Principe du soudage

LTA – Laboratoire des Technologies d’Assemblage 1

« Soudage : opération consistant à réunir deux ou plusieurs parties constitutives d’un

assemblage de manière à assurer la continuitéentre les parties assemblées, soit par

chauffage, soit par intervention de pression, soit par l’un et l’autre, avec ou sans emploi

d’un produit d’apport dont la température de fusion est du même ordre de grandeur que

celle du matériau de base. »

Principe du soudage


Préparation des chanfreins - remplissage


De nombreux procédés

• FSW

• TIG

• MIG/MAG

• EBW

• Laser

• …

• Quelques vidéos


Liaison hétérogéne FE

Exemples d’assemblages

Acier type 16 MND5

épaisseur 250 mm

2 mm

FE

AcierInoxydableAISI 304L

Cuivre


Phénoménologie du soudage


Physique Arc - Bain


Transferts d’énergie dans le bain liquide :un « filtre » matériau


Zone pâteuse - Solidification

sol soudV V cosα=

•Croissance en épitaxie depuis la ZAT

•Croissance préférentielle (sélective) selon le

gradient thermique

•Ségrégation maximale selon l’axe du cordon

•Risque de fissuration à chaud selon les alliages

•ZF Axe cordon ouverture des dendrites

•ZAT liquation réaffectation thermique

multipasse, réparation


Zone affectée thermiquementchauf 100 Kst

θ∂≈

∂ref 10 Kst

θ∂≈ −

∂Transformation au chauffageausténitisation (partielle ou totale)croissance des grains, dissolution

Transformation au refroidissementausténite -> ferrite – perlite - cémentiteausténite -> bainiteausténite -> martensite


Contraintes résiduelles

Y

Les contraintes résiduelles sont auto-équilibrées et résultent principalement :• du bridage effectué par les parties froides sur les parties qui s’échauffent mais plus

généralement de l’existence de gradients de température (il y a plastification)• des changements de volume liés aux transformations métallurgiques• des différences de coefficients de dilatation


Distorsions


Enjeux - Besoins

• Enjeux de la SN&MS :– dimensionner avec prise en compte de la soudure dès la conception (→ durée de vie,

stratégie de soudage),– prédiction des défauts de soudages, soudabilité,– augmenter la fiabilité des jonctions soudés,– remplacer/compléter experts et expériences,– réalité augmentée (« visuel », 3D, 4D) → accès au non observable directement, à la

prédiction, évolution temporelle– concrétisation d’idées inactualisées (matériau, structure … non encore existant) →

créativité,– réalisation de l’impossible pratique → Orienter, « exhaustiver » le travail du

fabricant.

• Pour y arriver la SN&MS à besoin de :– capacité de calcul et de modélisation (accroitre la puissance des ordinateurs et la

communauté de la SN&MS) → fédérer, diffuser, construire un attracteur → projet, colloque, groupe de travail scientifique et technique, vitrine

– moyens expérimentaux dédiés(outils d’observations (capteurs, caméras, CND, DRX,…) et d’essais de validations),

– standards pour les mesures (contraintes résiduelles, thermique) et pour les simulations → round robin et benchmark,

– …


Fissuration à ChaudCritères thermomécaniques - domaine de fissuration-transposition de critères-

Optimisation du design des tests usuels

BTRTinf Tsup

εc

fissuration

température

e*

fissuration

Pas de fissuration

ecrit(T)

BTRTinf Tsup

εc

fissuration

température

e*

fissuration

Pas de fissuration

ecrit(T)

critères thermomécaniques

de domaine de fissuration

JWRI- FE CuCrZr FE

2008 Thèse J. WISNIEWSKI

Solidification cracks

Liquation cracks

So lidification cracks

Liquation cracks

Varestraint - TIG

1999 Thèse N. KERROUAULT

2010-2013 Thèse

• Modélisation TmM fine de la zone pâteuse (essais Gleeble)

• Méthodes d’observations de la scène de soudage, thermique, corrélation d’images

