Correlation between interpreted anomalies and nearby structures

La force de Marangoni est une force surfacique qui a son origine au niveau moléculaire. Elle pourrait être considérée comme une force de cisaillement (et donc incluse dans le tenseur des contraintes visqueuses à la surface) mais fera l’objet d’une description à part dans cette section. Nous présentons d’abord l’origine de cette force, son effet sur le bain métallique et enfin l’influence de certains éléments composant le métal.

Origine de la force de Marangoni

Une particule au sein d’un liquide est en interaction avec les autres éléments à travers les forces intermoléculaires (de type Van der Walls). Dans le volume, ces forces sont isotropes mais elles sont absentes à l’interface. Il en résulte une force dirigée vers le liquide qui modifie la forme de l’interface entre les deux milieux. Ce phénomène explique la forme sphérique d’un liquide en apesanteur ou encore l’étalement partiel d’une goutte d’eau sur une surface1

. Cette force par unité de surface (notée et exprimée en N.m-1

) est nommée tension de surface ou tension superficielle. La nature du matériau et la température influent sur sa valeur. Par exemple, J. Brillo et I. Egry [Bri05] ont mesuré la tension de surface pour des systèmes Cu-Ni-Fe. Dans ces travaux où les concentrations en éléments dits actifs (oxygène, soufre, sélénium ou tellure) ne sont pas considérées, la dérivée seconde en température de la tension de surface est nulle. A l’inverse P. Sahoo et al [Sah88] démontrent que la dérivée seconde n’est pas nulle lorsque des mélanges de métaux purs avec les éléments actifs sont considérés. Y. Su et al [Su05] fournissent le même type de résultat pour des aciers inoxydables où la concentration de soufre est prise en compte. L’importance des éléments tensioactifs (ou « tensionocifs ») et leur nature a bien été détaillée dans les travaux de thèse de N. Perry [Per00] ou encore dans l’article de K. C. Mills et B. J. Keene [Mil90]. Le formalisme mathématique permettant de calculer les valeurs de tension de surface est présenté dans la partie II.1.

Le gradient de tension de surface entraîne une force supplémentaire tangente à la surface (parfois qualifiée de phénomène thermocapillaire) qui est dirigée des régions à faible valeur de tension superficielle à des régions à haute valeur de tension superficielle. Cette force éponyme de C. Marangoni est donc à l’origine d’un mouvement convectif parallèle à la surface. La force de Marangoni n’est donc pas réellement une force mais elle correspond à la résultante de la différence de tension de surface.

Effets dans la zone fondue

La figure I.2.6 illustre les effets possibles de la force de Marangoni dans un contexte de soudage horizontal. On distingue classiquement trois cas [Mil98] :

(a) La tension de surface diminue avec la température et sa dérivée seconde en température est nulle. La zone centrale du bain étant plus chaude, la valeur de la tension de surface au centre du bain est inférieure à celle sur le bord du bain. En surface, il y a donc un mouvement de convection du centre du bain vers la périphérie. Cette convection induit un mouvement inverse dans le volume du bain.

(b) La tension de surface augmente avec la température et sa dérivée seconde en température est nulle. Les mouvements générés sont à l’inverse de ceux du cas (a). (c) La tension de surface augmente avec la température puis diminue. Sa dérivée seconde

en température n’est pas nulle. Il y a un double effet au niveau de la zone fondue : proche du centre le fluide est déplacé vers la périphérie ; proche de la périphérie, il est déplacé vers le centre. Il y a donc deux vortex différents dans la zone fondue.

Éléments actifs du métal

Plusieurs études numériques et expérimentales ont caractérisé l’influence de la concentration d’éléments actifs sur la force de Marangoni et donc sur la forme du bain :

 Variation de concentration induite par la nature du gaz. Dans une configuration de soudage TIG, S. Lu et al [Lu08] ont expérimentalement modifié l’effet Marangoni en

I.2. Aspect physique de l’interaction arc-matériau

mélangeant du CO2 à de l’hélium pur. Lorsque le pourcentage de CO2 augmente dans

le plasma, la concentration d’oxygène dans le bain de soudage augmente par absorption à la surface. Pour l’acier inoxydable AISI 304 de leur étude, la concentration d’oxygène dans la zone fondue passe ainsi d’une vingtaine de ppm à près de 120 ppm lorsque le pourcentage de CO2 augmente de 0,1 à 1% dans le gaz de

protection. Le rapport profondeur/largeur de la zone fondue augmente brutalement de 0,5 à 0,95 au-delà de 0,4% de CO2 dans le gaz. Selon les auteurs ce changement

brusque de géométrie correspond à un changement de la force de Marangoni. Avant la concentration critique de CO2, la force de Marangoni crée des mouvements du centre

vers la périphérie (cas de la figure 2.6 (a)). La largeur est importante donc le rapport profondeur/largeur est faible. Au-delà de la concentration critique, la force de Marangoni crée des mouvements de la périphérie vers le centre (cas de la figure 2.6 (b)). La profondeur est plus importante donc le rapport plus grand.

 Variation de la concentration par dépôt de flux à la surface. A. Berthier et al [Ber12] se sont intéressés à l’influence de l’effet Marangoni dans une configuration de TIG activé. En déposant des revêtements de TiO2, Cr2O3 ou de K2Cr2O7 avant le soudage,

les auteurs ont mis en évidence l’inversion du gradient de tension de surface. Lorsque le flux est déposé en surface, la force de Marangoni crée une convection de la périphérie au centre du bain alors que sans flux, la convection est inverse.

 Variation de la concentration induite par la nature de la pièce métallique. Dans leur modèle numérique de soudage TIG, W. Dong et al [Don10] ont utilisés des métaux avec différentes concentration d’oxygène. Ils ont identifié une concentration critique d’oxygène dans la zone fondue d’un acier inoxydable AISI 304 qui modifie la force de Marangoni. Cette valeur est comprise entre 50 et 130 ppm pour un arc d’argon avec une distance inter-électrode de 3 mm et une intensité de 160 A.

Ces travaux montrent que de faibles variations de concentration d’éléments actifs peuvent modifier la force de Marangoni, les mouvements convectifs dans le bain de soudage, et in fine les dimensions géométriques de la soudure.

Par ailleurs, pour un arc dans l’argon avec I=120 A et d=2 mm, W. Kim et al [Kim97] placent la prédominance de l’effet Marangoni en deuxième position derrière les forces de pression de l’arc. Pour d’autres configurations, l’effet Marangoni est la force majoritaire. Nous prenons donc en compte cette force dans le modèle physique.