécaniques simulant le resserrement du chanfrein pour les conditions opératoires et les géométries du chanfrein à analyser. Il existe des approches bi-dimentionnelles (2D) simulant une coupe transversale du chanfrein. Ces approches ne permettent pas de prendre en compte les transferts thermiques dans la direction de progression de la torche de soudage. Elles sont peu pertinentes pour les calculs de distorsions. En vue de calculer le champ de température d'un assemblage soudé, une approche couramment utilisée en modélisation tridimentionnelle introduit le concept de source volumique apparente, en postulant a priori une fonction mathématique pour la distribution dans le bain de soudage de la puissance thermique provenant du procédé (distribution gaussienne volumique dans un double ellipsoïde ou hyperboloïde, distribution surfacique). Le champ de température s'obtient alors en résolvant un problème de conduction non linéaire dans les pièces à assembler. Le document [1] décrit un modèle thermique dans le cas d'un soudage d'un tube en chanfrein classique en V ouvert représentant l'apport thermique de la torche sous la forme d'un flux uniforme sur demi- disque en fond de chanfrein. Les calculs utilisent une modélisation aux éléments finis en formulation lagrangienne, c'est-à-dire liée au référentiel de l'observateur. Dans le cas du soudage d'un tube en chanfrein étroit, un modèle thermique représentant l'apport de chaleur du procédé de soudage sous la forme d'une source volumique hémisphérique à distribution gaussienne dans un bain à laquelle est ajoutée une source à distribution gaussienne à la surface du bain est décrit dans le document [2]. Les calculs utilisent une modélisation aux éléments finis en formulation lagrangienne. Dans le cas d'une plaque soudée en chanfrein étroit, un modèle thermique représentant le procédé sous la forme d'une source ponctuelle à la surface du bain est décrit dans le document [3]. Les calculs utilisent une solution analytique en formulation eulérienne, c'est-à-dire liée au référentiel de la tête de soudage. Ces approches connues ramènent l'interaction physique entre la tête de soudage et l'assemblage à une redistribution de l'énergie uniquement dans le bain fondu. Elles ne peuvent pas répondre au problème de la représentation de l'apport de chaleur dans un chanfrein étroit. En effet, dans un tel soudage, les phénomènes physiques mis en jeu lors de la transformation de l'énergie électrique en énergie thermique se trouvent confinés dans un espace élancé et étroit. Une partie non négligeable de l'énergie de la tête de soudage est transmise aux parois solides du chanfrein. Plus encore, pour optimiser le calcul du chanfrein étroit, les conditions aux limites thermiques doivent être directement reliées aux paramètres opératoires de soudage car le resserrement du chanfrein est dû au chargement thermique qui dépend des conditions opératoires. En effet, si l'on veut paramétrer le calcul du resserement du chanfrein en fonction des paramètres opératoires de soudage, il suffit de paramétrer le chargement thermique, source des distorsions et des contraintes résiduelles dans l'assemblage. On dispose ainsi d'un calcul thermique métallurgique et mécanique dont les variables sont les paramètres opératoires de soudage. L'invention a précisément pour objet un procédé d'optimisation de l'angle d'ouverture d'un chanfrein qui propose un modèle mathématique de l'apport de chaleur de la torche de soudage qui prend en compte la répartition de l'énergie dans chanfrein étroit. Conformément à ce procédé, le modèle mathématique impose un chargement thermique sur le bain de soudage et sur les parois du chanfrein. Avantageusement, le modèle mathématique de l'apport de chaleur considère une source volumique pouvant se dégénérer en une source surfacique qui est injectée dans le bain de soudage, source à laquelle le modèle mathématique superpose un chargement thermique qui prend en compte les effets de confinement du chanfrein. Dans une variante, le modèle mathématique définit une distribution de flux de chaleur sur la paroi du chanfrein au voisinage de la tête de soudage. Dans une autre variante, le modèle mathématique identifie le flux thermique échangé à la paroi du chanfrein avec une loi d'échange du type h(T)x[T-Ti(a)] où h(T) est un coefficient d'échange