Modélisation numérique du soudage à l'arc des aciers

Abstract

Welding is a highly used assembly technique. Welding simulation software would give access to residual stresses and information about the weld's microstructure, in order to evaluate the mechanical resistance of a weld. It would also permit to evaluate the process feasibility when complex geometrical components are to be made, and to optimize the welding sequences in order to minimize defects. This work deals with the numerical modelling of arc welding process of steels. After describing the industrial context and the state of art, the models implemented in TransWeld ( software developed at CEMEF) are presented. The set of macroscopic equations is followed by a discussion on their numerical implementation. Then, the theory of remeshing and our adaptive anisotropic remeshing strategy are explained. Two welding metal addition techniques are investigated and are compared in terms of the joint size and transient temperature and stresses. The accuracy of the finite element model is evaluated based on experimental results and the results of the analytical solution. Comparative analysis between experimental and numerical results allows the assessment of the ability of the numerical code to predict the thermomechanical and metallurgical response of the welded structure. The models limitations and the phenomena identified during this study are finally discussed and permit to define interesting orientations for future developments.Le soudage est un moyen d'assemblage très utilisé dans l'industrie. Disposer d'un logiciel de simulation permettrait d'évaluer les contraintes résiduelles et d'obtenir des informations sur la microstructure du joint de soudure, nécessaires à l'analyse de sa tenue mécanique; mais aussi d'évaluer la faisabilité du procédé pour la réalisation de pièces complexes et d'optimiser les séquences de soudage pour minimiser les défauts. Cette thèse porte sur le développement d'un outil de simulation numérique du soudage à l'arc des aciers. Après  avoir  décrit  le  contexte  tant  industriel que  bibliographique  de  ce  travail,  nous précisons  les  différents  modèles  implémentés  dans  le  code  de  calcul  TransWeld (le logiciel développé au CEMEF dans le cadre de ce travail). La description des équations macroscopiques employées  est  suivie  de leur mise en œuvre numérique.  Nous  abordons  ensuite  la  théorie  du  remaillage  adaptatif  et  nous décrivons  les  éléments  essentiels  de  la  stratégie  de  remaillage  développée  dans  le  cadre  de cette thèse. Ensuite, nous présentons les méthodes développées pour la modélisation de l'apport de métal et de la formation du cordon de soudage. Des simulations numériques conformes aux essais sont réalisées. L'analyse comparative entre résultats expérimentaux et numériques permet de juger de l'aptitude du code de calcul à prédire l'état thermomécanique et métallurgique de la structure soudée. Les limitations de notre modélisation et les phénomènes qu'elle a permis de mettre en évidence  sont  enfin  discutés  et  permettent  de  définir  quelques  orientations  intéressantes pour les développement futur de cette modélisation