A study of the influence of fluid flow in the weld pool on the mecanisms of solidification during welding on Cu30Ni alloy

Les conditions de solidification de la matière au cours d’une opération de soudage sont très particulières. Le phénomène se produit en effet à des vitesses de croissance de grains élevées, en présence de forts gradients de températures, et surtout de forts écoulements dans le bain liquide, qui peuvent modifier les mécanismes de solidification.Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution à la compréhension des couplages pouvant exister entre écoulements et mécanismes de solidification, en relation avec les paramètres de soudages, à l’échelle macroscopique du bain, mais aussi à l’échelle microscopique des grains en cours de solidification.Une étude expérimentale est menée, basée sur l’observation in-situ d’un bain liquide traversant généré sur une tôle mince d’alliage Cu30Ni à l’aide d’une torche de soudage TIG (Tungsten Inert Gas), dans deux configurations :une configuration statique générant un bain de fusion axisymétrique, et une configuration en translation générant une ligne de fusion.Pour chaque configuration, la morphologie du front de solidification et les écoulements autour du front sont observés à l’échelle microscopique à l’aide d’une caméra rapide équipée d’un objectif à fort grossissement.A l’échelle macroscopique, le bain dans son ensemble est observé à l’aide d’une caméra infra-rouge et de deux caméras filmant dans le visible.La première permet d’obtenir le champ de température dans le solide sur la face envers, tandis que les deux autres permettent de déterminer la frontière du bain sur les faces supérieure et inférieure.Les observations synchronisées ont permis d’extraire une grande quantité de données permettant de discuter les interactions entre mécanismes de solidification et écoulements pour plusieurs conditions de soudage.Pour finir, les résultats expérimentaux sont confrontés aux résultats issus de modélisations analytiques et numériques, afin de discuter la validité de ces modèles et de tenter de mieux comprendre les analyses.In welding processes, solidification is very specific. This phenomenon leads to high grain growth rates, in presence of high temperature gradients and strong fluid flows in the liquid, that can change the solidification mechanisms.This work investigates the coupling between fluid flows and solidification mechanisms, related to welding parameters, at weld pool scale (macroscale) and at grains scale (microscale).An experimental study is carried out, based on in-situ observations of a fully penetrated weld pool, generated on a thin Cu30Ni plate with a GTAW torch in two configurations :a static configuration generating an antisymmetric weld pool and a translating configuration generating a weld bead.For each configuration, the solidification morphology and the fluid flows in the solidification front area are observed at microscopic scale, with a high speed camera coupled with a high magnification lens.At macroscopic scale, the whole weld poll is observed with an infra-red camera and two cameras in visible range.We can then obtain on one hand the temperature field on the bottom of the plate and on the other hand the weld pool boundaries on the top and the bottom of the plate.The synchronised observations give access to an important quantity of data allowing the discussion of the interactions between solidification mechanisms and fluid flows for several welding conditions.Finally, the experimental results are compared to theoretical results obtained from analytical and numerical simulations, in order to discuss the possible limitations of models and try to better understand the analysis