Modélisation numérique des procédés de soudage

Les procédés de soudage induisent des modifications de microstructure et des contraintes et déformations résiduelles qu’il est autant difficile qu’important de maîtriser.

Des contraintes résiduelles élevées combinées à la présence de phases dures peuvent conduire, en effet, à la fragilisation du joint ou encore, les distorsions induites par une soudure peuvent induire des défauts d’alignement des pièces rendant impossible la réalisation d’une séquence de soudage.

La simulation numérique des procédés de soudage apparaît bien souvent comme un moyen d’accès privilégié aux grandeurs qui les caractérisent. Ainsi, la simulation numérique du soudage est du plus grand intérêt lorsqu’il s’agit d’étudier la tenue mécanique d’un joint soudé ou de vérifier la faisabilité d’une séquence de soudage. La simulation de tels procédés nécessite la modélisation des interactions complexes entre des phénomènes thermiques, métallurgiques et mécaniques et la mise en œuvre de méthodes numériques particulières. Sous l’impulsion de l’industrie nucléaire au cours des années 1980 et 1990, un grand nombre de recherches destinées à prévoir les contraintes résiduelles dans les soudures de composants mécaniques ont été conduites. Les méthodes et modèles développés ont alors constitué les fondations de logiciels de simulation numérique aujourd’hui utilisés par un grand nombre de sociétés industrielles des secteurs aéronautique, automobile ou encore de la métallurgie.

L’objectif de cet article est de faire le point sur les méthodes de modélisation numérique des procédés de soudage.

Une première partie situe l’intérêt des simulations de soudage.

Dans une deuxième partie, les phénomènes physiques impliqués et leur modélisation sont présentés. Les différents modèles de métallurgie qui constituent un point clé de ce type de simulation y sont décrits, ainsi que, la façon de prendre en compte les couplages avec les aspects thermiques (propriétés thermophysiques dépendant des phases, chaleurs latentes de transformation) et mécaniques (changements de volume, plasticité de transformation notamment).

Une troisième partie est consacrée à la mise en œuvre de ces modèles dans une approche numérique par éléments finis. Différents algorithmes et méthodes de modélisation sont ainsi décrits comme l’analyse transitoire pas à pas avec maillage adaptatif, la résolution en régime stationnaire ou une méthode à deux échelles (locale/globale). Des applications s’appuyant sur les modèles et méthodes présentés sont enfin décrites et commentées. Dans chaque cas, on s’attache à démontrer la validité et l’efficacité de la simulation numérique. On conclut en dressant un bilan de ce qu’on peut attendre des moyens actuels de simulation et des évolutions à prévoir dans les prochaines années.