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« Soudage : opération consistant à réunir deux ou plusieurs parties constitutives d’un
assemblage de manière à assurer la continuitéentre les parties assemblées, soit par
chauffage, soit par intervention de pression, soit par l’un et l’autre, avec ou sans emploi
d’un produit d’apport dont la température de fusion est du même ordre de grandeur que
celle du matériau de base. »
Principe du soudage
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Préparation des chanfreins - remplissage
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De nombreux procédés
• FSW
• TIG
• MIG/MAG
• EBW
• Laser
• …
• Quelques vidéos
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Liaison hétérogéne FE
Exemples d’assemblages
Acier type 16 MND5
épaisseur 250 mm
2 mm
FE
AcierInoxydableAISI 304L
Cuivre
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Phénoménologie du soudage
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Physique Arc - Bain
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Transferts d’énergie dans le bain liquide :un « filtre » matériau
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Zone pâteuse - Solidification
sol soudV V cosα=
•Croissance en épitaxie depuis la ZAT
•Croissance préférentielle (sélective) selon le
gradient thermique
•Ségrégation maximale selon l’axe du cordon
•Risque de fissuration à chaud selon les alliages
•ZF Axe cordon ouverture des dendrites
•ZAT liquation réaffectation thermique
multipasse, réparation
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Zone affectée thermiquementchauf 100 Kst
θ∂≈
∂ref 10 Kst
θ∂≈ −
∂Transformation au chauffageausténitisation (partielle ou totale)croissance des grains, dissolution
Transformation au refroidissementausténite -> ferrite – perlite - cémentiteausténite -> bainiteausténite -> martensite
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Contraintes résiduelles
Y
Les contraintes résiduelles sont auto-équilibrées et résultent principalement :• du bridage effectué par les parties froides sur les parties qui s’échauffent mais plus
généralement de l’existence de gradients de température (il y a plastification)• des changements de volume liés aux transformations métallurgiques• des différences de coefficients de dilatation
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Distorsions
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Enjeux - Besoins
• Enjeux de la SN&MS :– dimensionner avec prise en compte de la soudure dès la conception (→ durée de vie,
stratégie de soudage),– prédiction des défauts de soudages, soudabilité,– augmenter la fiabilité des jonctions soudés,– remplacer/compléter experts et expériences,– réalité augmentée (« visuel », 3D, 4D) → accès au non observable directement, à la
prédiction, évolution temporelle– concrétisation d’idées inactualisées (matériau, structure … non encore existant) →
créativité,– réalisation de l’impossible pratique → Orienter, « exhaustiver » le travail du
fabricant.
• Pour y arriver la SN&MS à besoin de :– capacité de calcul et de modélisation (accroitre la puissance des ordinateurs et la
communauté de la SN&MS) → fédérer, diffuser, construire un attracteur → projet, colloque, groupe de travail scientifique et technique, vitrine
– moyens expérimentaux dédiés(outils d’observations (capteurs, caméras, CND, DRX,…) et d’essais de validations),
– standards pour les mesures (contraintes résiduelles, thermique) et pour les simulations → round robin et benchmark,
– …
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Fissuration à ChaudCritères thermomécaniques - domaine de fissuration-transposition de critères-
Optimisation du design des tests usuels
BTRTinf Tsup
εc
fissuration
température
e*
fissuration
Pas de fissuration
ecrit(T)
BTRTinf Tsup
εc
fissuration
température
e*
fissuration
Pas de fissuration
ecrit(T)
critères thermomécaniques
de domaine de fissuration
JWRI- FE CuCrZr FE
2008 Thèse J. WISNIEWSKI
Solidification cracks
Liquation cracks
