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Article

1 - INTÉRÊT DE LA SIMULATION DU SOUDAGE

2 - PHÉNOMÈNES PHYSIQUES IMPLIQUÉS ET LEUR MODÉLISATION

3 - MÉTHODES DE RÉSOLUTION

4 - APPLICATIONS

5 - BILAN. PERSPECTIVES

Article de référence | Réf : BM7758 v1

Bilan. Perspectives
Modélisation numérique des procédés de soudage

Auteur(s) : Jean‐Michel BERGHEAU

Date de publication : 10 juil. 2004

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RÉSUMÉ

La simulation numérique des procédés de soudage permet d’étudier la tenue mécanique d’un joint soudé ou de vérifier la faisabilité d’une séquence de soudage. Cet article décrit  les différentes méthodes de modélisation numérique des procédés de soudage. Les méthodes utilisées pour modéliser les phénomènes physiques sont présentées, en insistant sur les aspects de couplage métallurgique, thermique et mécanique. Enfin la mise en oeuvre de ces méthodes dans une approche numérique par éléments finis conclut l'article.

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Auteur(s)

INTRODUCTION

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.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm7758


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5. Bilan. Perspectives

La simulation du soudage connaît un développement important dans l’industrie. Les simulations sont généralement réalisées à l’aide de codes de calcul par éléments finis généralistes comme ANSYS, ABAQUS ou MARC ou dédiés à la simulation numérique du soudage comme SYSWELD. Les codes généralistes, souvent, ne disposent d’aucune possibilité spécifique à la modélisation du soudage mais peuvent être adaptés par l’intermédiaire de sous-programmes utilisateurs (cf. [48]).

Au niveau des résultats de simulations, les méthodes et les modèles aujourd’hui disponibles permettent de bien retrouver la microstructure et les contraintes résiduelles car celles-ci, d’une part, dépendent surtout des propriétés mécaniques à froid des matériaux généralement assez bien connues et, d’autre part, peuvent être évaluées à l’aide d’un modèle local de la soudure donc de taille raisonnable (tableau 4). Les enjeux futurs sont ici d’aller au-delà de ces évaluations pour en déduire le risque de rupture brutale, la tenue en fatigue ou tout autre paramètre extrêmement utile au dimensionnement des structures.

La détermination des distorsions résiduelles des structures soudées est beaucoup plus difficile. En effet, celle-ci nécessite la mise en œuvre d’un modèle global de la structure de taille souvent très importante (tableau 4). Les distorsions sont par ailleurs assez sensibles aux propriétés mécaniques à chaud généralement moins bien maîtrisées. Nul doute que la prévision des distorsions résiduelles constitue, pour l’avenir, un enjeu majeur pour conforter la pénétration des méthodes de modélisation du soudage dans l’industrie.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - RADAJ (D.) -   Integrated finite element analysis of welding residual stress and distorsion.  -  Mathematical Modelling of Weld Phenomena 6, p. 469-489 (2002).

  • (2) - DEVAUX (J.), MOTTET (G.), BERGHEAU (J.M.), BHANDARI (S.), FAIDY (C.) -   Evaluation of the integrity of PWR bi-metallic welds.  -  J. Pressure Vessel Tech., 122, 3, p. 368-373 (2000).

  • (3) - LEBLOND (J.B.) -   Étude théorique et numérique de la diffusion de l’hydrogène dans les aciers.  -  Thèse de doctorat d’État, Université Paris 6 (1984).

  • (4) - GOLDAK (J.A.), CHAKRAVARTI (A.), BIBBY (J.) -   A new finite element model for welding heat sources.  -  Metallurgical Transactions, 15B, p. 299-305 (1984).

  • (5) - KARLSSON (L.), LINDGREN (L.-E.) -   Combined heat and stress-strain calculations.  -  Modeling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes V, p. 187-202 (1991).

  • (6)...

1 Annexe

Dans les Techniques de l’Ingénieur –

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Génie mécanique

DUPUY (T.) - Simulation numérique du soudage par résistance. - BM 7 760 (2000).

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3 Site Internet

Commission « Simulation numérique du soudage » du Groupe scientifique et technique (GST), « Mécanique industrielle et appliquée » (MIA), de l’Association française de mécanique (AFM). http://perso.club-internet.fr/gst_meca/SNS-description.html

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