Modélisation numérique du soudage par friction-malaxage de joints hétérogènes : application aux alliages d’aluminium

Numerical modeling of heterogeneous friction stir welding joints: application to aluminum alloys

CENAERO, Morfeo team, Batiment Eole, 29 rue des Frères Wright, 6041 Gosselies, Belgique
larbi.arbaoui@cenaero.be

Reçu : 19 Juin 2014
Accepté : 2 Juillet 2014

Résumé

Le procédé de soudage par friction-malaxage (FSW) correspond à une méthode d’assemblage à l’état solide permettant de souder des alliages de différentes natures et plus particulièrement des alliages d’aluminium à haute résistance. Cette étude concerne l’influence des paramètres opératoires (vitesse de rotation et de translation de l’outil) sur le soudage hétérogène d’alliages d’aluminium. Une modélisation éléments finis tridimensionnelle est mise en place afin de comprendre au mieux les phénomènes thermique et mécanique intervenant lors du procédé. La phase de malaxage du procédé FSW est appréhendée par un modèle local. Ce modèle thermo-fluide permet de décrire l’écoulement de la matière autour de l’outil pendant la phase de soudage des deux matériaux dissemblables. Les matériaux à souder sont considérés comme des fluides incompressibles fortement visqueux en écoulement autour de l’outil. Des conditions cinématiques en vitesse sont imposées à l’interface entre l’outil et les pièces à souder pour modéliser l’entraînement de matière par l’outil de friction-malaxage. Ce modèle local a pour but d’évaluer la puissance dissipée due à la déformation plastique dans la zone de malaxage ainsi qu’au voisinage de l’outil. Cette répartition de puissance pourra servir de donnée d’entrée à un modèle global pour le calcul des contraintes résiduelles et des distorsions. Une analyse a été faite suivant la position du matériau le plus visqueux par rapport à la rotation de l’outil (coté de retrait ou coté d’avance). La puissance de déformation est plus élevée dans le matériau le plus visqueux quel que soit son positionnement par rapport à l’outil. Une étude numérique sur le soudage par friction-malaxage de tôles d’alliage d’aluminium AA2014 et AA6061 présente l’influence du décentrage de l’outil de soudage par rapport à l’interface entre les deux matériaux.

Abstract

Friction stir welding is a solid state process for welding different types of alloys and more particularly high strength aluminum alloys. This study is a sensitivity analysis on process parameters (tool rotating velocity and tool transverse velocity) of heterogeneous welding for aluminum alloys. A tridimensional finite element modeling is considered in order to have a better understanding of thermal and mechanical phenomena which occur during the process. The stirring phase of FSW process is apprehended by a local model. This thermo-fluid model describes the material flow around the tool during the welding phase of two dissimilar materials. The materials to be welded behave like highly viscous incompressible fluids flowing around the tool. Kinematic conditions are applied at the interface between the tool and the two workpieces to model dragging of material by the friction stir tool. This local model aims to evaluate dissipated power due to plastic deformation in the stirred zone and in the vicinity of the tool. The power distribution can be used as input data for a global model to compute residual stresses and distortions. Selection of the materials for the retreating and advancing side is part of the study. The deformation power is always higher in the material with larger viscosity whatever its position with respect to the rotation of the tool. A numerical study on FSW of aluminum alloy sheets AA2014 and AA6061 shows the influence of tool eccentricity with respect to welding line.