Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

N°d’ordre : 2278 THESE Présentée pour obtenir le titre de Docteur de l’Institut

N°d’ordre : 2278 THESE Présentée pour obtenir le titre de Docteur de l’Institut National Polytechnique de Toulouse Spécialité Science et Génie des Matériaux Par Cyrille FERDINAND MISE EN OEUVRE ET CARACTERISATION D’ASSEMBLAGES SOUDES PAR PROCEDES TIG ET LASER DE TOLES D’ALLIAGES DE TITANE REFRACTAIRES Soutenue le 9 novembre 2005 devant le jury composé de: Rapporteurs: Y. BIENVENU Professeur, ENS Mines Paris A. VANNES Professeur Emérite, Ecole Centrale Lyon Examinateurs E. ANDRIEU Professeur, INP Toulouse J.C. GANZA Président Directeur Général, Société Exameca T. MASRI Maître de conférence, ENI Tarbes J.A. PETIT Professeur, ENI Tarbes Invité: D. FOURNIER Ingénieur, Société Turboméca 2 Merci beaucoup à ma famille pour leur grand soutien au cours de ces longues études…Cette fois c’est vraiment fini, je ne pourrais pas aller plus loin ! 3 REMERCIEMENTS Ce travail a été effectué au sein de la société Exameca Aéronautique en collaboration avec l’équipe IMF (Interfaces-Matériaux fonctionnels) du laboratoire Génie de Production de l’ENI de Tarbes dans le cadre d’une convention CIFRE. Je tiens tout d’abord à remercier M. Jean-Claude Ganza, Président Directeur Général du groupe Exameca, pour m’avoir accueilli au sein de son entreprise, et m’avoir permis de suivre une expérience très enrichissante dans le milieu industriel. Je remercie également mes directeurs de thèse J-A. Petit et T. Masri pour leurs conseils, leur grande disponibilité (même débordés) tout au long de ce travail et pour m’avoir encouragé avec constance dans les quelques moments de doute et d’incertitude. Un grand merci également à M. Bienvenu (ENSMP) et M. Vannes (ECL) qui ont accepté d’être les rapporteurs de cette thèse et qui ont apporté leur contribution dans la rédaction du rapport final. J’adresse mes remerciements à M. Andrieu, pour avoir présidé mon jury de thèse et à M. Fournier pour sa présence lors de ma soutenance. Malgré la difficulté à concilier les activités industrielles et l’intérêt d’une démarche scientifique, certaines personnes m’ont soutenu tout le long de mon travail de thèse. Pour cela je remercie particulièrement Philipe Yannovitch, avec qui j’ai eu le plaisir de collaborer dans le projet HORTIA, et qui, par son discours posé et réfléchi, m’a permis de mieux appréhender les difficultés du monde industriel. Je remercie également Xavier Pauly, qui par sa grande disponibilité, ses connaissances techniques pluridisciplinaires et ses conseils avisés, m’a permis de faciliter mon intégration au sein d’Exameca et a contribué grandement au bon déroulement de toutes les phases d’essais. Merci aussi à Christophe Saint-Martin qui m’a « initié » au domaine du soudage, domaine inconnu lors de mes débuts dans ces travaux. Un grand merci également aux personnes de l’atelier pour leur gentillesse et leur disponibilité et pour leur aide dans la réalisation des essais de soudage. Je citerai notamment G. Lamazère, O. Lassus-Pommes, Y. Ordano, F. Pommes et G. Pelletier. Enfin remerciements spéciaux envers monsieur Guy Bertrand, qui m’a fait découvrir la soudure par résistance, et avec qui j’ai partagé quelques longs moments à essayer de résoudre les problèmes de soudage à la molette… D’autre part je tiens à remercier l’ensemble du personnel du laboratoire Métallurgie de l’ENI de Tarbes. 4 Tout d’abord merci à son responsable M. Joel Alexis pour son aide précieuse à la rédaction de mon mémoire et à ma présentation de thèse. Je tiens à remercier Mme Denise Adrian, Ingénieur d’études à l’ENIT, pour l’obtention de ces magnifiques observations métallographiques au MEB et ses conseils appréciées pour la résolutions des problèmes de polissage des alliages de titane… Merci à Jean-Denis Beguin, Ingénieur d’études à l’ENIT, pour son soutien à l'analyse des phases par diffraction X, mais également pour son aide si précieuse à surmonter les obstacles aussi bien techniques que scientifiques… Merci aussi aux thésards, Selim et Beñat pour m’avoir supporté lors de mes « intrusions » au laboratoire, et pour l’ambiance de travail exceptionnelle qu’ils ont apporté…Merci également à Gérald pour son aide lors de la réalisation des essais de microtraction. Enfin, je remercierai également Mme M-C. Laffont (CIRIMAT) pour les analyses effectuées au MET, et à qui je dois les nombreux compliments reçus sur la qualité des observations. Merci aussi à l’ensemble des partenaires du projet HORTIA, et plus particulièrement au professeur G. Luetjuring de l’Université d’Hambourg-Harbourg pour sa collaboration aux essais mécaniques, ses conseils avisés, sa disponibilité et l’intérêt porté à mes travaux. Merci également à T. Larrouy (Turbomeca) et P. Corre (Eurocopter) pour leurs éclaircissements sur les alliages de titane et les procédés de soudage. 1 Sommaire INTRODUCTION..................................................................................................................... 4 Chapitre I : CADRE DE L’ETUDE........................................................................................ 7 I.1 LE PROJET HORTIA : DEFINITIONS ET OBJECTIFS.......................................................8 I.2 CONTEXTE DE L’IMPLICATION D’EXAMECA DANS LE PROJET HORTIA ...........11 I.3 SPECIFICITES TECHNIQUES POUR LA REALISATION DE LA MAQUETTE HORTIA ............................................................................................................................................12 I.3.1-Critères de conception........................................................................................................................12 I.3.2-Environnement de fonctionnement de la tuyère HORTIA .............................................................13 I.3.3-Présélection des matériaux.................................................................................................................14 I.3.4-Sélection des procédés d’assemblage.................................................................................................15 I.3.5-Traitement thermique post-soudage .................................................................................................15 I.4 TRAVAUX REALISES PAR EXAMECA DANS LE CADRE DU PROJET HORTIA......16 I.5 APPROFONDISSEMENT DE LA DEMARCHE SCIENTIFIQUE PAR EXAMECA.......17 I.5.1-Intérêts particuliers à HORTIA ........................................................................................................17 I.5.2-Intérêt général.....................................................................................................................................18 Chapitre II: MAITRISE DES PROCEDES DE SOUDAGE.............................................. 