Étude et modélisation de la relaxation des contraintes résiduelles des assemblages soudés

par Hugo Tryla

Projet de thèse en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Laurent Barrallier et de Lorène Heraud.

Thèses en préparation à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec MSMP - Laboratoire Mécanique, Surfaces, Matériaux & Procédés (laboratoire) depuis le 05-11-2018 .


  • Résumé

    Les procédés d'assemblage par soudage sont largement appliqués dans l'industrie automobile, par exemple pour l'assemblage de la caisse en blanc (assemblage des tôles embouties composant la structure de la voiture) ou de composants de liaison au sol comme les traverses de trains arrières ou les berceaux de trains avants. Ces procédés, que ce soit le soudage par résistance électrique (soudage par point - PSE) ou avec apport de matière (cordons - MAG/TIG) présentent la particularité de générer de forts gradients de propriétés métallurgiques et mécaniques, et surtout des contraintes mécaniques, appelées contraintes résiduelles, néfastes pour la tenue mécanique. La mise en place de modèles numériques permettant de simuler le procédé de soudage passe par des approches thermomécaniques et métallurgiques couplées à des essais pertinents. Il est alors possible d'avoir une représentation réaliste des microstructures et des états mécaniques obtenus à l'issue de l'assemblage. Lors de l'utilisation des structures mécanosoudées l'évolution des champs de contraintes résiduelles peut survenir suivant le type et le niveau du chargement thermomécanique en service. Chaque joint soudé voit généralement un chargement qui lui est propre, inhérent à sa géométrie, et contribue au fait que toutes les soudures ont un comportement spécifique en fatigue ou lors d'une surcharge. Cette relaxation des contraintes résiduelles peut être plus ou moins importante selon le matériau, le chargement, ou l'origine mêmes des contraintes résiduelles (déformations plastiques ou transformations métallurgiques). Les mécanismes à l'origine de ces relaxations restent assez mal connus. La modification des déformations libres de contrainte de type déformations plastiques post-procédé reste probablement le mécanisme majeur, mais un effet complémentaire lié à des modifications microstructurales est aussi envisageable (transformations de phase induites,...). Le travail de recherche durant cette thèse permettra : - de mettre en évidence le phénomène de relaxation des contraintes résiduelles de soudage sous diverses conditions de chargements thermomécaniques ; - d'en étudier les mécanismes ; - d'en tirer un modèle qui pourra être appliqué dans le cadre d'une simulation par éléments finis. Cela s'accompagnera nécessairement d'un travail expérimental conséquent pour caractériser le comportement du matériau et déterminer les contraintes résiduelles dans différentes configurations de matériau, géométrie, procédé et différentes conditions de chargements thermomécaniques. La simulation des procédés de soudage a fait l'objet de nombreux travaux publiés ces 10 dernières années. Une méthodologie générale, que l'on retrouve dans la plupart de ces études, permet actuellement de prédire de manière plutôt satisfaisante les contraintes résiduelles « brutes de soudage ». Toutefois, la prise en compte de ces contraintes résiduelles (ainsi que des gradients métallurgiques et les propriétés associées) dans des calculs de dimensionnement a été peu abordée par manque de données, notamment relatives aux phénomènes de relaxation. Cette étude permettra de mettre en place une modélisation pertinente, basée sur les différentes analyses et observations réalisées, de la relaxation des contraintes résiduelles de soudage afin d'affiner les modèles de prédiction de la durabilité des joints soudés. Cette modélisation devra en outre s'intégrer dans la chaine numérique déjà mis en place à PSA (variables d'entrée, facilité d'utilisation...). Le matériau étudié sera représentatif de ceux utilisés dans la réalisation des structures mécanosoudées des voitures automobiles. Les technologies d'assemblage mises en œuvre comprendront les procédés TIG/MAG et laser et utiliseront des paramètres technologiques industriels déjà optimisés.

  • Titre traduit

    Study and modelling of the residual stress relaxation on weldment bodies


  • Résumé

    Welding assembly processes are widely applied in the automotive industry. These are used for example for the assembly of the body in white (assembly of the stamped sheets composing the structure of the car) or for the assembly of components of the ground connection such as front or rear axle units. These processes, whether electric resistance welding (spot welding) or with filler metal (cords - GMAW), have the particularity of generating strong metallurgical and mechanical properties gradients, and especially mechanical stresses, called residual stresses, harmful to the mechanical strength The implementation of numerical models in order to simulate the welding process involves thermo-mechanical and metallurgical approaches, coupled with relevant tests. It is then possible to have a realistic representation of the microstructures and mechanical states obtained after the assembly. When weldment body are under mechanical load, an evolution of residual stress fields may occur depending on the type and level of thermo-mechanical loading in service. Each welded joint usually sees a specific load, inherent to its geometry, and contributes to the fact that all the welds have a specific behavior in fatigue or during an overload. Relaxation of the residual stresses could be more or less important depending on the material, the mechanical load, or the origin of the residual stresses (plastic deformations or metallurgical transformations). The mechanisms behind these relaxations are not well known. The modification of the stress-free strains type post-process plastic deformation is probably the major mechanism, but a complementary effect related to microstructural modifications is also possible (induced phase transformations ...). The research work during this thesis will help: - To highlight the relaxation phenomenon of residual welding stresses under various thermo-mechanical loading conditions; - To study the mechanisms involved; - To define a model that could be applied to a finite element simulation. This will necessarily be accompanied by extensive experimental work to characterize the behavior of the material and determine the residual stresses in different material configurations, geometry, process and different thermo-mechanical loading conditions. The simulation of welding processes has been the subject of numerous works published over the last 10 years. A general methodology, which is found in most of these studies, allows to predict rather satisfactorily the residual stresses "raw welding". However, the consideration of these residual stresses (as well as metallurgical gradients and the associated properties) in dimensioning calculations has been little approached due to a lack of data, especially relating to relaxation phenomena. This study will able to set up a relevant modelling, based on the various analyzes and observations made of residual welding stresses relaxation in order to refine the prediction models of the durability of the welded joints. The studied material will be representative of those used in the realization of weldment bodies of the structures of the cars. The assembly technologies implemented will include the TIG / MAG and laser processes and will use already optimized industrial technological parameters.