• 1 thésard

Simulation essai, Réalisation essai

Corrélations entre observables simulées et observée s pour formuler des critères


Soudage par résistance de bouchons en ODS de gaine combustible (Gen IV) Optimiser le procédé de soudage au regard de la conservation des propriétés mécaniques

Gaine

Bouchon-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

-0,05 0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 0,55

Position selon X en mm

Position selon Y en mm

Lb -1 Lb 0 Lb 1 Lg -1 Lg 0

Lg 1 Rce -1 Rce 0 Rce 1 Tlim -1

Tlim 0 Tlim 1 Géométrie

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

-0,05 0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 0,55

Position selon X en mm

Posi

tion

sel

on

Y e

n m

m

Lg -1 Lg 0 Lg 1 F -1 F 0

F 1 I -1 I 0 I 1 t -1

t 0 t 1 Géométrie

30 mm

30 mm

5,25 mm

0,5 mm

45 °

1 mm

Axe de révolution

Gaine

Bouchon

30 mm

30 mm

5,25 mm

0,5 mm

45 °

1 mm

Axe de révolution

Gaine

Bouchon

Paramètres opératoires

Résistance de contact

Paramètres matériau

Plan d’expériences numériquesSimulations numériquesSoudage par résistance

2008-2011 Thèse F. CORPACE

Position du centre de gravité de la zone fondue

• Simulation des grandes déformations durant l'opération de SpR ;• Simulation des tests de contrôle des soudures pour interprétation :

– Essais de traction sur éprouvettes technologiques– CND (US, …)

• Modélisation du contact mécanique entre les deux pièces à souder (frottement)


Liaisons hétérogènes Détermination et simulation des contraintes résiduelles

• Multipasse (beurrage, soudage)• Multimatériau (316L, Inconel, 16MnD5)• Loi de cpt pour les mélanges• Prise en compte de l’usinage


Modéliser les procédés de soudage :Sources de 1ère et de 2ème génération

Sources de 1ère

génération

Sources de 2ème

génération

Concept de source de chaleur équivalente

Simulation indirecte

Modélisation « in extenso »

Simulation directe prédictive

( ) ( )( )

( ) ( ) Lnetzyxpp

zzyyxx

Lnetpp

qqz

Tw

y

Tw

x

TvwcT

t

Tc

ewewevwu

qqSSTucTt

Tc

++

∂∂+

∂∂+

∂∂−−⋅∇⋅∇=

∂∂

++−=

+=+⋅∇−⋅∇⋅∇=∂∂

ρλρ

ρλρ

rr

rrrr

rrrr avec

{ }

( )( ) [ ]

2 2- -

-

0 _

_

, ,

1- ( - )1-

, ,

z

z

k x y K zzK s

zCIN

CIN

s

kK Qq e u z s

e

P k K Q

π

η

η += ×

=


Expérience instrumentée

Modèle de l’Expérience

Approche source de chaleur équivalente

Conception Optimale de l’Expérience

Analyse de sensibilité

Problème Inverse{ }

( )( ) [ ]

2 2- -

-

0 _

_

, ,

1- ( - )1-

, ,

z

z

k x y K zzK s

zCIN

CIN

s

kK Qq e u z s

e

P k K Q

π

η

η += ×

=

( ) CINp qTt

Tc _+⋅∇⋅∇=

∂∂ rr

λρ

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

5 5,25 5,5 5,75 6 6,25 6,5 6,75 7 7,25 7,5 7,75 8

Time (s)

Te

mpe

ratu

re (°

C)

S2V1+ S2V1- S2V5+ S2V5-

S2V2+ S2V2- S2V4+ S2V4-

#S2V1# #S2V5# #S2V2# #S2V4#

( ) ( ) ε≤+−+ simulésalesexpériment

: que telP de estimateurl' ,

MacroTCMacroTC

P)


