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1 - MODÉLISATION DES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES IMPLIQUÉS LORS DE LA PHASE DE SOUDAGE

2 - MODÉLISATION DES CONSÉQUENCES INDUITES

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Article de référence | Réf : BM7764 v3

Glossaire
Modélisation numérique du procédé de soudage par friction-malaxage

Auteur(s) : Eric FEULVARCH

Relu et validé le 06 juil. 2021

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RÉSUMÉ

Les procédés de soudage induisent des changements de microstructure, des contraintes résiduelles et des distorsions qui peuvent jouer un rôle majeur sur le comportement en service ou l'opération de soudage elle-même. Lors d’une opération de soudage par friction-malaxage (FSW), ces phénomènes proviennent principalement du malaxage et des gradients de température. Dans cet article, les principaux phénomènes physiques et leurs interactions sont décrits. L'objectif est de faire un point sur la simulation numérique de ces phénomènes au moyen de la méthode des éléments finis qui est l'une des techniques les plus adaptées pour résoudre ce genre de problème multi-physique.

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ABSTRACT

Numerical modeling of friction stir welding

Welding processes induce micro-structural changes, residual stresses and distortions, which play a major role on the in-service behavior or on the welding operation itself. Such phenomena mainly come from material stirring and temperature gradients happening during Friction Stir Welding (FSW). In this article, the main physical phenomena and their interactions are described with the associated modeling. The objective is to make an overview on the numerical simulation of such phenomena by means of the well known finite element method which is one of the most popular technique to solve this kind of multi-physical problem.

Auteur(s)

  • Eric FEULVARCH : Professeur des universités - École nationale d’ingénieurs de Saint-Étienne, Saint-Étienne, France

INTRODUCTION

Le soudage est un procédé d’assemblage couramment mis en œuvre dans le milieu industriel à partir, par exemple, des techniques de type soudage au plasma, au laser, par faisceau d’électrons ou par résistance. Comme pour les méthodes de soudage par friction plus conventionnelles utilisées depuis le début des années 50, la soudure par friction-malaxage est réalisée en phase solide sans apport de matière. C’est un procédé récent également connu sous le nom Friction Stir Welding (FSW) et qui a été développé au sein du TWI (The Welding Institute) au début des années 90. Les premières applications de ce procédé ont porté essentiellement sur les alliages d’aluminium et, en particulier, ceux réputés « difficilement soudables ». En effet, l’expérience a montré que le fait de souder sans atteindre la fusion permet au procédé de soudage par friction-malaxage d’assembler ce type de matériau. De plus, les phénomènes tels que la fissuration à chaud ou la perte de solutés volatils peuvent être évités. À l’heure actuelle, de nombreux développements sont réalisés pour étendre le champ d'action du procédé FSW à d'autres matériaux tels que les aciers ou les alliages de titane. Il existe également une variante du procédé FSW appelée Friction Stir Processing (FSP) dont l'objectif est de modifier les caractéristiques locales d'un composant par malaxage sans chercher à souder.

Le procédé FSW peut être employé pour l’assemblage de matériaux différents tels que l'acier avec un alliage d'aluminium. Ce type de joints soudés existe dans de nombreux secteurs industriels comme l'automobile où le soudage par fusion n'est tout simplement pas approprié compte tenu de la variation importante des propriétés thermo-physiques : comportement mécanique, diffusivité thermique ou composition chimique pouvant conduire à la formation d’intermétalliques néfastes pour la qualité de la soudure. Ces facteurs et bien d'autres contribuent à l'asymétrie des champs thermiques et rendent difficilement applicables les procédés par fusion. C’est pour cette raison que l'application du soudage par friction-malaxage à des soudures d’alliages différents présente un intérêt technico-économique fort. En effet, le procédé FSW appliqué à des combinaisons d'alliages relativement doux (par exemple : Al/Mg) est d'un intérêt particulier dans l'aérospatiale et l'automobile car, dans beaucoup de cas, il n’existe pas d’autres alternatives. Malgré cela, le procédé FSW induit des modifications microstructurales, des contraintes résiduelles et des distorsions difficiles à maîtriser. L’ensemble de ces phénomènes peut affecter l'efficacité d'assemblage, aussi bien en termes de géométrie finale que de résistance et tenue en fatigue.

Dans un contexte industriel de plus en plus compétitif, les entreprises sont obligées de développer leurs produits dans des délais et pour des coûts de plus en plus réduits. La maîtrise des procédés de fabrication et des conséquences qu’ils induisent sur les produits réalisés constitue un facteur de réussite essentiel. Dans ce cadre, la caractérisation et la modélisation numérique du procédé FSW revêtent un intérêt tout particulier pour étudier la faisabilité, optimiser les paramètres opératoires ou analyser la tenue en service d’un assemblage. Cet article a pour objectif de faire le point sur les méthodes de modélisation numérique pouvant être employées pour le procédé de soudage par friction-malaxage. Une première partie présente les différentes approches pouvant être envisagées pour la simulation de la phase de soudage. La seconde partie se focalise sur la modélisation numérique des conséquences induites par le procédé.

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KEYWORDS

finite elements   |   FSW   |   numerical simulation   |   aluminium alloys   |   assembly process   |   welding   |   thermomechanical flows

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v3-bm7764


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4. Glossaire

Technique ALE ; Arbitrary Lagrangian-Eulerian technique

Technique de calcul permettant à un maillage élément fini d’avoir une cinématique différente de celle du milieu matériel modélisé.

Onion rings

Nom donné à la morphologie allongée en bande concentrique de la microstructure située dans le noyau d’un joint soudé par Friction Stir Welding.

zone affectée thermiquement ZAT ; heat affected zone HAZ

Nom donné à la zone proche d’un joint soudé dans laquelle ont pu se produire des modifications microstructurales induites par les échauffements locaux. Les déformations mécaniques y sont très faibles.

zone affectée thermomécaniquement ZATM ; thermomechanically affected zone TMAZ

Nom donné à la zone située entre le noyau et la ZAT d’un joint soudé par Friction Stir Welding. Les déformations mécaniques y sont d’un niveau bien plus important que dans la ZAT. Une désorientation importante de la microstructure peut être observée dans la ZATM.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - FEULVARCH (E.), BOITOUT (F.), BERGHEAU (J.M.) -   Simulation thermo-mécanique du soudage par friction-malaxage.  -  European Journal of Computational Mechanics, 16, 6-7, p. 865-887 (2007).

  • (2) - DILIP (J.J.S.), KOILRAJ (M.), SUNDARESWARAN (V.), JANAKI RAM (G.D.), KOTESWARA (R.S.R.) -   Microstructural characterization of dissimilar friction stir welds between AA2219 and AA5083.  -  Transactions of The Indian Institute of Metals, 63, p. 757-764 (2010).

  • (3) - FEULVARCH (E.), GOOROOCHURN (Y.), BOITOUT (F.), BERGHEAU (J.M.) -   3D modelling of thermofluid flow in friction stir welding.  -  Proc. of 7th ICTWR Pine Mountain, USA (2005).

  • (4) - RUSSEL (M.J.), SHERCLIFF (H.R.) -   *  -  . – 1st International Symposium on Friction Stir Welding (1999).

  • (5) - FOURMENT (L.), GUERDOUX (S.), MILES (M.), NELSON (T.) -   Numerical Simulation of the Friction Stir Welding Process using both Lagrangian and Arbitrary Lagrangian Eulerian Formulations.  -  Proc. 5th Int. Symp. on Friction Stir Welding (2004).

  • ...

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