Contribution a l’étude expérimentale et numérique du soudage laser : application aux alliages de magnésium.

Accueil || Parcours || Recherche || S'enregistrer || Mon Compte || Contacts || Aide || Langues

Belhadj, Asma (2009) Contribution a l’étude expérimentale et numérique du soudage laser : application aux alliages de magnésium. Doctorat Mécanique et Matériaux, Mécasurf / MA2I, ENSAM 2009ENAM0001 p.151.

Plein texte disponible en tant que : - thèse_de_Doctorat_AsmaBELHADJ.PDF ( 40758 Kb )

Licence: Copyright

Résumé

Ce travail s’intéresse à l’étude du soudage par faisceau laser de l’alliage de magnésium de désignation AM60. Il concerne un volet expérimental et un autre numérique. L’étude expérimentale vise l’investigation des conséquences métallurgiques et mécaniques du procédé sur l’alliage utilisé et la validation des résultats numériques du modèle thermique développé. En premier lieu, une étude paramétrique a permis de déterminer les paramètres du soudage par faisceau laser CO2 de plaques en alliage AM60 de 3 mm d’épaisseur. En deuxième lieu, la mise en œuvre d’une chaîne d’acquisition de la température, par des thermocouples implantés à proximité du cordon, a permis l’enregistrement de la température en fonction du temps au cours du soudage. En troisième lieu, l’étude métallographique de l’assemblage, a révélé que la structure à gros grain du métal de base est transformée en une structure dendritique au niveau de la zone fondue. Alors qu’au niveau de la zone affectée thermiquement de faible taille, une diminution de la taille de grain de la phase primaire est remarquée. En dernier lieu, la détermination expérimentale des caractéristiques mécaniques a montré une augmentation de la dureté dans la zone fondue et une diminution de l’allongement maximal pour l’assemblage. Mais par contre les caractéristiques de résistance dans la soudure et dans le métal de base sont semblables. L’étude numérique a pour objectif de prédire l’histoire thermique et l’évolution des caractéristiques mécaniques des tôles soudées par faisceau laser. Nous avons développé, sur un code de calcul par éléments finis Cast3M, deux modèles numériques, tridimensionnels non stationnaires et non linéaires. Le premier a permis de simuler la distribution spatio–temporelle de la température. Dans ce cas, le chargement appliqué est dépendant des paramètres du procédé et des caractéristiques du faisceau laser et il est associé à des conditions aux limites mobiles. Les résultats du modèle thermique développé ont été en accord avec les évolutions de la température mesurée expérimentalement. Le deuxième modèle a permis de déterminer la distribution des contraintes et des déformations résiduelles. Pour le modèle mécanique, nous avons considéré un comportement élasto-plastique avec un chargement thermique transitoire qui est le résultat du modèle thermique. L’analyse transitoire non linéaire a permis de prédire l’évolution des contraintes et des déformations en fonction du temps ainsi que la distribution des contraintes et des déformations résiduelles générées dans les pièces soudées par faisceau laser. La comparaison du profil de contraintes résiduelles simulées avec des résultats bibliographiques a conduit à une validation qualitative de valider qualitativement la réponse du modèle mécanique développé.

Table des Matières

Sommaire

Liste des figures __________________________________________________________ 4

Liste des tableaux_________________________________________________________ 7

Nomenclature____________________________________________________________ 8

Introduction générale ____________________________________________________ 11

CHAPITRE 1 : Etude bibliographique_______________________________________ 13

Introduction à l’étude bibliographique _________________________________________ 13

1. Présentation des alliages du magnésium____________________________________ 14

1.1. Propriétés du magnésium pur ________________________________________________ 14

1.2. Les alliages du magnésium __________________________________________________ 14

1.2.1. Désignation ____________________________________________________________ 14

1.2.2. Classification des alliages de magnésium_____________________________________ 15

1.2.2.1 Les alliages de fonderie______________________________________________ 15

1.2.2.2 Les alliages de corroyage ____________________________________________ 15

1.2.3. Avantages et inconvénients des alliages de magnésium__________________________ 16

1.2.4. Utilisation des alliages de magnésium dans l’industrie __________________________ 18

1.2.5. Métallurgie des alliages de magnésium ______________________________________ 19

2. Le soudage par faisceau laser_____________________________________________ 22

2.1. Le rayonnement laser_______________________________________________________ 22

2.2. Principe du soudage par faisceau laser _________________________________________ 23

2.3. Paramètres du soudage laser _________________________________________________ 24

2.3.1. Le couple Puissance - vitesse ______________________________________________ 25

2.3.2. Profil de puissance du rayon et sa focalisation _________________________________ 26

2.3.3. Gaz de protection _______________________________________________________ 27

2.4. Différents types du soudage par faisceau laser ___________________________________ 28

3. Soudage laser des alliages de magnésium ___________________________________ 30

4. Simulation numérique du soudage ________________________________________ 34

4.1. Phénomènes physiques au cours du soudage_____________________________________ 34

4.2. Modélisation du comportement thermique ______________________________________ 35

4.2.1. Mise en équation________________________________________________________ 35

4.2.2. Modélisation de la source de chaleur ________________________________________ 36

4.3. Modélisation du comportement mécanique______________________________________ 38

4.3.1. Mise en équation________________________________________________________ 38

4.4. Méthodes de résolution _____________________________________________________ 40

4.4.1. Les méthodes analytiques _________________________________________________ 40

4.4.2. La méthode des éléments finis _____________________________________________ 41

4.4.2.1 Analyse transitoire tridimensionnelle ___________________________________ 41

4.4.2.2 Approche locale/globale _____________________________________________ 42

4.4.2.3 Analyse en régime quasi-stationnaire ___________________________________ 42

4.4.2.4 Analyse bidimensionnelle ____________________________________________ 42

5. Utilité et exploitation de l’étude bibliographique_____________________________ 43

CHAPITRE II : Étude expérimentale du soudage laser des alliages de magnésium___ 44

