Modélisation magnéto-thermo-hydrodynamique du soudage TIG : couplage 3D unifié de l’arc plasma et du bain de soudage

Magneto-thermo-hydrodynamic modelling of TIG welding : a 3D unified coupling of the arc-plasma and the weld pool

• Auteur / Autrice : Christopher Nahed
• Direction : Marc Medale, Stéphane Gounand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Energétique
• Date : Soutenance le 19/11/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI) (Marseille) - Laboratoire des Technologies d'Assemblage LTA (CEA Paris Saclay). Direction des Energies (DES). Service d'Etudes Mécaniques et Thermiques (SEMT) (Commissariat à l'énergie atomique (CEA))
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Bergheau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Muriel Carin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cyril Bordreuil, Morgan Dal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cathodes

Soudage à l'arc TIG

Hydrodynamique

Thermodynamique

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Soudage TIG

Modèle 3D cathode-arc-bain-anode

Modélisation multiphysique

Modélisation des interfaces

Algorithmes partitionnés

TIG welding

3D cathode-arc-pool-anode model

Multiphysics modelling

Interface modelling

Partitioned algorithms

Résumé

Ce travail présente le développement et l’analyse des phénomènes physiques du procédé de soudage TIG, ainsi que les approches numériques nécessaires au couplage entre l’arc-plasma et le bain de soudage. Les développements mathématiques, implémentés numériquement via Cast3M couplent un modèle de cathode, d’arc plasma et de bain de soudage de manière robuste. Les modèles de l’arc-plasma et du bain de soudage sont numériquement couplés à travers leur interface. Pour coupler les modèles thermiques, une approche algébrique de type variables mixtes est proposée et implémentée ce qui permet d’utiliser les variables adaptées à chaque domaine pour résoudre monolithiquement le système. De plus, afin d’unir les modèles de conservation de masse et de quantité de mouvement des domaines de l’arc-plasma et du bain de soudage, un algorithme de Dirichlet-Neumann et un algorithme quasi-monolithique ont été implémentés. Leurs performances numériques sont analysées et discutées. Afin d’identifier les paramètres clés du modèle entièrement couplé, plusieurs études de sensibilité ont été effectuées. Au cours de ces études, l’influence de la géométrie de la cathode, du courant électrique en entrée, des hypothèses d’interfaces et de viscosité du bain sont discutées. Finalement, une étude de vérification du modèle 3D est proposée, étudiée et analysée. Le modèle vérifié est ensuite utilisé pour simuler une configuration 3D entièrement couplée qui prend en compte les effets de déplacement. Une étape de comparaison expérimentale est également effectuée en utilisant des résultats expérimentaux issus de la littérature

This work presents the development and analysis of both the physical phenomena of the TIG welding procedure, and the numerical approaches necessary to couple the arc-plasma and the weld pool. The mathematical developments, implemented numerically in the finite element method toolbox Cast3M, couple a cathode, arc-plasma and weld pool model in a robust manner. The arc-plasma and weld pool models are numerically coupled at the interface. Thus, to couple the energy conservation models, a mixed variable algebraic approach is proposed and implemented which allows for the use of domain dependent variables in a monolithic manner. Furthermore, both a partitioned Dirichlet-Neumann and a quasi-monolithic coupling algorithm were implemented to join the mass and momentum conservation models of the arc-plasma and weld pool domains. Their respective numerical performances are analysed and discussed. In order to identify key parameters in the fully coupled model, multiple sensitivity studies were performed and the importance of cathode geometry, inlet current, interface hypothesis and weld pool viscosity are discussed. Finally, a verification study for the unified 3D model was set up and discussed. The verified model is then used to simulate a fully-coupled 3D welding configuration with displacement effects, which is compared to experimental results and discussed