L'allègement en masse des véhicules, reste un enjeu majeur pour les constructeurs automobiles. Une des solutions à ce problème est l'utilisation d'aciers THR (Très Haute Resistance), d'épaisseurs de nuances et de caractéristiques mécaniques souvent différentes. L'assemblage est fait par soudage. Le problème dans l'utilisation de ces aciers THR et la soudabilité et la tenue de soudure. Dans cette étude, nous nous intéresserons à la modélisation numérique de la Zone Fondue et la Zone Affectée Thermiquement , Nous allons décrire un modèle numérique qui prend en compte la micro duret

CRETTEUR L.

GAIED, Sadok

MARAKCHI, Abdelkarim

TAINTURIER, Maud

I-Revues

20ème Congrès Français de Mécanique                                                                  Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 
  1
Modélisation numérique de la tenue mécanique des soudures 
laser avec aciers THR 
A. MARAKCHIa, S. GAIEDb, M. TAINTURIERb, L. CRETTEURb 
a. ENSEIRB-MATMECA, Institut Polytechnique de Bordeaux, 1 avenue du Docteur Albert Schweitzer BP 99, 
33402 Talence CEDEX. 
b. ArcelorMittal Global R&D Montataire, Route de Saint Leu, BP30109, 60761 Montataire Cedex. 
Résumé :  
Les constructeurs automobiles sont à la recherche de solutions pour réduire le poids des véhicules, les coûts 
de production et améliorer les performances mécaniques. L’utilisation d’aciers à Très Haute Résistance 
(THR) durcis par la présence de martensite (aciers Dual Phase) permet de développer des solutions 
réduisant la masse des véhicules, tout en garantissant la sécurité des occupants. Cependant, lors du soudage 
de ces aciers, il est observé une baisse de dureté dans la zone affectée thermiquement par la soudure (ZAT). 
Cet adoucissement en ZAT préoccupe les industriels automobiles. Dans cette étude, nous cherchons à 
modéliser la tenue mécanique d’une soudure laser sur des aciers de type Dual Phase sollicités par traction 
en sens perpendiculaire à la ligne de soudure. Une modélisation par éléments finis de l'essai mécanique de 
traction a été faite en utilisant le logiciel commercial ABAQUS©. La ZAT a été discrétisée en plusieurs 
zones avec des caractéristiques mécaniques différentes. Des lois de comportement différentes ont été 
affectées à chaque zone de la ZAT en fonction de la dureté mesurée expérimentalement. Le comportement du 
matériau est décrit par les modèles de Swift ou Swift-Voce. Finalement, une étude expérimentale a été 
réalisée afin de valider la simulation numérique. Nous concluons en remarquent qu’une bonne corrélation 
entre les expériences et la simulation numérique a été obtenue pour des essais de traction uniaxiale pour des 
conditions de soudage variables et pour des dimensions différentes de la ZAT. 
Abstract: 
The automotive designers are searching for innovative means of reducing vehicle weight, manufacturing 
costs and increasing mechanical performances. This goal can be reached through the use of Advanced High 
Strength Steel (AHSS) hardened by martensite (Dual Phase Steels). During welding of these steels, a drop in 
hardness is observed in the Heat Affected Zone (HAZ) of the weld. This local softening is a trouble for car 
makers. The aim of the study is to model the mechanical behavior of a laser weld in Dual Phase steels under 
tensile test in perpendicular direction in regard with the welding line and taking into account the softening. 
A finite element model of the mechanical tensile test was developed using the commercial software 
ABAQUS©. The HAZ was discretized into several zones with different mechanical properties. Different 
behavior laws were assigned to each zone of the HAZ as a function of the measured hardness. The material 
behavior is described by the models of Swift or Swift-Voce. Finally, an experimental study was conducted to 
validate the numerical simulation. A good correlation between experiments and numerical simulation was 
obtained for uniaxial tensile tests under variable welding conditions and HAZ sizes. 
Mots clefs: zone affectée thermiquement, adoucissement, simulation, microdureté, modélisation. 
1 Introduction 
L’allègement des véhicules est un enjeu majeur et une problématique permanente pour les constructeurs 
automobiles [1]. Une des solutions à ce problème est l’utilisation d’aciers THR notamment les aciers Dual 
Phase [2, 3], composés d’une matrice ferritique renforcée par une proportion plus ou moins importante de 
martensite comme phase à effet durcissant. Différentes proportions de martensite permettent d’obtenir des 
aciers de différents niveaux de tenue mécanique en traction (de 500 à 1200MPa de Rm). D’autre part, 
20ème Congrès Français de Mécanique                                                                  Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 
  2
l’utilisation de flans raboutés permet un allègement significatif des structures automobiles. Les flans raboutés 
(Tailor Welded Blanks) sont des pièces automobiles obtenues en soudant par laser des produits d’épaisseur et 
de propriétés mécaniques différentes, de façon à optimiser la masse et le comportement d’une pièce en 
plaçant les plus fortes épaisseurs ou propriétés mécaniques juste à l’endroit nécessaire. Cette technique est 
très utilisée dans l’industrie automobile [4]. 
Lors du soudage des aciers contenant une forte proportion de martensite, la température atteinte dans la ZAT 
provoque un revenu de la martensite. Il en résulte un adoucissement local. Cette chute de dureté peut se 
traduire par une dégradation des propriétés mécaniques de la pièce ou de l’éprouvette contenant la soudure.  
L’objet de cette étude est de développer un modèle de prédiction de la tenue des soudures bout-à-bout 
prenant en compte ces phénomènes d’adoucissement localisés. 
Nous allons, dans la première partie, décrire notre méthodologie, les phénomènes mis en jeu ainsi que la 
méthodologie utilisée pour trouver les lois de comportement élasto-plastique du matériau dans la ZAT. Dans 
la seconde partie, nous allons expliquer comment appliquer cette méthodologie à notre modèle numérique, 
décrire les résultats et les comparer aux résultats des essais expérimentaux. 
2 Phénomènes mis en jeu lors du soudage Laser 
Le soudage de deux pièces permet d’obtenir une continuité par fusion locale. Cette opération se fait par le 
biais d’un apport de chaleur et éventuellement d’un apport de métal suivi d’un refroidissement naturel ou 
forcé. Dans le cadre du soudage laser de tôles minces bout-à-bout, les cycles thermiques (chauffe puis 
refroidissement) sont extrêmement rapides et très localisés (1-2mm). En première approximation, pour un 
matériau donné, la température maximale atteinte et la vitesse de refroidissement conditionnent la 
microstructure finale du joint soudé et des zones adjacentes. 
2.1 Transformation thermique et métallurgique de la ZAT par le soudage 
La zone affectée thermiquement (ZAT) par le soudage est le siège de modifications métallurgiques du métal 
de base qui peuvent induire des fragilités, des baisses de résistance mécanique, des manques de ductilité [5], 
etc... 
 