So lidification cracks
Liquation cracks
Varestraint - TIG
1999 Thèse N. KERROUAULT
2010-2013 Thèse
• Modélisation TmM fine de la zone pâteuse (essais Gleeble)
• Méthodes d’observations de la scène de soudage, thermique, corrélation d’images
• 1 thésard
Simulation essai, Réalisation essai
Corrélations entre observables simulées et observée s pour formuler des critères
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Soudage par résistance de bouchons en ODS de gaine combustible (Gen IV) Optimiser le procédé de soudage au regard de la conservation des propriétés mécaniques
Gaine
Bouchon-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
-0,05 0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 0,55
Position selon X en mm
Position selon Y en mm
Lb -1 Lb 0 Lb 1 Lg -1 Lg 0
Lg 1 Rce -1 Rce 0 Rce 1 Tlim -1
Tlim 0 Tlim 1 Géométrie
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-0,05 0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 0,55
Position selon X en mm
Posi
tion
sel
on
Y e
n m
m
Lg -1 Lg 0 Lg 1 F -1 F 0
F 1 I -1 I 0 I 1 t -1
t 0 t 1 Géométrie
30 mm
30 mm
5,25 mm
0,5 mm
45 °
1 mm
Axe de révolution
Gaine
Bouchon
30 mm
30 mm
5,25 mm
0,5 mm
45 °
1 mm
Axe de révolution
Gaine
Bouchon
Paramètres opératoires
Résistance de contact
Paramètres matériau
Plan d’expériences numériquesSimulations numériquesSoudage par résistance
2008-2011 Thèse F. CORPACE
Position du centre de gravité de la zone fondue
• Simulation des grandes déformations durant l'opération de SpR ;• Simulation des tests de contrôle des soudures pour interprétation :
– Essais de traction sur éprouvettes technologiques– CND (US, …)
• Modélisation du contact mécanique entre les deux pièces à souder (frottement)
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Liaisons hétérogènes Détermination et simulation des contraintes résiduelles
• Multipasse (beurrage, soudage)• Multimatériau (316L, Inconel, 16MnD5)• Loi de cpt pour les mélanges• Prise en compte de l’usinage
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Modéliser les procédés de soudage :Sources de 1ère et de 2ème génération
Sources de 1ère
génération
Sources de 2ème
génération
Concept de source de chaleur équivalente
Simulation indirecte
Modélisation « in extenso »
Simulation directe prédictive
( ) ( )( )
( ) ( ) Lnetzyxpp
zzyyxx
Lnetpp
qqz
Tw
y
Tw
x
TvwcT
t
Tc
ewewevwu
qqSSTucTt
Tc
++
∂∂+
∂∂+
∂∂−−⋅∇⋅∇=
∂∂
++−=
+=+⋅∇−⋅∇⋅∇=∂∂
ρλρ
ρλρ
rr
rrrr
rrrr avec
{ }
( )( ) [ ]
2 2- -
-
0 _
_
, ,
1- ( - )1-
, ,
z
z
k x y K zzK s
zCIN
CIN
s
kK Qq e u z s
e
P k K Q
π
η
η += ×
=
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Expérience instrumentée
Modèle de l’Expérience
Approche source de chaleur équivalente
Conception Optimale de l’Expérience
Analyse de sensibilité
Problème Inverse{ }
( )( ) [ ]
2 2- -
-
0 _
_
, ,
1- ( - )1-
, ,
z
z
k x y K zzK s
zCIN
CIN
s
kK Qq e u z s
e
P k K Q
π
η
η += ×
=
( ) CINp qTt
Tc _+⋅∇⋅∇=
∂∂ rr
λρ
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
5 5,25 5,5 5,75 6 6,25 6,5 6,75 7 7,25 7,5 7,75 8
Time (s)
Te
mpe
ratu
re (°
C)
S2V1+ S2V1- S2V5+ S2V5-
S2V2+ S2V2- S2V4+ S2V4-
#S2V1# #S2V5# #S2V2# #S2V4#
( ) ( ) ε≤+−+ simulésalesexpériment
: que telP de estimateurl' ,
MacroTCMacroTC
P)
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Quelques réalisations : Source 1ère Génération
Position de la torche
Section étudiée
TC1
TC2
TC3
TC5torche
5 mm
4 mm
4 mm
4 mm
35 mm
7 mm
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
TC1
TC2
TC3
TC5
Numéro de la passe
4 mm
10 mm
35 mm
1 mm 2 mm
Position de la torche pour la passe 5/12
2 mm
Narrow-Gap TIG Welding
Hybrid Process (Laser+ GMAW)
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WProcess : Chargement thermiqueSimulation multiphysique directe du procédé
� procédé :
� sélectionne dans une liste (TIG, Laser …),
� entre paramètres opératoires (U,I,V,…);
� pièce :
� sélectionne la forme (Té, plaque …),
� entrer les dimensions (largeur, épaisseur,…);
� matériau :
� sélectionne le matériau dans une base de
données.
