Modélisation thermo-hydraulique tridimensionnelle du soudage laser et validation expérimentale

Three-dimensional heat and fluid flow modeling of laser welding and experimental validation

¹ ArcelorMittal Global R&D Montataire, BP 30109, 60160 Montataire, France
² Univ. Bretagne-Sud, EA 4250, LIMATB, 56100 Lorient, France
³ Institut Galilée Université Paris 13, 99 avenue Jean-Baptiste Clément, 93430 Villetaneuse, France

Reçu : 9 Juin 2014
Accepté : 20 Octobre 2014

Résumé

Pour comprendre l’origine de défauts en soudage laser, un modèle thermo-hydraulique complet prenant en compte les transferts thermiques, la mécanique des fluides et l’évolution de la surface libre sous l’effet de la vaporisation est proposé. L’essentiel des phénomènes connus à ce jour est pris en compte. Le modèle est d’abord appliqué à une configuration axisymétrique décrivant un tir laser statique. Les mécanismes conduisant ou non à la formation de porosités sont analysés. Enfin un modèle tridimensionnel représentant une ligne de fusion contenant tous les phénomènes connus est présenté (création de capillaire, instabilités, écoulements dans le bain de fusion, etc.). Celui-ci est validé grâce à plusieurs expériences permettant de connaitre la température à la surface du solide, du liquide, et les vitesses à la surface du bain de fusion.

Abstract

To understand the origin of defects in laser welding, a model taking into account heat transfer, fluid flow and free surface deformation under the effect of the recoil pressure is proposed. Almost all known phenomena are taken into account. The model is first applied to an axisymmetric configuration to describe a static laser shot. Then a 3D model representing a fusion line and containing all known phenomena is presented (capillary creation, instabilities, flow in the melt pool...). The model is validated by comparing the numerical results to the measured temperatures at the surface of the workpiece in the solid and liquid phases as well as the velocities at the surface of the melt pool.