Contribution à l’etude expérimentale et numérique du soudage laser : application aux alliages de magnésium

par Asma Belhadj

Thèse de doctorat en Mécanique et matériaux

Sous la direction de Laurent Barrallier, Jamel Bessrour et de Mahmoud Bouhafs.

Soutenue en 2009

à Paris, ENSAM .


  • Résumé

    Ce travail s’intéresse à l’étude du soudage par faisceau laser de l’alliage de magnésium de désignation AM60. Il concerne un volet expérimental et un autre numérique. L’étude expérimentale vise l’investigation des conséquences métallurgiques et mécaniques du procédé sur l’alliage utilisé et la validation des résultats numériques du modèle thermique développé. En premier lieu, une étude paramétrique a permis de déterminer les paramètres du soudage par faisceau laser CO2 de plaques en alliage AM60 de 3 mm d’épaisseur. En deuxième lieu, la mise en œuvre d’une chaîne d’acquisition de la température, par des thermocouples implantés à proximité du cordon, a permis l’enregistrement de la température en fonction du temps au cours du soudage. En troisième lieu, l’étude métallographique de l’assemblage, a révélé que la structure à gros grain du métal de base est transformée en une structure dendritique au niveau de la zone fondue. Alors qu’au niveau de la zone affectée thermiquement de faible taille, une diminution de la taille de grain de la phase primaire est remarquée. En dernier lieu, la détermination expérimentale des caractéristiques mécaniques a montré une augmentation de la dureté dans la zone fondue et une diminution de l’allongement maximal pour l’assemblage. Mais par contre les caractéristiques de résistance dans la soudure et dans le métal de base sont semblables. L’étude numérique a pour objectif de prédire l’histoire thermique et l’évolution des caractéristiques mécaniques des tôles soudées par faisceau laser. Nous avons développé, sur un code de calcul par éléments finis Cast3M, deux modèles numériques, tridimensionnels non stationnaires et non linéaires. Le premier a permis de simuler la distribution spatio–temporelle de la température. Dans ce cas, le chargement appliqué est dépendant des paramètres du procédé et des caractéristiques du faisceau laser et il est associé à des conditions aux limites mobiles. Les résultats du modèle thermique développé ont été en accord avec les évolutions de la température mesurée expérimentalement. Le deuxième modèle a permis de déterminer la distribution des contraintes et des déformations résiduelles. Pour le modèle mécanique, nous avons considéré un comportement élasto-plastique avec un chargement thermique transitoire qui est le résultat du modèle thermique. L’analyse transitoire non linéaire a permis de prédire l’évolution des contraintes et des déformations en fonction du temps ainsi que la distribution des contraintes et des déformations résiduelles générées dans les pièces soudées par faisceau laser. La comparaison du profil de contraintes résiduelles simulées avec des résultats bibliographiques a conduit à une validation qualitative de valider qualitativement la réponse du modèle mécanique développé.

  • Titre traduit

    Experimental and numerical contribution laser welding study: application to magnesium alloys


  • Résumé

    This work deals with laser beam welding of AM60 magnesium alloy. It concerns experimental investigations and numerical simulations. The experimental study aims to investigate metallurgical and mechanical process consequences on studied alloy and to validate thermal model results. Firstly, a parametric study allows the determination of the CO2 laser beam welding parameters of plates with 3 mm thickness. Secondly, temperature evolution according time during welding are monitored using thermocouples fixed in the vicinity of the weld. Then, metallographic investigations are performed to reveal that the coarse grains of base metal are transformed into dendritic structure in the molten zone. Whereas, in the heat affected zone, a reduction in primary phase grain size is observed. Finally, mechanical characterisations show an increase in hardness in molten zone and a reduction in total elongation for the weld. But, strength properties are similar in the weld and base metal. The numerical study aims to predict thermal history and mechanical characteristics evolution of weldment during laser welding. Within the Finite Element (FE) code Cast3M, two three-dimensional nonstationary and nonlinear models are developed. The first allows the simulation of the space-time temperature distribution. In this case, the applied loading depends on process parameters and laser beam characteristics. It is associated to mobile boundary conditions. The thermal model results are in agreement with monitored temperature evolutions. In the second simulation, residual stresses and strains distributions are determined during welding. For the mechanical model, an elastoplastic behaviour with a transitory thermal loading is assumed, resulting from the thermal model. The nonlinear transitory analysis is able to predict stresses and strains evolutions according time as well as residual stress and strain distribution generated in the laser beam welded parts. The comparison of the residual stresses simulated profile with results from the literature enables a qualitative validation of the mechanical model.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (152 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 140 - 146

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  • Bibliothèque : Arts et Métiers ParisTech. Centre d'enseignement et de recherche. Bibliothèque.
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