� Le logiciel fournit une source de chaleur en
fonction des données dont dispose l’utilisateur
� Permet de mener une analyse de Sensibilité
et de réaliser une COE
� Calculs multi-physiques (soudage à l’arc)
Expérience
ProcédéTIG MIG-MAG
Laser FE
Forme
(Mesure(s))TC Macro
Pièce (Plaque, Té,disque)
Matériau(CuCrZr,AA6061,316L,
304L,S355,Eurofer)
Analyse
Sources 1GCOE-AS
TC¯oNonTC&NonMacro
NonTC&MacroTC&NonMacro
Procédé(TIG MIG-MAG
Laser FE)
Sources 2G
Arc-Bain(Disque)
ThermoHydraulique
Pour instrumentation
(sources 1G)Pour des calculs
prédictifsPour calculs
TmM
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– maillage a priori automatisé en fonction du type de source
des dimensions du cordon et de la pièce et des paramètres
du procédé,
– élimination des données inutiles et définition du domaine
d’identification, liste des paramètres identifiables
– synchronise les thermogrammes simulés et mesurés,
– identification (méthode LEVM + LFBGS) multicritère sur les
températures et la macrographie.
Musica : logiciel WPROCESS
Actions du logiciel pour l’identification de sources
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Maillage automatisé pour un calcul en repère mobile
• Maillage automatisé en fonction – du type de source – des dimensions du cordon et de la
pièce– des paramètres du procédé– Aucune action utilisateur
Zone centrée sur la source de chaleur
Taille de maille constante
Densité de progression fixe
Densité de progression
fixe
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Module « Conception Optimale Expérience »
• Réalise l’Analyse de Sensibilité
• Donne la position optimale des TC
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Optimisation multicritère
( ) ( )
( ) εαα
ε
≤−×+−×−
≤⊕−⊕
hausdorffMacroMacroTCTC
MacroTCMacroTC
P
simulésalesexpérimentsimulésalesexpériment 2
simulésalesexpériment
1
agrégationpar emonocritèren tranfroméremulticritèon Optimisati
: que telP de estimateurmeilleur le ,)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
5 5,25 5,5 5,75 6 6,25 6,5 6,75 7 7,25 7,5 7,75 8
Time (s)
Tem
pera
ture
(°C
)
S2V1+ S2V1- S2V5+ S2V5-
S2V2+ S2V2- S2V4+ S2V4-
#S2V1# #S2V5# #S2V2# #S2V4#
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Optimisation sur la macrographie : distance de Hausdorff
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Avancées multiphysiques : modèles de 2ème génération
Buse
Electrode
Plasma d’arc
Bain Fondu
Modèle MHD couplés électrode-arc-bain (TIG)
Modèles thermohydrauliques du bain de soudage (Laser , TIG, MIG/MAG)
2008 Thèse M. BROCHARD
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Avancées multiphysiques : modèle 2D axisymétrique électrode-arc-bain
Températures dans l’arc
Densité de courant et flux de chaleur dans l’anode
Frontière L/S dans l’anode
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Avancées multiphysiques : modèle 2D axisymétrique électrode-arc-bain
Plan d’expériences 23
« All models are wrong, but some are useful » G. Box 1979
1. déformation de surface libre
2. apport de matière
3. réduction de modèle