Numerical modeling of a hybrid arc / laser welding process in a level set framework : application to multipass welding of high thickness steel sheets
Modélisation numérique d'un procédé de soudage hybride arc / laser en approche level set : application au soudage multi-passes de tôles d'acier de forte épaisseur
Résumé
Hybrid arc / laser welding represents the solution for high thickness steel sheets assembly. The laser heat source added to the MIG torch improves the process productivity while respecting quality standards. Nevertheless, the phenomenology of the process remains complex and not totally understood. This is the thrust for the development of numerical simulation. The present study has been carried out as part of the "SISHYFE" Material and Process ANR project.For that purpose, a new non stationary 3D finite element model has been developed. Based on the level set approach, it allows to simulate a multipass hybrid arc/ laser welding process. The work focused on four research axes. (1) A more representative model of the plasma heat source has been defined, based on thermal radiation. (2) The coupling of a material and a heat source term integrated in the conservation equations and the update of the level set gas / metal interface is able to correctly model the formation of the weld bead. (3) The integration of a fluid flow model within the level set approach has been evaluated and its impact on thermal distribution analyzed. (4) The stress formation during and after the process has been modeled through the adaptation of a thermo-mechanical solver to the previous modeling in a level set framework.In the end, the developed model has shown to be able to simulate an industrial multi-pass hybrid arc / laser welding process. Experimental measurements provided by the project partners have been used to evaluate the model and to assess its abilities to reproduce experimental features.
Le soudage hybride arc / laser représente une solution adéquate à l'assemblage de tôles d'acier de forte épaisseur. La présence d'une source laser en amont de la torche MIG permet d'accroître la productivité du procédé tout en assurant une excellente qualité de la soudure. Cependant la phénoménologie complexe de ce procédé multiphysique n'est pas encore totalement maîtrisée, ce qui motive le développement d'outils de simulation numérique. La présente étude s'est déroulée dans le cadre d'un projet multipartenaires "SISHYFE" (ANR Matériaux et Procédés).Dans ce but un modèle éléments finis 3D non stationnaire a été développé. Construit à partir de l'approche level set, il est en mesure de simuler un procédé multi-passes de soudage hybride arc / laser. Il a été développé autour de quatre principaux axes. (1) Une modélisation plus réaliste de l'apport de chaleur a conduit à la définition d'un nouveau modèle basé sur le rayonnement thermique pour décrire la source MIG. (2) Grâce au couplage entre l'intégration de termes source de matière et de chaleur dans les équations de conservation et l'actualisation de l'interface gaz / métal, le modèle proposé est capable de simuler le développement d'un cordon de soudure. (3) L'intégration d'une modélisation des écoulements du bain de fusion dans une approche level set a été évaluée et son impact sur la distribution thermique dans le métal analysé. (4) La simulation de la formation des contraintes pendant et après soudage a été possible grâce à l'adaptation d'un solveur thermomécanique.La modélisation finale a permis de simuler une configuration industrielle de soudage hybride arc / laser multi-passes. Des mesures expérimentales effectuées par les partenaires du projet "SISHYFE" ont été utilisées afin d'évaluer le modèle et d'éprouver sa capacité à reproduire l'expérience.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)