Modélisation thermohydraulique tri-dimensionnelle du soudage laser de flans raboutés et validation expérimentale

par Mickaël Courtois

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Philippe Le Masson et de Muriel Carin.

Le jury était composé de Rémy Fabbro, Mikhaël Balabane, Sadok Gaied.

Les rapporteurs étaient Marc Medale, Michel Bellet.


  • Résumé

    Afin de proposer un outil permettant d'étudier les phénomènes hydrodynamiques dans le bain de fusion et le capillaire de vapeur lors du soudage laser, un modèle thermohydraulique prenant en compte les trois phases en présence (vapeur métallique, bain liquide et solide) a été développé à l'aide du code de calcul Comsol Multiphysics. Pour suivre l'évolution de ces trois phases, les équations couplées de la chaleur et de Navier-Stokes sont résolues et le suivi de l'interface liquide-vapeur est traité à l'aide de la méthode level set. Les réflexions multiples du laser sont calculées avec une nouvelle méthode consistant à décrire le laser sous sa forme ondulatoire. Le modèle est d’abord appliqué à un cas de tir laser statique, cas pouvant être résolu en 2D axisymétrique permettant de réaliser les développements et une première validation. L'influence de certains paramètres, comme la puissance laser est étudiée et les mécanismes conduisant à l'apparition de porosité résiduelle sont mis en évidence. Ensuite, ces mêmes équations sont utilisées en 3D pour décrire de la façon la plus complète possible une ligne de fusion. Toute la phase de création du capillaire est analysée puis les températures et les vitesses calculées sont comparées à des mesures expérimentales. Les températures en phase solide sont obtenues grâce à des thermocouples de 25µm, les températures en surface du bain liquide par pyrométrie et enfin, les vitesses à la surface du bain son obtenues grâce à une caméra rapide. Ces comparaisons permettent de montrer la cohérence du modèle, son comportement physique à décrire les écoulements, les formes de zones fondues et la dynamique du capillaire de vapeur.

  • Titre traduit

    Thermal hydraulic modeling three-dimensional laser welding tailored blanks and experimental validation


  • Résumé

    To provide a tool able to study hydrodynamics phenomena in the melt pool and the vapor capillary during laser welding of tailored blanks, a heat and fluid flow model taking into account the three phases present is proposed. The metal vapor, the liquid phase and the solid base are modeled using the code Comsol Multiphysics. In order to study the evolution of these three phases, coupled equations of heat transfer and Navier-Stokes equations are solved and the liquid-vapor interface is tracked using the level set method. Multiple reflections of the laser are calculated with a new method by describing the laser in its wave form by solving Maxwell's equations. This manuscript presents the results of the model, first, in a case of a static laser shot solved in axisymmetric 2D to achieve the development and initial validation. The influence of parameters such as laser power is studied and the mechanisms leading to the appearance of residual porosities is highlighted. Then, these equations are used in three dimensions to describe the most complete as possible, a fusion line with an opened vapor capillary. All the creation phase of the capillary is analyzed. Calculated temperatures and velocities are compared to experimental measurements. Temperatures in the solid phase are obtained with thermocouples of 25µm, the surface temperature of the melt pool are obtained by pyrometry and finally velocities at the surface of the melt pool are obtained with a high speed camera. These comparisons show the consistency of the model to describe the physical flows, the molten zones shapes and the complete behavior of the vapor capillary.



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