thermique fonction de la température, Ti une température équivalente du milieu dépendant de la position angulaire circonférentielle de la torche de soudage dans le chanfrein. Ainsi, selon que la température de paroi est supérieure ou inférieure à la température du chanfrein, le flux échangé est un apport ou une déperdition de chaleur. La représentation d'apport d'énergie tenant 30 compte du confinement du chanfrein est indépendante de son angle d'ouverture. L'invention concerne également un procédé d'optimisation de l'angle de l'ouverture d'un chanfrein de soudure étroit ayant des parois resserrées d'une première et d'une seconde pièce au moyen d'une torche de soudage qui réalise un apport de chaleur qui provoque l'apparition d'un bain de métal fondu dans lequel: on définit un modèle mathématique de l'apport thermique ayant des coefficients qui sont des fonctions des paramètres opératoires du soudage. Dans cette étape connue du procédé, on peut expliciter les coefficients du modèle d'apport de chaleur en fonction des paramètres opératoires de soudage (surface de réponse). La surface de réponse choisie a priori définit un nombre d'essais de soudage à réaliser sur un chanfrein figé mais compris entre 1 et 5 . On applique par exemple la méthodologie classique des plans d'expériences. Les plans d'expériences sont des méthodes couramment utilisées dans le milieu industriel. Une référence possible est celle des techniques de l'ingénieur Modélisation par les plans d'expériences, Jacques Goupy, R 275, techniques de l'ingénieur . Selon l'invention: - le modèle mathématique de l'apport thermique impose un chargement thermique sur le bain de soudage et un chargement thermique sur les parois du chanfrein; - on réalise des opérations de soudage sur 30 une série de maquettes réelles des pièces à souder pour une plage de conditions opératoires, l'angle du chanfrein restant fixe, chaque maquette étant équipée d'instruments de mesure des températures et des dimensions du bain pour en déduire des valeurs de l'apport de chaleur pour chaque essai; - on détermine les coefficients du modèle pour chaque opération de soudage réelle; - on réalise des simulations numériques et thermomécaniques de maquettes de qualification virtuelles pour une plage d'angles d'ouverture de chanfrein et pour la plage de conditions opératoires définie précédemment, et utilisant, pour simuler l'apport de chaleur pour chaque maquette de qualification, en calculant les coefficients du modèle d'apport de chaleur déterminés en utilisant la surface d'apport; au vu des résultats des simulations numériques, on sélectionne les paramètres opératoires et l'angle de chanfrein à retenir pour l'opération de soudage sur les pièces réelles. Avantageusement: on définit la configuration de soudage pour laquelle le dessin du chanfrein est à optimiser; on sélectionne la gamme de paramètres opératoires; - on choisit une correspondance entre les coefficients du modèle représentant l'apport de chaleur et les paramètres opératoires de soudage, cette correspondance définissant un nombre d'inconnues à identifier; 25 on définit un plan d'expériences pour identifier les inconnues au moyen d'un nombre optimal d'essais de soudage instrumentés; on analyse la sensibilité de la réponse thermique simulée aux différents coefficients du modèle représentant l'apport de chaleur et on définit l'instrumentation optimale pour identifier les coefficients du modèle représentant l'apport de chaleur; on réalise des essais de soudage instrumentés; - on identifie les coefficients du modèle représentant l'apport de chaleur pour chaque essais instrumentés; on identifie les inconnues de la correspondance entre les coefficients du modèle représentant l'apport de chaleur et les paramètres opératoires de soudage; - on réalise un essai de validation de la correspondance entre les coefficients du modèle représentant l'apport de chaleur et les paramètres opératoires de soudage; on définit un plan d'expériences numériques destinées à relier le resserrement intercouche du chanfrein à l'angle initial du chanfrein et aux conditions opératoires; - on sélectionne l'angle du chanfrein et les conditions opératoires qui produisent une largeur de cordon uniforme sur la hauteur du joint soudé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures: - la figure 