Hehn, Olivier (2006) Analyse expérimentale et simulation thermomécanique du soudage bout à bout de tubes de polyéthylène. PhD thesis Sciences et Génie des Matériaux, ENSMP - CEMEF Centre de Mise en Forme des Matériaux, ENSMP.

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Abstract

This work concerns the comprehension and the digital simulation of the thermomechanical phenomena governing the development of the welds during the process of butt fusion welding of polyethylene tubes. This process consists in melting the ends of the tubes and pressing them together to form the weld after the matter is cooled. Butt fusion welding, which seems to be simple a priori, brings in some phenomena interacting ones with the others. Thus, there are strong couplings between thermics, mechanics and phase changes.
This manuscript is composed of three principal parts. Firstly, a complete analysis of the process was carried out. Thus, thermal phenomena occurring during the process, which are the main origins of welding, and displacements of matter, which are responsible for the formation of the weld bead, were studied. The importance of thermal dilatation, in particular during the heating of the matter, but also complicated kinetics of bead formation and thermal phenomena are highlighted (formation of a vertical plane in the bead during heating, importance of the radiation and the convection during tubes heating;).
In a second part, we characterized the matter with an aim of obtaining a digital simulation of the process that is as realistic as possible. The fusion and crystallization laws of polyethylene were given using the Avrami and Ozawa laws. The behaviour of polyethylene in a liquid state, solid state and during the transition were also given. Moreover, measurements of thermal dilatation enthalpy and phase changes were made. Finally, all the stages of the process were simulated using Forge2® software, which is well adapted to the resolution of thermal and mechanical problems responsible for the welds formation. The laws and the parameters obtained in experiments were integrated into the software. The results obtained are very satisfactory, as well from the point of view of thermics as of the matter displacement and the shape of the beads. We have now a better comprehension of butt fusion welding and a first operational tool to simulate the process. Keywords: welding, butt fusion, digital simulation, kinetic of transformation, rheology, coupling

