Simulation numérique du soudage par frottement malaxage

Numerical Simulation of the Friction Stir Welding Process.

• Auteur / Autrice : Simon Guerdoux
• Direction : Lionel Fourment
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Simulation par ordinateur

Soudage

Travail des métaux

Résumé

Ce travail présente le développement d’un outil numérique. Une formulation arbitrairement lagrangienne-eulérienne (ALE) est implémentée dans le logiciel 3D éléments finis FORGE3® pour simuler les différentes étapes du procédé de soudage par frottement malaxage (FSW). Une méthode découplée est utilisée : a) les champs de vitesses, pressions et températures du matériau sont calculés, b) la vitesse de maillage est calculée à partir de l’évolution des frontières du domaine et d’un critère de raffinement adaptatif procuré via une estimation d’erreur, c) les variables nodales et P0 sont transportées. Différentes techniques de calcul de la vitesse de maillage et de transport des variables sont étudiées, apportant des avantages significatifs par rapport à des approches plus standard. L’algorithme de contact a également été enrichi par une procédure de lissage d’outil. Ces améliorations ont été testées et appliquées sur des cas industriels. L’état stationnaire de soudage, tout comme les phases transitoires, sont simulés, montrant une bonne robustesse et une bonne précision de la formulation ALE développée. Dans un premier temps, la simulation de la phase de soudage stationnaire permet d’identifier, par comparaison avec des résultats expérimentaux, les paramètres de frottement. Dans un second temps, un des intérêts majeurs du modèle ALE étant la possibilité de simuler la formation de vide à l’interface outil/matière, la phase de plongée et des phases transitoires sont modélisées. Leurs simulations peuvent ainsi aider à mieux appréhender les mécanismes du phénomène complexe de déposition de matière qui doit avoir lieu à l’arrière du pion de façon à obtenir un joint sans défaut.

This work presents the development of a numerical tool. An Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) formulation is implemented in the 3D FORGE3® F. E. Software to simulate the different stages of the Friction Stir Welding (FSW) process. A splitting method is utilized: a) the material velocity/pressure and temperature fields are calculated, b) the mesh velocity is derived from the domain boundary evolution and an adaptive refinement criterion provided by error estimation, c) nodal and P0 variables are remapped. Different velocity computations and remap techniques are investigated, providing significant advantages with respect to more standard approaches. Improvement is also brought to the contact algorithm through a tool smoothing procedure. These proposed enhancements have been tested and applied on industrial cases. Steady state welding, but also transient welding phases are simulated, exhibiting good robustness and accuracy of the developed ALE formulation. On the first hand, friction parameters are identified using Eulerian steady welding state simulations by comparison with experimental results. On the second hand, one major interest of the ALE model being the possibility to simulate void formation at the tool/workpiece interface, the transient plunge and welding phases are modeled. Their simulations can thus help to better understand the mechanisms of the deposition process that occurs at the trailing edge of the probe in order to obtain sound and defect-free welds. Finally, the flexibility and robustness of the model allows the investigation of new tooling designs influence in the deposition process.