20 II.1 GENERALITES.........................................................................................................................21 II.1.1-Méthodes d’assemblage dans les structures aéronautiques...........................................................21 II.1.2-Caractéristiques de la soudure.........................................................................................................23 II.1.2.1-Définition.....................................................................................................................................23 II.1.2.2-Morphologie de la zone de fusion................................................................................................24 II.1.2.3-Processus de solidification des soudures.....................................................................................27 II.1.2.4-Calcul de la vitesse de refroidissement en zone de fusion - modèle de Rosenthal.......................29 II.1.2.5-Effet des paramètres de soudage .................................................................................................30 II.1.3-Qualité des joints de soudure des alliages de titane........................................................................30 II.1.3.1 Absorption des éléments gazeux...................................................................................................31 II.1.3.2 Création des porosités..................................................................................................................31 II.1.3.3 Défauts géométriques...................................................................................................................32 II.2 ETUDE EXPERIMENTALE DES PROCEDES DE SOUDAGE TIG ET LASER............33 II.2.1-Le soudage TIG (Tungsten Inert Gas) des alliages de titane.........................................................34 II.2.1.1-Principe........................................................................................................................................34 II.2.1.2-Paramètres technologiques..........................................................................................................35 o Nature du courant de soudage ....................................................................................................35 o Intensité et vitesse de soudage....................................................................................................37 o Nature de l’électrode ..................................................................................................................38 o Gaz de protection........................................................................................................................38 II.2.1.3-Mise en œuvre des soudures TIG.................................................................................................38 o Moyens utilisés dans le cadre de l’étude ....................................................................................39 o Conformité et exigences qualité .................................................................................................42 o Préparation des éprouvettes........................................................................................................42 o Méthodes et critères de validation des paramètres d’assemblages .............................................43 II.2.2-Le soudage laser des alliages de titane.............................................................................................48 II.2.2.1 Principe du soudage laser............................................................................................................48 II.2.2.2-Les sources laser CO2..................................................................................................................49 II.2.2.3-Influence des paramètres technologiques....................................................................................50 o Puissance et vitesse de soudage..................................................................................................50 o Distance focale et position du point de focalisation ...................................................................51 o Protection gazeuse......................................................................................................................52 o Règles de conception des structures ...........................................................................................52 2 II.2.2.4-Mise en œuvre du soudage laser CO2 ..........................................................................................53 o Dispositif et configuration du soudage.......................................................................................53 o Système de protection gazeuse et bridage ..................................................................................53 o Conformité et exigences qualité .................................................................................................54 II.2.3-Optimisation et mise en œuvre des paramètres de soudage laser .................................................55 II.2.3.1-Optimisation des paramètres de soudage - application à l’alliage de titane β21S......................55 o Intérêt du choix de l’alliage β21S...............................................................................................55 o Plan d’optimisation des paramètres de soudage Laser ...............................................................56 o Assemblage en configuration bord à bord..................................................................................57 o Assemblage par recouvrement de l’alliage de titane beta21S ....................................................65 II.2.3.2-Réalisations des assemblages dans les conditions optimisées.....................................................68 o Observations des cordons de soudures .......................................................................................69 o Validation des résultats obtenus .................................................................................................72 CHAPITRE III : METALLURGIE DU SOUDAGE RELATIONS STRUCTURES/PROPRIETES MECANIQUES............................................................................................................................. 