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Chapitre 1: Introduction générale. 1.1 Contexte. 1.2 Le procédé de soudage bout à bout. 1.2.1 Description générale. 1.2.2 Les étapes principales du soudage bout à bout. 1.3 Objectifs de l'étude. Bibliographie. Chapitre 2 - Analyse du procédé de soudage. 2.1 Introduction. 2.2 Le matériau utilisé. 2.3 Les conditions de soudage. 2.4 Le banc de soudage. 2.4.1 Présentation. 2.4.2 Protocole expérimental pour le soudage. 2.5 Mesures réalisées au cours du procédé de soudage. 2.5.1 Principe des mesures. 2.5.1.1 Forme et évolution du bourrelet. 2.5.1.2 Mesures de pression. 2.5.1.3 Mesures de température. 2.5.1.4 Mesures de déplacement. 2.5.2 Résultats et discussion. 2.5.2.1 Forme et évolution du bourrelet. 2.5.2.2 Mesures de pression. 2.5.2.3 Mesures de température. 2.5.2.4 Mesures de déplacement. 2.6 Caractérisation des soudures. 2.6.1 Principe des essais. 2.6.1.1 L'essai dit du "sèche-cheveux". 2.6.1.2 Les essais de DSC. 2.6.2 Résultats et discussion. 2.6.2.1 L'essai dit du "sèche-cheveux". 2.6.2.2 Les essais de DSC. 2.6.3 Les mécanismes de chauffage du tube. 2.6.3.1 Les transferts thermiques. 2.6.3.2 Quelques ordres de grandeur. 2.7 Essais de résistance mécanique des soudures. 2.7.1 L'essai dit "à la virole". 2.7.2 L'essai de fissuration en fluage. 2.7.3 L'essai en pression hydraulique. 2.8 Conclusion. Bibliographie. Chapitre 3 - Caractérisation de la matière. 3.1 Introduction. 3.2 Cinétique de cristallisation. 3.2.1 La cristallisation. 3.2.2 Les modèles de cinétiques de cristallisation. 3.2.2.1 La cristallisation isotherme. 3.2.2.2 La cristallisation à vitesse de refroidissement constante. 3.2.2.3 La loi de cristallisation utilisée pour la modélisation du soudage bout à bout. 3.2.2.4 Validité de la loi de cristallisation. 3.2.3 Détermination expérimentale des paramètres de la loi de cristallisation. 3.2.3.1 Mesures.. 3.2.3.2 Résultats et analyses. 3.2.4 Conclusion. 3.3 Cinétique de fusion. 3.3.1 La fusion. 3.3.2 Le modèle de cinétique de fusion. 3.3.3 Détermination expérimentale des paramètres de la loi de fusion. 3.3.4 Conclusion. 3.4 Rhéologie à l'état liquide. 3.4.1 Principe du rhéomètre. 3.4.2 Détermination de la loi de comportement à l'état liquide du polyéthylène utilisé. 3.4.2.1 Principe des mesures. 3.4.2.2 Loi de comportement. 3.4.2.3 Influence de la température. 3.5 Rhéologie à l'état solide. 3.5.1 Principe des mesures. 3.5.2 Détermination de la loi de comportement à l'état solide du polyéthylène utilisé. 3.5.2.1 Loi de comportement. 3.5.2.2 Influence de la température. 3.6 La transition solide/liquide. 3.6.1 Bibliographie. 3.6.2 Principe des mesures. 3.6.3 Analyse du comportement du matériau au cours de la transition solide/liquide. 3.6.4 Conclusion. 3.7 Etude de la dilatation thermique du polyéthylène. 3.7.1 Les techniques de mesure. 3.7.1.1 Bibliographie. 3.7.1.2 Les techniques utilisées. 3.7.2 Résultats et modélisation de la dilatation thermique. 3.7.2.1 Mesures des évolutions de volume dans les états solide et liquide. 3.7.2.2 Evolution du volume spécifique au cours de la transition solide/liquide. 3.8 Conclusion. Bibliographie. Chapitre 4 - Modélisation et simulation numérique des phénomènes thermo-mécaniques du procédé de soudage bout à bout. 4.1 Introduction. 4.2 Bibliographie concernant la simulation du soudage bout à bout. 4.3 Description du logiciel Forge2® . 4.3.1 Les équations de la mécanique. 4.3.1.1 Equation de continuité. 4.3.1.2 Equation de la quantité de mouvement. 4.3.1.3 Formulation faible du problème mécanique. 4.3.1.4 La compressibilité. 4.3.1.5 La loi de comportement. 4.3.1.6 Discrétisation spatiale par la méthode des éléments finis . 4.3.1.7 L'élément P1+/P1.. 4.3.2 Les équations de la thermique. 4.3.2.1 L'équation de la chaleur. 4.3.2.2 Les conditions aux limites. 4.3.2.3 La méthode Galerkin. 4.3.2.4 Discrétisation spatiale par la méthode des éléments finis. 4.3.2.5 Le choc thermique. 4.3.3 Calcul de thermique asynchrone. 4.4 Géométrie et types de conditions aux limites utilisés pour la simulation. 4.4.1 La géométrie. 4.4.2 Le maillage. 4.5 Modifications apportées à Forge2® pour simuler le soudage bout à bout. 4.5.1 Evolution du taux de phase liquide. 4.5.1.1 Méthode de résolution des lois de transformation de phase. 4.5.1.2 Validation des lois de changement de phase. 4.5.2 Rhéologie de la matière au cours de la transition liquide/solide. 4.5.3 L'enthalpie de cristallisation. 4.6 Conclusion. Bibliographie. Chapitre 5 - Résultats et validation de la simulation numérique. 5.1 Introduction. 5.2 Les observables au cours des simulations. 5.2.1 Les capteurs "virtuels" de température. 5.2.2 Le capteur "virtuel" de déplacement. 5.2.3 Les mesures de la forme et du volume des bourrelets. 5.3 Simulation du procédé de soudage bout à bout. 5.3.1 Les données matériau. 5.3.2 Les conditions aux limites mécaniques. 5.3.2.1 Spécificités des phases d'égalisation et de chauffage. 5.3.2.2 Spécificités de la phase de soudage. 5.3.3 Les conditions aux limites thermiques. 5.3.3.1 Spécificités des phases d'égalisation et de chauffage. 5.3.3.2 Spécificités de la phase de soudage. 5.3.4 Résultats des simulations5.3.4.1 Phases d'égalisation et de chauffage. 5.3.4.2 Phase de soudage. 5.3.5 Conservation du volume global du tube lors des simulations. 5.3.5.1 Conclusion. 5.4 Modification des conditions aux limites. 5.4.1 Les nouvelles conditions aux limites. 5.4.2 Résultats des simulations. 5.4.2.1 Phase de chauffage. 5.4.2.2 Phase de soudage. 5.5 Conclusion. Conclusion générale. Annexe

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