Introduction _______________________________________________________________ 44

1. Protocole expérimental du soudage________________________________________ 45

1.1. Choix du matériau _________________________________________________________ 45

1.2. Présentation du dispositif du soudage laser ______________________________________ 45

2. Etude paramétrique du soudage laser de l’alliage de magnésium AM60 _________ 48

2.1. Plan d’optimisation ________________________________________________________ 48

2.2. Méthodes de contrôles des soudures ___________________________________________ 49

Sommaire

-2-

2.3. Influence des paramètres technologiques - Domaine de soudabilité ___________________ 50

3. Mesure de la température au cours du soudage______________________________ 58

3.1. Instrumentation ___________________________________________________________ 58

3.2. Résultats et discussions _____________________________________________________ 60

4. Etude métallurgique ____________________________________________________ 64

4.1. Méthodes expérimentales ___________________________________________________ 64

4.2. Caractérisation du métal de base ______________________________________________ 64

4.2.1. Microstructure__________________________________________________________ 64

4.2.2. Analyses chimiques _____________________________________________________ 66

4.3. Caractérisation du joint de soudure ____________________________________________ 70

4.3.1. Microstructure__________________________________________________________ 70

4.3.2. Analyses chimiques _____________________________________________________ 71

5. Analyse Diffractométrique _______________________________________________ 75

5.1. Analyses par diffraction des Rayons X _________________________________________ 75

5.2. Analyse des phases ________________________________________________________ 77

5.3. Etude de la texture _________________________________________________________ 80

5.4. Analyse des contraintes résiduelles ____________________________________________ 81

6. Analyse thermique _____________________________________________________ 82

6.1. Méthode expérimentale _____________________________________________________ 82

6.2. Résultats et discussions _____________________________________________________ 84

7. Etude mécanique _______________________________________________________ 86

7.1. Détermination de la micro-dureté _____________________________________________ 86

7.1.1. Méthode expérimentale___________________________________________________ 86

7.1.2. Résultats et discussion ___________________________________________________ 87

7.2. Essai de traction___________________________________________________________ 88

7.2.1. Méthode expérimentale___________________________________________________ 88

7.2.2. Résultats et discussion ___________________________________________________ 89

Conclusions________________________________________________________________ 93

CHAPITRE III : Étude Numérique du soudage laser des alliages de magnésium ____ 94

Introduction _______________________________________________________________ 94

1. Outils de simulation numérique___________________________________________ 94

1.1. Choix du code de calcul numérique et démarche suivie ____________________________ 94

1.2. Calcul transitoire non linéaire sur Cast3M ______________________________________ 96

2. Hypothèses de la simulation ______________________________________________ 96

3. Discrétisation spatiale – Maillage tridimensionnel____________________________ 97

4. Etude du comportement thermique_______________________________________ 100

4.1. Modélisation du comportement thermique _____________________________________ 100

4.1.1. Bilan énergétique au cours du soudage laser _________________________________ 100

4.1.2. Formulation mathématique du problème thermique ____________________________ 101

4.1.3. Modélisation de la source de chaleur _______________________________________ 102

4.2. Simulation numérique du comportement thermique ______________________________ 103

4.2.1. Paramètres de simulation ________________________________________________ 103

4.2.1.1 Lois de comportement______________________________________________ 103

4.2.1.2 Propriétés matérielles ______________________________________________ 103

4.2.1.3 Chargement ______________________________________________________ 105

4.2.1.4 Condition initiale et conditions aux limites______________________________ 106

4.2.1.5 Discrétisation temporelle____________________________________________ 106

4.2.2. Résolution numérique ___________________________________________________ 107

4.2.3. Influence des quelques paramètres de simulation sur les résultats numériques._______ 109

4.2.3.1 Influence des propriétés thermo-physiques ______________________________ 109

4.2.3.2 Influence du plasma _______________________________________________ 110

4.2.4. Résultats du modèle thermique____________________________________________ 111

4.3. Analyse comparative expérience - simulation ___________________________________ 116

Sommaire

-3-

5. Etude du comportement mécanique ______________________________________ 120

5.1. Modélisation du comportement mécanique_____________________________________ 120

5.2. Simulation numérique du comportement mécanique _____________________________ 120

5.2.1. Paramètres de simulation ________________________________________________ 120

5.2.1.1 Lois de comportement et chargements _________________________________ 120

5.2.1.2 Propriétés matérielles ______________________________________________ 121

5.2.1.3 Condition initiale et conditions aux limites. _____________________________ 122

5.2.2. Résolution numérique ___________________________________________________ 122

5.2.3. Résultats du modèle mécanique ___________________________________________ 123

5.2.3.1 Evolution des contraintes instantanées _________________________________ 123

5.2.3.2 Etats de contraintes résiduelles _______________________________________ 129

5.2.3.3 Etats de déformations ______________________________________________ 131

5.3. Analyse comparative expérience - simulation ___________________________________ 133

Conclusion _______________________________________________________________ 136

Conclusion générale et perspectives ________________________________________ 137

Références bibliographiques ______________________________________________ 140

Annexes

Statistiques de consultation

Administrateurs de l'archive uniquement : éditer cet enregistrement