FIG.1 - Diagramme des changements métallurgiques dans la ZAT. 
Ce diagramme montre une coupe métallographique transversale de la ZAT d’une soudure ainsi que la courbe 
de température maximale atteinte en chaque point. Le diagramme de phases joint permet de déterminer les 
phases présentes au moment où la température maximale est atteinte et, connaissant la vitesse de 
refroidissement, d’en déduire les transformations métallurgiques. La zone fondue (ZF), après solidification, 
présente une microstructure de solidification facilement identifiable. La zone qui atteint 400-730°C [6], peut 
subir un revenu de la martensite. Sur une soudure laser, ces zones sont très étroites (inférieure au millimètre). 
Voir figure 2. 
20ème Congrès Français de Mécanique                                                                  Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 
  3
 
FIG. 2 - La Zone affectée thermiquement. 
2.2 Relation entre les propriétés métallurgiques et propriétés mécaniques 
Pour faire le lien entre l’aspect métallurgique et l’aspect mécanique, l’étude porte sur 2 matériaux différents 
de la famille des Dual Phase. 
 
Échantillon Rm
 
(MPa) Dureté(Hv) 
DP600 625 200 
DP1180HY 1274 390 
Tab. 1 – Matériaux utilisés.  
Les produits cités dans le tableau 1 ont été soudés bout-à-bout par un Laser CO2: 
1. En homogène : DP1180HY (1mm)/DP1180HY (1mm) 
2. En hétérogène. DP600 (1.6mm)/ DP1180HY (1mm) 
La soudure a été réalisée avec une puissance de 5.2 kW sur pièce et une vitesse de 3m/min. Les échantillons 
ont ensuite été caractérisés par des tests de traction uniaxiale suivant la norme EN 10002-1(Juillet 2001) sur 
un ensemble de 4 échantillons chaque fois. Cela nous permet d’accéder aux courbes de traction et d’estimer 
Re, Rm et Ag pour chaque assemblage. Nous avons utilisé des éprouvettes ISO12.5x50. Dans les cas où une 
soudure est présente dans une éprouvette, celle-ci est située en position milieu et en sens  transversal. 
Une première analyse a consisté en la mesure de la microdureté Vickers le long de la section de la soudure.  
Dans le cas d’une soudure laser bout-à-bout hétérogène, entre un DP1180HY et un DP600, la figure 3 
montre que : 
• Le DP600 (côté droit de l’image) ne présente pas d’adoucissement notable en ZAT. Seul un 
durcissement est observé dans la zone la plus proche de la zone fondue, probablement où le matériau a 
dépassé la température du point de transformation Ac1. 
• Le DP1180HY (côté gauche de l’image) présente un adoucissement significatif du fait qu’il contient 
une forte proportion de martensite, qui va subir un revenu. Ainsi, la dureté minimale dans la ZAT n’est 
que de 270Hv, contre 390Hv sur le métal de base. 
       
