Calcul tridimensionnel par la MEF de l’effet des paramètres d’une source thermique lors le soudage TIG de l’acier 304L avec validation.
M. AISSANI
1, R. HAMZAOUI
2et Y. BENKEDDA
31 DMM, Welding and NDT Researcher Centre (CSC), PB 64, Chéraga, ALGERIA.
m.aissani @csc.dz ; aissani_mld@yahoo.fr
2 Ecole Spéciale des T.P du Bâtiment et de l'Industrie (ESTP) - 28, avenue du Président Wilson - 94234 Cachan, FRANCE. hamzaoui@profs.estp.fr
3 Département Mécanique, Université Saad Dahlab de Blida (USDB), BP 270, route de Soumaa - 09000. Blida, ALGERIA. y_benkedda@yahoo.fr
Résumé. Le présent travail est porté sur la simulation du comportement thermique des soudures de l’acier 304L, à usage aéronautique. Le calcul est effectué par la méthode des éléments finis tridimensionnel. Le flux thermique du soudage est modélisé par une source de chaleur Gaussienne surfacique de forme bi-elliptique [1, 2]. Une recherche du maillage optimal du calcul est menée. L’effet des rayons du modèle source thermique est étudié sur le comportement des pics de température le long du cordon de soudure. La meilleure combinaison des valeurs de ces rayons est obtenue. Les résultats numériques sont aussi des cycles thermiques à quelques points et des champs thermiques à quelques instants. Une étude des soudures expérimentale de tôles minces bout à bout de cet acier est menée pour valider les calculs numériques effectués. La comparaison des cycles thermiques obtenus par le calcul numérique à ceux obtenus par l’expérience montre une bonne concordance et très bonne validation du modèle développé.
Mots clés : Soudage TIG, source gaussienne de chaleur, MEF, 3D.
INTRODUCTION
Le procédé de soudage TIG est une opération d’assemblage par la fusion des bords de pièces à assembler. Cela induit des traitements thermiques à des températures très élevées. Ce qui engendre l’apparition des zones à risques (Zone fondue ZF et zone affectée thermiquement ZAT), après soudage [3]. Dans certains cas, cela peut amener à des ruptures catastrophiques en service [4]. Donc, le but est d’obtenir une meilleure qualité de la soudure et d’éviter les ruptures en service. La connaissance et la maîtrise de l’étendu de ces zones thermique à risques est importante pour toute étude préventive de l’effet des différents paramètres de soudage qui les influence. En conséquence, les variations de température, en termes de vitesse de refroidissement local, déterminent l’état microstructural et les propriétés mécaniques du cordon de soudure. Donc l’étude thermique est primordiale pour toute étude d’optimisation des caractéristiques des cordons de soudure ou amélioration de leur qualité.
Des travaux de recherche ne cessent d’accroître pour résoudre les problèmes de ces soudures. Dans ce contexte, notre travail fait suite à des études antérieures de
modélisation thermique [2,5] qui ont permis d’avoir un modèle consistant de prédiction des champs thermique au cours de soudage. On utilise dans ce travail la méthode de résolution MEF en 3D par le code ANSYS, pour simuler le champ thermique, les cycles thermiques et déduire l’étendus des zones à risques. Ainsi que l’effet des paramètres de la source (rayons) sur la température est obtenu. Une validation expérimentale est faite aussi dans ce travail.
RÉSULTATS
La simulation tridimensionnelle permet de surmonter quelques hypothèses du calcul 2D. La figure 1(a) donne quelques résultats de l’évolution des maximas de températures du centre de la source en changeant les rayons de ce modèle de source de chaleur (rx, ryav et ryar successivement). La figure 1.b montre l’évolution de ces maximas des cycles thermiques sous l’effet de la taille du maillage choisi. Tel que la légende montre les rayons optimaux puis les subdivisions du maillage (nx,ny,nz et Rp). Le maillage utilisé par la suite comporte 25000 éléments et 30906 nœuds, avec un rapport Rp de l’ordre de 20.
FIGURE 1. (a) Effet du changement des rayons du modèle source sur l’évolution des maximas de température. (b) Effet du changement du maillage (les subdivisions).
FIGURE 2. Lignes isothermes et champs thermiques à quelques instants (t =10.9s, 41.6s, 81.1s).
Les étendues de la zone fondue (ZF) et de la (ZAT) sont déduites de la distribution de la température (figure 2) et les coordonnées des nœuds du maillage. Elles sont de l’ordre de 2.1x2=4.2mm et de 7.7-2.1=5.6mm, respectivement [6].
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 50 100 150 200
Température (K)
Temps (s) a/ Enveloppe des pics de T° (rayons)
Ellipse Ri(3,3,6) Ellipse Ri(3.5,3,6) Ellipse Ri(4,3,6) Ellipse Ri(4,3,8) Ellipse Ri(5,3,6)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 50 100 150 200
Température (K)
Temps (s)
b/ Enveloppe des pics de T° (maillage)
Ellipse Ri(4,4,8) (20*40*3-Rp10) Ellipse Ri(4,4,8) (40*80*3-Rp20) Ellipse Ri(4,4,8) (50*100*5-Rp20) Ellipse Ri(3,4,8) (50*100*5-R20)
CONCLUSION
Ce travail nous a permis de voir l’effet des rayons du modèle source bi-elliptique sur l’évolution des maxima des cycles thermiques le long du cordon durant le soudage TIG. Nous a permis de déduire aussi l’étendu des zones à risques. La comparaison avec l’expérimental a permis de valider nos résultats de simulation avec satisfaction.
Ce qui permit d’utiliser les résultats pour d’autres calculs comme le comportement mécanique et métallurgique des cordons de soudure.
REFERENCES
1. M. Aissani, H. Maza, B. Belkessa, J. Physique IV, Vol 124, p 213-220 (2005).
2. M. Aissani, D. H. Bassir, Y. Benkedda, Int. Review of Aerospace Engineering. Vol.1 N°5, p 481-488 (2008).
3. R. Blondeau, Edition Lavoisier, France (2001).
4. L. Witek, Engineering Failure Analysis, Vol.13, N.4, p 572-581 (2006).
5. M. Zain-ul-abdeina, and al., Materials & Design, Vol.31, (2010).
6. M. Aissani, Thèse doctorale – Dép. Aéronautique- USDB. p 240 (2013).