76 III.1 CARACTERISATION DES MATERIAUX UTILISES ......................................................77 III.1.1- Les alliages de titane.......................................................................................................................77 III.1.1.1-Introduction................................................................................................................................77 III.1.1.2 Caractéristiques des alliages de titane.......................................................................................78 III.1.1.3-Classification des alliages de titane ...........................................................................................79 o Les alliages de titane α ...............................................................................................................80 o Les alliages alpha-bêta ...............................................................................................................81 o Les alliages de titane β ...............................................................................................................81 III.1.2-L’alliage de titane Ti6242................................................................................................................82 III.1.2.1-Généralités .................................................................................................................................82 III.1.2.2-Caractéristiques de l’alliage utilisé............................................................................................83 III.1.3-L’alliage de titane Beta-21S............................................................................................................85 III.1.3.1-Généralités .................................................................................................................................85 III.1.3.2-Caractéristiques de l’alliage Beta21S utilisé .............................................................................86 III.1.4-Choix du traitement thermique post soudage ...............................................................................88 III.1.4.1-Effet du traitement thermique sur l’alliage de titane Ti6242......................................................88 III.1.4.1-Effet du traitement thermique sur l’alliage de titane β21S.........................................................89 III.2 ASPECTS METALLURGIQUE DU SOUDAGE .................................................................91 III.2.1-Structure globale de solidification..................................................................................................91 III.2.2- Sous structure de solidification......................................................................................................92 III.2.2.1-Mécanisme de formation ............................................................................................................92 III.2.2.1-Effet de la vitesse de refroidissement..........................................................................................94 III.2.3- Phénomènes de ségrégation dans les cordons de soudure...........................................................94 III.2.3.1- Macroségrégations....................................................................................................................94 III.2.3.2- Microségrégations.....................................................................................................................95 III.3 CARACTERISATION DES ASSEMBLAGES EN TI6242 ET BETA21S.........................96 III.3.1-Caractérisation des assemblages par soudage TIG ......................................................................97 III.3.1.1- Caractérisation à l’état brut de soudage...................................................................................97 o Observation métallographique et analyse chimique...................................................................97 o Essais de microdureté...............................................................................................................105 o Essais de traction transversale à température ambiante............................................................108 o Essais de microtraction en zone de fusion TIG ........................................................................109 o Mesures des constantes élastiques par interférométrie Speckle ...............................................113 III.3.1.2-Caractérisation des soudures TIG après traitement thermique 600°C/8h ...............................119 o Observations métallographiques et analyse chimique..............................................................119 o Essais de microdureté...............................................................................................................130 o Essais de traction transversale à température ambiante............................................................132 o Essais de traction transversale à 600°C ....................................................................................133 o Essais de microtraction des zones de fusion des soudures TIG................................................134 o Essais de fatigue à température ambiante.................................................................................137 I.2.1.3 Synthèse et discussion : Comportement des soudures TIG des alliages Ti6242 et β21S.............142 3 III.3.2-Caractérisation des assemblages par soudage laser....................................................................146 III.3.2.1-Caractérisation à l’état brut de soudage..................................................................................146 o Observation métallographique et analyse chimique.................................................................146 o Essais de microdureté...............................................................................................................154 o Essais de traction transversale à température ambiante............................................................156 o Essais de microtraction en zone de fusion des soudures laser..................................................157 o Mesures des constantes élastiques par interférométrie Speckle ...............................................158 III.3.2.2-Caractérisations des soudures laser après traitement thermique 600°C/8h ............................161 o Observation métallographique et analyse chimique.................................................................162 o Essais de microdureté...............................................................................................................170 o Essais de traction transversale à température ambiante............................................................171 o Essais de traction transversale à 600°C ....................................................................................172 o Essais de microtraction des zones de fusion des soudures laser...............................................173 o Essais de fatigue à température ambiante.................................................................................174 III.3.2.3 Synthèse et discussion: Comportement des soudures laser uploads/Geographie/ ferdinand1-pdf 1 .pdf