       
FIG. 3 – Micrographie et profil de microdureté de la soudure laser bout-à-bout d’un flan DP1180HY (à 
gauche) avec un flan DP600 (à droite) (assemblage hétérogène). 
Sur des soudures laser bout-à-bout homogènes entre deux flans DP1180HY, nous pouvons déduire que 
l’adoucissement sur le côté gauche de la figure 3 serait celui existant des deux côtés de la soudure. Pour ce 
type d’assemblage homogène, nous avons observé que les essais de traction mènent à une rupture en ZAT, 
avec une limite à la rupture (Rm) inférieure (-124MPa) à celle typique du produit monolithique non soudé : 
ZAT 
20ème Congrès Français de Mécanique                                                                  Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 
  4
une Rm d’environ 1150 MPa est obtenue. L’explication de l’écart observé pourrait aller au-delà d’une 
corrélation uniquement avec l’adoucissement observé. En effet l’analyse statistique de la base de données 
produit d’ArcelorMittal permet d’établir des abaques de corrélation, pour les d’aciers DP, entre la dureté 
d’un acier et ses propriétés mécaniques (Re, Rm, Ag) (figure 4). Il apparaît que le minimum de dureté en 
ZAT pour l’acier DP1180HY (270 Hv) correspondrait plutôt à une valeur de Rm d’environ 850MPa, 
significativement inférieure à celle observé expérimentalement (au-delà de la dispersion de la corrélation). 
Deux questions se posent alors : pourquoi une chute d’environ 120Hv dans la ZAT n’a pas impacté de façon 
plus importante la résistance globale de l’assemblage ? Dans le cas d’un assemblage hétérogène, comment la 
variation de caractéristiques mécaniques, dans la ZAT, modifie-t-elle le comportement des flans assemblés 
laser. 
 
FIG. 4 – Courbe de corrélation entre la micro dureté Vickers et les caractéristiques mécaniques (base de 
données ArcelorMittal). 
3 Modèle numérique 
3.1 Modélisation géométrique  
L’idée est d’effectuer l’approximation consistant en la découpe de la ZAT en plusieurs tranches et d’affecter 
à chaque tranche des propriétés différentes (figure 5). La dimension de chaque tranche est équivalente au pas 
du profil de microdureté (ici 0.15mm). A partir des corrélations présentées dans la figure 4, une valeur 
représentative de « caractéristiques mécaniques » peut être affectée à chaque partie de la ZAT.  
 
FIG. 5 – Modélisation géométrique de l’assemblage. 
3.2 Modélisation des lois élasto-plastiques 
Après avoir comparé plusieurs lois de comportement (figure 6), nous avons choisi la loi de Swift-Voce 
(équation 1), pour modéliser le comportement élasto-plastique des métaux de base, hors ZAT, car elle est la 
plus proche des données expérimentales de notre étude. La loi de Swift-Voce suit la formule suivante : 
             (1) 
 
FIG. 6 - Comparaison de lois comportement avec l’expérimental. 
( )plmsatsatnpl ek εσσσαεεασ −−−++−= )()()1( 00
20ème Congrès Français de Mécanique                                                                  Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 
  5
Concernant la loi de comportement de la ZAT, nous avons adopté une autre méthodologie. En effet, 
l’identification des paramètres de la loi Swift-Voce nécessite des données expérimentales multiples issues 
d’un test de traction standardisé. La largeur de la ZAT étant très faible nous ne pouvons pas caractériser cette 
zone via des essais mécaniques d’où le choix d’une autre loi de comportement. A partir des mesures de 
dureté dans la section de la soudure, nous pouvons estimer les caractéristiques mécaniques principales (Re, 
Rm, Ag) de chaque tranche (figure 4) : ainsi une loi de comportement peut être affectée pour chaque partie 
(figure 7). La loi utilisée pour le comportement plastique est celle de Swift, (équation 2). 
             (2)                                                  
Avec :  
 
  
FIG. 7 – Courbes d’écrouissages des differentes tranches de la ZAT 
La zone fondue est considérée comme un matériau 100% martensitique. En effet les mesures montrent, après 
refroidissement, des valeurs de microdureté  correspondant à une microstructure de type martensitique. Nous 
lui avons affecté une loi de comportement type Swift-Voce. 
4  Validation du modèle numérique 
Les essais de traction uniaxiale ont été simulés numériquement, via le logiciel commercial ABAQUS©. Les 
simulations ont pour but de prédire la position de la rupture ainsi que la courbe de traction de l’assemblage 
soudé. Le modèle numérique permet également de prédire si la rupture a lieu au sein de la ZAT ou dans le 
métal de base. Les résultats sont cohérents avec l’expérience. 
  
