Étude numérique et expérimentale des déformations mécaniques induites par le soudage

Numerical and experimental evaluation of residual strains induced by pulsed laser welding

¹ Commissariat à l’Énergie Atomique, Centre de Valduc, 21120 Is-sur-Tille, France
charline.touvrey@cea.fr
² SIMTEC, 8 rue Duployé, 38100 Grenoble, France

Reçu : 19 Juin 2014
Accepté : 22 Octobre 2014

Résumé

L’objectif de la présente étude est de comparer les déformations induites par deux procédés de soudage : le laser impulsionnel et le laser fibre continu. L’étude s’applique au soudage de l’alliage TA6V, pour différentes géométries de plan de joint. Les travaux seront structurés en deux parties. Un volet expérimental est mené sur des assemblages de deux plaques, l’une étant bloquée et l’autre libre. Le soudage induit des déformations dans la pièce et celles-ci sont maximales si la pièce est libre de se déformer. Ces dernières sont mesurées in-situ (capteur mécanique). Un second volet vise à modéliser la génération des contraintes et déformations résiduelles par un calcul numérique. La nécessité de disposer de caractérisations expérimentales intervient à différents maillons de la chaîne de calcul. Tout d’abord, la phase d’interaction entre le faisceau et la matière étant extrêmement complexe à simuler, l’approche thermique se fonde sur un calcul de « flux thermique équivalent ». Ceci nécessite de disposer d’une micrographie caractéristique (vue en coupe de la zone fondue) qui sera utilisée pour identifier des termes de « sources thermiques » via une procédure d’optimisation. Une procédure spécifique sera développée pour chacun des procédés. Le calcul est mené dans le logiciel élément finis COMSOL Multiphysics. Les résultats du calcul (déplacement des points de la plaque libre) sont confrontés aux résultats expérimentaux tout au long de la simulation. Le modèle est applicable à des soudages mettant en jeu des géométries complexes, pour lesquelles les effets de bridage peuvent engendrer des contraintes résiduelles.

Abstract

The aim of the present study is to compare the residual strains induced by different welding processes during the assembly of two Ti6Al4V thin sheets. Several welding configurations and two means (pulsed laser and continuous one) are tested. The first part of the study intends to experimentally quantify strains induced by laser-matter interaction when one of the plates can freely bend. In this configuration the residual stresses are minimum, and consequently the strains measurement constitute a good indicator of the mechanical evolution. The displacements are in-situ reported thanks to a mechanical sensor. The second part of the study is dedicated to the numerical modeling of the processes. Unfortunately, the model is not completely predictive and appears to be oversimplified to describe the measured distortion. As it appears difficult to model the laser-matter interaction (especially in the case of many impacts recovering), we have adopted an equivalent approach to simulate the thermal evolution within the work pieces. An optimization procedure has been developed to determine an equivalent thermal flux, which leads to a melted zone shape in good agreement with experimental evaluations. The thermo-mechanical problem is computed by means of the finite elements software COMSOL Multiphysics. The results are compared to experimental data (displacement measurements) throughout the complete simulation. We plan to apply the complete model for more complex geometries, involving the generation of residual stresses.