Evaluation numérique des contraintes résiduelles appliquée à l'acier DP600 soudé par laser de haute puissance Nd : YAG

Numérical evaluation of the residueal stress applied to the laser welded steel DP 600 high power Nd : YAG

• Auteur / Autrice : Chansopheak Seang
• Direction : Eric Ragneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique
• Date : Soutenance le 27/06/2013
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie civil et génie mécanique (LGCGM)
• Partenaire(s) de recherche : : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Gloriant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hubert Boury, Afia Kouadri-David, Benoît Malard, Laurent Cretteur
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Paillard, Laurent Barrallier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Soudage laser

Usure (mécanique)

Soudage

Rupture, Mécanique de la

Acier

Mots clés libres

Soudage laser Nd : YAG

Acier DP 600

Caractérisation expérimentale

Simulation numérique

Contrainte résiduelles

Nd:YAG Laser Welding,

DP600 Steel

Experimental characterization,

Numerical simulation

Residual stresses

Résumé

Les études sur les procédés de soudage et sur la fiabilité des structures assemblées apparaissent actuellement comme un domaine de recherche actif, ouvert et complexe, car elles nécessitent de combiner de nombreuses connaissances dans différents domaines de la physique, de la mécanique et des procédés. La distribution des contraintes résiduelles joue un rôle important dans la vie des structures en favorisant la rupture par fatigue ou par fissuration. Ainsi, une meilleure compréhension des contraintes résiduelles évite l'utilisation de facteurs de sécurité plus élevés et, par conséquent permet de mieux optimiser le cycle de vie des structures soudées. A travers ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés au soudage par laser d’un acier dual phase DP600, soudé en configuration par recouvrement, dont l’application est l’utilisation dans le domaine automobile. Cette thèse présente deux volets : un volet expérimental et un volet numérique.L’étude expérimentale nous a permis d’une part d’appréhender les conséquences métallurgiques et mécaniques du procédé laser sur l’acier DP600 et d’autre part d’utiliser et de valider les résultats numériques des modèles développés. L’étude numérique a eu pour objectif de prédire l’histoire thermique, métallurgique et l’évolution des caractéristiques mécaniques des tôles soudées par faisceau laser. Nous avons développé, sur un code de calcul par élémentsfinis Abaqus, trois modèles numériques. Le modèle thermomécanique, nous a permis de simuler la distribution spatio-temporelle de la température. Dans ce cas, le chargement appliqué est dépendant des paramètres du procédé etdes caractéristiques du faisceau laser et est associé à des conditions aux limites. Pour le modèle mécanique, nous avonsconsidéré un comportement élasto-plastique avec un chargement thermique transitoire, résultat du modèle thermique.Le deuxième modèle thermo-métallurgique nous a permis de simuler les phénomènes d’austénisation pendant la phase de chauffage (modèle de Waeckel) et de prendre en compte les fractions volumiques des phases martensitiques générées par les transformations de phases austénite–martensite lors du refroidissement (modèle de Koistinen-Marburger). Enfin, dans la dernière partie de simulation, nous avons réalisé le couplage thermo-metallo-mécanique. Les résultats obtenus dans la partie précédente, ont été implémentés dans deux modèles mécaniques : le modèle mécanique classique et le modèle mécanique avec prise en compte de la déformation liée aux effets de dilatation métallurgique. Cet effet a été intégré à travers le coefficient de dilatation thermique des phases ferritiques et martensitiques et des fractions volumiques obtenues à partir du modèle thermo-métallurgique. Les résultats ont montré que la répartition des contraintes résiduelles dans la zone de fusion et dans la zone affectée thermiquement sous l’effet de la déformation thermo-métallurgique donne des valeurs supérieures à celles estimées par le modèle élasto-plastique classique.

Studies on welding processes and the reliability of assembled structures currently appear as an area of active research, open and complex as they need to combine knowledge in many different fields of physics, mechanics and processes. The distribution of residual stress plays an important role in the life of welded structures by promoting fatigue failure or cracking. Thus, a better understanding of residual stress avoids the use of higher safety factors and therefore helps to optimize the life cycle of welded structures. Through this work, we are interested in laser welding of steel DP600 dual phase welded overlap configuration, the application is the use in the automotive field. This thesis has two components: an experimental and a numerical part. The experimental study allowed us, firstly to understand the metallurgical and mechanical effects of laser welding on steel DP600 and secondly to use and validate the numerical results of the developed models. The numerical study aimed to predict the thermal history, and metallurgical changes in mechanical properties of laser beam welded sheets. We have developed three numerical models by using a finite element code inside Abaqus. The thermomechanical model allowed us to simulate the temporal and spatial distribution of temperature. In this case, the applied load is dependent on the processing parameters and characteristics of the laser beam and is associated with boundary conditions. For the mechanical model, we considered an elastoplastic behavior with a transient thermal loading result of the thermal model. The second thermo-metallurgical m odel allowed us to simulate the phenomena austenitizing during the heating phase (Waeckel model) and take into account the volume fraction of martensitic phase transformations generated by the austenite-martensite transformation during cooling (Koistinen-Marburger model). Finally, in the last part of simulation, we have achieved the metallothermo- mechanical coupling. The results obtained in the previous section have been implemented in two mechanical models: the classical mechanics model and the mechanical model taking intoaccount the deformation due to the effects of metallurgical expansion. This effect has been built through the coefficient ofthermal expansion of ferritic and martensitic phases and volume fractions obtained from the thermo-metallurgical model. The results showed that the distribution of residual stresses in the fusion zone and the heat affected as a result of the eformation thermometallurgical field gives values higher than those estimated by the classical elastic-plastic model.