Quelques réalisations : Source 1ère Génération

Position de la torche

Section étudiée

TC1

TC2

TC3

TC5torche

5 mm

4 mm

4 mm

4 mm

35 mm

7 mm

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

TC1

TC2

TC3

TC5

Numéro de la passe

4 mm

10 mm

35 mm

1 mm 2 mm

Position de la torche pour la passe 5/12

2 mm

Narrow-Gap TIG Welding

Hybrid Process (Laser+ GMAW)


WProcess : Chargement thermiqueSimulation multiphysique directe du procédé

� procédé :

� sélectionne dans une liste (TIG, Laser …),

� entre paramètres opératoires (U,I,V,…);

� pièce :

� sélectionne la forme (Té, plaque …),

� entrer les dimensions (largeur, épaisseur,…);

� matériau :

� sélectionne le matériau dans une base de

données.

� Le logiciel fournit une source de chaleur en

fonction des données dont dispose l’utilisateur

� Permet de mener une analyse de Sensibilité

et de réaliser une COE

� Calculs multi-physiques (soudage à l’arc)

Expérience

ProcédéTIG MIG-MAG

Laser FE

Forme

(Mesure(s))TC Macro

Pièce (Plaque, Té,disque)

Matériau(CuCrZr,AA6061,316L,

304L,S355,Eurofer)

Analyse

Sources 1GCOE-AS

TC&macroNonTC&NonMacro

NonTC&MacroTC&NonMacro

Procédé(TIG MIG-MAG

Laser FE)

Sources 2G

Arc-Bain(Disque)

ThermoHydraulique

Pour instrumentation

(sources 1G)Pour des calculs

prédictifsPour calculs

TmM


– maillage a priori automatisé en fonction du type de source

des dimensions du cordon et de la pièce et des paramètres

du procédé,

– élimination des données inutiles et définition du domaine

d’identification, liste des paramètres identifiables

– synchronise les thermogrammes simulés et mesurés,

– identification (méthode LEVM + LFBGS) multicritère sur les

températures et la macrographie.

Musica : logiciel WPROCESS

Actions du logiciel pour l’identification de sources


Maillage automatisé pour un calcul en repère mobile

• Maillage automatisé en fonction – du type de source – des dimensions du cordon et de la

pièce– des paramètres du procédé– Aucune action utilisateur

Zone centrée sur la source de chaleur

Taille de maille constante

Densité de progression fixe

Densité de progression

fixe


Module « Conception Optimale Expérience »

• Réalise l’Analyse de Sensibilité

• Donne la position optimale des TC


Optimisation multicritère

( ) ( )

( ) εαα

ε

≤−×+−×−

≤⊕−⊕

hausdorffMacroMacroTCTC

MacroTCMacroTC

P

simulésalesexpérimentsimulésalesexpériment 2

simulésalesexpériment

1

agrégationpar emonocritèren tranfroméremulticritèon Optimisati

: que telP de estimateurmeilleur le ,)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

5 5,25 5,5 5,75 6 6,25 6,5 6,75 7 7,25 7,5 7,75 8

Time (s)

Tem

pera

ture

(°C

)

S2V1+ S2V1- S2V5+ S2V5-

S2V2+ S2V2- S2V4+ S2V4-

#S2V1# #S2V5# #S2V2# #S2V4#


Optimisation sur la macrographie : distance de Hausdorff


Avancées multiphysiques : modèles de 2ème génération

Buse

Electrode

Plasma d’arc

Bain Fondu

Modèle MHD couplés électrode-arc-bain (TIG)

Modèles thermohydrauliques du bain de soudage (Laser , TIG, MIG/MAG)

2008 Thèse M. BROCHARD


Avancées multiphysiques : modèle 2D axisymétrique électrode-arc-bain

Températures dans l’arc

Densité de courant et flux de chaleur dans l’anode

Frontière L/S dans l’anode


Avancées multiphysiques : modèle 2D axisymétrique électrode-arc-bain

Plan d’expériences 23

« All models are wrong, but some are useful » G. Box 1979

1. déformation de surface libre

2. apport de matière

3. réduction de modèle

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