1 est une vue en coupe illustrant un procédé de soudure en chanfrein étroit; - les figures 2 et 3 illustrent le resserrement d'un chanfrein étroit; - la figure 4 est un schéma de flux uniforme sur un demi-disque en fond de chanfrein en V ouvert; - la figure 5 est un exemple de la modélisation de l'apport de chaleur en chanfrein étroit conforme à la présente invention. Sur la figure 1, les pièces à assembler sont constituées par un premier tube 2 et un deuxième tube 3 d'axe X. Les tubes 2 et 3 sont disposés bout à bout. Dans l'exemple, l'épaisseur de paroi des tubes 2 et 3 est comprise entre 70 et 85 mm. Chaque tube comporte un chanfrein 4 dont l'angle d'ouverture par rapport à un plan perpendiculaire l'axe X est typiquement de 2 à 3 . La largeur du chanfrein est typiquement comprise entre 7 et 11 mm. Le chanfrein ne s'étend pas sur toute l'épaisseur des tubes, mais laisse subsister un talon de matière 9 à la partie inférieure du chanfrein. Une passe de pénétration est réalisée en TIG automatique puis on procède au remplissage du chanfrein en réalisant une ou deux passes par couche au moyen d'une torche 8 qui provoque l'apparition d'un bain de métal liquide 7. Les figures 2 et 3 illustrent le resserrement du chanfrein. Sur la figure 2 l'angle 10 d'ouverture du chanfrein est de 2 à 3 . Après exécution de la soudure, comme représenté sur la figure 3, les deux parois du chanfrein 4 sont parallèles. La figure 4 illustre un modèle mathématique représentant l'apport de chaleur d'une torche de soudage dans un procédé de l'art antérieur. Dans ce procédé, le chanfrein est un chanfrein ouvert présentant un angle important, par exemple 20 à 30 . Le modèle mathématique représente la source de chaleur sous la forme d'un demi-disque 14 en fond de chanfrein 12. Le modèle mathématique considère que la source de chaleur surfacique 14, ainsi que la source symétrique (non représentée) située sur l'autre chanfrein, est distribuée uniquement dans le bain fondu. Une telle approche ne répond pas au problème de la représentation de l'apport de chaleur dans un chanfrein étroit tel que représenté sur la figure 1 dans lequel l'énergie thermique est confinée dans un espace étroit. On a représenté sur la figure 5 une représentation schématique d'un exemple de modèle mathématique d'une source de chaleur en chanfrein étroit conforme à l'invention. Dans ce modèle, l'apport de chaleur considère une source volumique 16 pouvant se dégénérer en une source surfacique. La source 16 est injectée dans le bain de soudage. En d'autres termes, le modèle mathématique considère que l'énergie thermique émise par la source 16 est entièrement absorbée par le bain de métal liquide. A la source volumique 16, le modèle mathématique superpose un chargement thermique qui prend en compte les effets de confinement du chanfrein. Dans l'exemple de la figure 5, ce chargement thermique 18 est une source surfacique rectangulaire. La source 18 est injectée entièrement sur la paroi du chanfrein 4. Evidemment, une source symétrique 18 est injectée dans la paroi du chanfrein opposé. Selon l'invention, la simulation est effectuée dans un repère lié à la torche en supposant que la matière (les tubes à souder) défile et non que la torche se déplace autour du tube. Cela suppose un régime thermique établi. Ce type d'approche permet un gain de temps de calcul d'au moins un facteur 10. Références [1] T. Yokogawa, T. Ohji, Y. Hirata, F. Miyasaka, T. Masutani-Mathematical modelling of circumferential CTA welding of pipes with single V grove- Welding International, 1999 13 (5) 360-367. [2] M.Li, D.G. Atteridge, L. L Meekisho, S.L. WEST-A 3 D finite element analysis of temperature and stress fields in girth welded 304L stainless steel pipe-Trends in Welding research, proceedings of the 4th international c:onference, 5-8 june, 1995, Gatlinburg, Tennessee. [3] J. Senk, A. Martinak-Mathematical simulation of thermal cycles in the heat affected zone in narrow gap welding-Welding International, 1992 6 (8) pp 654-660. REVENDICATIONS 1. Procédé d'optimisation de l'angle d'ouverture d'an chanfrein de soudage étroit pour la réalisation d'un assemblage par soudage entre une première et une seconde pièces, une torche de soudage fournissant la chaleur et la matière permettant de remplir le chamfrein et provoquant l'apparition d'un bain de soudage qui réalise l'assemblage, le procédé utilisant un modèle mathématique représentent l'apport de chaleur de la torche de soudage (8), caractérisé en ce que le modèle mathématique impose un chargement thermique (16) sur le bain de soudage et un chargement thermique (18) sur les parois (4) du chanfrein. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle mathématique de l'apport de chaleur considère une source volumique (16) qui est injectée dans le bain de soudage (7), source à laquelle il superpose un chargement thermique (18) qui prend en compte les effets de confinement du chanfrein. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le modèle mathématique définit une distribution de flux de chaleur (18) sur la paroi (4) du chanfrein au voisinage de la tête de soudage (8). 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le modèle mathématique identifie le flux thermique échangé à la paroi (4) du chanfrein avec une loi d'échange thermique du type h(T)x[T-Ti(a)] où h(T) est un coefficient d'échange thermique en fonction de la température, Ti une température équivalente du milieu dépendante de la position angulaire circonférentielle a de la torche (8) dans le chanfrein. 5. Procédé d'optimisation de l'angle de l'ouverture d'un chanfrein de soudage étroit ayant des parois resserrées d'une première et d'une seconde pièce (2, 3) au moyen d'une torche de soudage (8) qui réalise un apport de chaleur qui provoque l'apparition d'un bain de métal fondu (7) dans lequel: on définit un modèle mathématique de l'apport thermique ayant des coefficients qui sont des fonctions des paramètres opératoires du soudage, caractérisé en ce que. le modèle mathématique de l'apport thermique est conforme à l'une des revendications 1 à 4; - on réalise des opérations de soudage sur une série de maquettes réelles des pièces à souder pour une plage de conditions opératoires, l'angle du chanfrein restant fixe, chaque maquette étant équipée d'instruments de mesure des températures et des dimensions du bain pour en déduire des valeurs de l'apport de chaleur pour chaque essai; - on détermine les coefficients du modèle pour chaque opération de soudage réelle; - on réalise des simulations numériques et thermomécaniques de maquettes de qualification virtuelles pour une plage d'angles d'ouverture de chanfrein et pour la plage de conditions opératoires définie précédemment, et utilisant, pour simuler l'apport de chaleur pour chaque maquette de qualification, en calculant les coefficients du modèle d'apport de chaleur déterminés en utilisant la surface d'apport; au vu des résultats des simulations numériques, on sélectionne les paramètres opératoires et l'angle de chanfrein à retenir pour l'opération de soudage sur les pièces réelles. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que. on définit la configuration de soudage 10 pour laquelle le dessin du chanfrein est à optimiser; on sélectionne la gamme de paramètres opératoires; - on choisit une correspondance entre les coefficients du modèle représentant l'apport de chaleur et les paramètres opératoires de soudage, cette correspondance définissant un nombre d'inconnues à identifier; on définit un plan d'expériences pour identifier les inconnues au moyen d'un nombre optimal d'essais de soudage instrumentés; - on analyse la sensibilité de la réponse thermique simulée aux différents coefficients du modèle représentant l'apport de chaleur et on définit l'instrumentation optimale pour identifier les coefficients du modèle représentant l'apport de chaleur; on réalise des essais de soudage instrumentés; - on identifie les coefficients du modèle représentant l'apport de chaleur pour chaque essais instrumentés; on identifie les inconnues de la correspondance entre les coefficients du modèle représentant l'apport de chaleur et les paramètres opératoires de soudage; on réalise un essai de validation de la correspondance entre les coefficients du modèle représentant l'apport de chaleur et les paramètres opératoires de soudage on définit un plan d'expériences numériques destinées à relier le resserrement intercouche du chanfrein à l'angle initial du chanfrein et aux conditions opératoires on sélectionne l'angle du chanfrein et les conditions opératoires qui produisent une largeur 15 de cordon uniforme sur la hauteur du joint soudé.