Mesure et étude des cycles thermiques à l’interface acier aluminium, démarche expérimentale et simulation

Ce chapitre a pour objectif l’étude et la caractérisation du cycle thermique à l’interface acier/aluminium lors du procédé de soudo-brasage laser à haute vitesse. Les variations du cycle thermique, mesuré par thermocouples et calculé par simulation numérique, en fonction des variables process sont étudiées. Les épaisseurs d’intermétalliques correspondantes sont mesurées pour corroborer le lien entre leur croissance et l’évolution du cycle thermique. Enfin un calcul de croissance des intermétalliques par discrétisation du cycle thermique est mené pour préjuger de l’utilité de l’outil de simulation sur la prédiction des épaisseurs d’intermétalliques. Une analyse critique du modèle est effectuée. La source gaussienne est décalée de 0,6 mm sur l’aluminium reproduisant la valeur optimale de l’alignement fil/faisceau obtenue lors du précédent chapitre. Le courant fil chaud est maintenu à 150 ampères. Pour chaque essai la vitesse robot, la puissance et la vitesse fil sont réglés. Enfin le positionnement des thermocouples est donné pour chaque essai. Dans le cas de l’essai numéro 8 la vitesse fil est augmentée de 1 m/min afin de permettre d’obtenir un cordon continu et présentant le moins de défauts de soudo-brasage possible. Les premiers essais, numérotés de 1 à 5, correspondent à la configuration ayant donné les meilleurs résultats en terme de tenues mécaniques et épaisseurs d’intermétalliques dans le chapitre précédent. Elle servira de référence pour les essais suivants ainsi que d’étude de la répétabilité des cycles thermiques obtenus.

Les influences de la puissance et de la vitesse de soudo-brasage sont alors étudiées successivement et comparées aux résultats de la configuration référence au travers des essais 6 et 7 pour la puissance et 8 pour la vitesse de soudo-brasage. Finalement, un essai destructif est mené en immergeant les thermocouples dans le bain. Toutes les configurations listées sont simulées via SYSWELD, et les cycles thermiques sont comparés à ceux obtenus expérimentalement. Nous retrouvons des courbes aux allures classiques de refroidissement. Les temps de refroidissement sont globalement tous identiques, un décalage de quelques secondes est observé entre les courbes en fonction de leur position dans le cordon. L’amplitude du cycle présente cependant des différences d’un essai à un autre. En effet, 7 courbes sur 15 ont une température maximale supérieure à 100 °C, pour 6 autres courbes celle-ci est comprise entre 80 et 100°C et finalement 2 courbes présentent une température maximale inférieure à 80°C. Ces fortes différences sont attribuées à la précision de la zone de mesure et notamment de la position où est fixé le thermocouple. En comparaison avec les cycles thermiques présentés dans le chapitre 1 et obtenus à faible vitesse de soudo-brasage les temps de refroidissement sont équivalents. Les températures maximales atteintes dans nos expérimentations sont, en revanche, inférieures de 100 à 250°C. Cet écart est à attribué à l’épaisseur de la tôle d’acier et à notre haute vitesse de soudo- brasage qui viennent s’ajouter à la difficulté de positionnement précis des thermocouples. En effet, le passage rapide de la source de chaleur sur la zone de mesure ne permet pas de garantir une diffusion suffisamment élevée de la température dans l’acier pour obtenir une mesure représentative de l’interface acier/aluminium. De plus, l’épaisseur de l’acier, non négligeable à haute vitesse, induit également une diffusion limitée de la température dans le matériau.

La répartition de températures est concentrée du fait du modèle choisi représentatif d’une source laser YAG et non à diodes. Cette information sera à retenir lors de notre analyse et notre comparaison entre les cycles thermiques et les épaisseurs d’intermétalliques simulées et celles obtenues expérimentalement. Dans le cas expérimental la répartition de chaleur sous le spot laser est beaucoup plus homogène, ce qui peut entrainer une température atteinte à l’interface supérieure qu’avec une utilisation de laser YAG. Dans le cadre de l’analyse des mesures par thermocouples, nous avons voulu étudier l’écart de température observable en fonction de la position de mesure sur la surface extérieure de l’acier. La figure IV.3 présente justement la variation de température le long d’une ligne tracée sur cette face. Comme nous pouvons l’observer, de très fortes variations de la température peuvent être obtenues en fonction de la position de mesure. Un écartement de quelques millimètres pouvant engendrer une division par deux de la température. Dans le cas des essais 1, 2, 3, 4 et 5, les thermocouples étaient trop éloignés de la zone de température maximale, ce qui explique les relativement faibles températures maximales mesurées par thermocouples. Nous avons également souhaité quantifier l’écart de température entre l’interface acier/aluminium et la face arrière de l’acier. La figure IV.4 représente l’évolution de la température le long d’une ligne pour les deux faces de l’acier.