Modélisation 3D d'écoulement avec surface libre par le soudage à l'arc TIG

par Xiaofei Kong

Thèse de doctorat en Mécanique et ingéniérie

Sous la direction de Jean-Michel Bergheau.


  • Résumé

    The aim of this PhD study is to propose a three-dimensional weld pool model for the moving gas tungsten arc welding (GTAW) process. A 3D finite element model of heat and fluid flow in weld pool considering free surface of the pool and traveling speed has been developed from some exist models in the software WProcess developed by CEA. Cast3M is used to compute all the governing equations. The model 'front tracking" has been used to solve capillarity ptoblems on the free surface. At first, we chose to construct an intermediate model taking into account the appearance of free surface in hydrodynamics, and verify this model by similar experiences (the impact of an air jet on a water surface) according to the operating conditions of TIG. Then, the same method has been implemented in our 3D weld pool model. Finally, to validate the model predictivity, experimental and numerical sensitivity analyzes were conducted using a design of experiments approach. The effects of current, voltage, and speed on the geometry of the weld were studied. The comparison of these results, on the values and the effects, showed an acceptable correlation for the width between measurements and simulations. However, significiant differences still exist for penetration due to neglecting Lorentz force currently.

  • Titre traduit

    3D Finite element simulation of TIG Weld Pool


  • Résumé

    Dans ce travail de thèse nous avons apporté une contribution à la réalisation d'un modèle prédictif 3D de la forme d'un bain de soudage à l'arc pour la simulation numérique du soudage. Nous nous sommes restreint à la modélisation des écoulements fluides dans le bain de soudage avec torche mobile et notre contribution a consité à introduire la modélisation de la surface libre dans le modèle multiphysique disponible dans le logiciel WPROCESS développé par le CEA. Une méthode de type "front tracking" ou la surface est explicitement représentée a été utilisé pour résoudre des problèmes d'équilibre avec capillarité sur la surface libre. Nous avons tout d'abord choisi de constriure un modèle intermédiaire prenant en compte uniquement l'aspect hydrodynamique à surface libre, et de vérifier ce modèle par des essais (l'impact d'un jet d'air sur une surface d'eau) en similitude avec des conditions opératoires caractéristiques du soudage TIG. Ensuite, la même gestion de la surface libre a été implantée dans notre modèle 3D du bain. Enfin, pour valider les capacités prédictives du modèle thermodynamique, des analyses de sensibilité expérimentale et numérique ont été menées selon un plan d'expériences. Les effets de l'intensité du courant, de la tension, et de la vitesse sur la géométrie du bain de soudage ont été étudiés. La comparaison de ces résultats tant sur les valeurs que sur les effets a montré que même si pour les largeurs les corrélations étaient acceptables en ravanche des écarts importants subsistent pour la pénétration entre mesures et simulations à cause de négliger la force Lorentz dans ce modèle actuel.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (III-104 p.)
  • Annexes : Bibliogr., index

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  • Bibliothèque : Ecole nationale d'ingénieurs. Bibliothèque.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 621.791.754(043.2) KON
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