FIG. 8 – Assemblage hétérogène DP1180HY + DP600 
   
FIG. 9 –Assemblage homogène DP1180HY 
Notre modèle présente une bonne corrélation avec les essais expérimentaux, nous avons pu déterminer les 
propriétés mécaniques de l’assemblage (Rm et Ag) et une bonne prédiction de la zone de rupture dans les cas 
homogènes et hétérogènes (figures 8-9). 
n
plk )( 0εεσ +=
))ln(1(*exp(*
))(1ln(
nnRmk
Agn
−=
+= nk /10 )(Re/=ε
20ème Congrès Français de Mécanique                                                                  Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 
  6
 
Modèle pour soudage hétérogène Modèle pour soudage homogène 
Données 
expérimentales 
Données 
numériques 
Données 
expérimentales 
Données 
numériques 
Ag 10.3% (σ=0,36) 10.1% 4.2% (σ =0,23) 4.01% 
Rm 632MPa (σ =5.1) 630MPa 1153Mpa (σ =16.81) 1140MPa 
Position de la Rupture DP600 DP600 ZAT ZAT 
Tab 2 – Comparaison des résultats numériques et expérimentaux 
5 Conclusion 
Lors du soudage des aciers THR de type Dual Phase, il peut se présenter un effet de revenu de la martensite 
entraînant un adoucissement local au voisinage de la soudure et peut avoir des conséquences sur les 
propriétés mécaniques macroscopiques de l’assemblage. Dans ce cas, les essais de traction uniaxiale 
d’éprouvettes contenant une soudure laser bout-à-bout montrent l’effet important de la Zone Affectée 
Thermiquement sur l’assemblage soudé, la zone adoucie étant le maillon faible de l’assemblage. Cependant, 
la réduction de la limite de rupture de l’assemblage ne pourrait pas être reliée à la résistance mécanique la 
plus faible mesurée dans la ZAT de très faible largeur. En effet, la rupture de ce type d’assemblage nécessite 
l’apparition d’une bande de localisation de déformation d’une largeur beaucoup plus grande que la largeur de 
ZAT. 
Nous avons modélisé le comportement mécanique des soudures en décomposant la ZAT en plusieurs 
tranches. Les caractéristiques mécaniques de chaque tranche de la ZAT ont été obtenues par des corrélations 
avec la microdureté mesurée le long de l’éprouvette. A partir de ces caractéristiques, il a été possible de 
reconstruire des lois d’écrouissage de type Swift, le métal de base étant lui défini par des lois plus complexes 
de type Swift-Voce. 
Cette modélisation a été implémentée dans le logiciel commercial ABAQUS©. Une confrontation des 
résultats de ce modèle avec les essais expérimentaux nous montre une bonne corrélation entre les résultats 
expérimentaux et numériques. En effet, ce modèle nous a permis de prédire l’endroit de la rupture et les 
propriétés mécaniques de l’assemblage. Ceci montre qu’il est possible d’obtenir une bonne prédiction de la 
tenue mécanique des assemblages en tenant compte de la complexité du comportement mécanique de 
l’ensemble de la ZAT. Nous l’avons fait en considérant la dureté et la loi de comportement local de chaque 
point. 
Cette méthode de modélisation fine du comportement local de la ZAT sera étendue dans des travaux 
ultérieurs à d’autres types de soudage (soudage par point), d’autre type d’assemblages (assemblage par 
recouvrement) et d’autres tests de caractérisation (test de traction plane, traction en croix et traction 
cisaillement) sur ces mêmes produits Dual-Phase. 
Références 
[1] Gaied S., Roelandt J., Pinard F., Schmit F., Balabane M., Experimental and numerical assessment of 
TailoredWelded Blanks formability, Journal of Materials Processing Technology,2008 
[2] Rashid MS., Dual phase steels. Annu Rev Mater Sci, 66, 11-245–66, 1981 
[3] Llewellyn DT., Hillis DJ., Dual phase steels. Ironmak Steelmak, 8, 23-471, 1996. 
[4] Gaied S., Roelandt J., Pinard F., Schmit F., Balabane M., Numerical and experimental investigations 
intotailored welded Blanks formability, American Institute of Physiques,Volume 908, 2007 
[5] Biro E., Jiang C., Lyttle K., Sheet Metal Welding Conference XIII, May 14-16, Livonia, MI, paper 4-
4,2008 
[6] Easterling K, Introduction to the physical metallurgy of welding, Second edition, Butterworth 
Heinemann, 126, 1992. 
 


Modélisation Numérique de la tenue mécanique des soudures laser avec aciers THR

http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/2042/46168/1/cfm2011_1274.pdf

Modélisation Numérique de la tenue mécanique des soudures laser avec aciers THR

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

I-Revues