Numerical and experimental study on residual stresses in laser beam welding of dual phase DP600 steel plates

par Shibo Liu

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Adinel Gavrus.

  • Titre traduit

    Etude numérique et expérimentale des contraintes résiduelles générées lors du soudage laser sur des plaques d'acier dual phase DP600


  • Résumé

    Le procédé de soudage laser est largement utilisé dans les travaux d'assemblage, en particulier, dans ledomaine de l'industrie automobile. L'acier dual phase DP600 est un acier à haute résistance qui permet deréduire le poids de l'automobile dans le cadre de l'allègement des structures. Notre travail s' estessentiellement basé sur l'évaluation des contraintes résiduelles générées dans l'acier DP600 lors du soudagepar laser. Deux approches ont été réalisées. L'approche expérimentale a été réalisée à l'aide de méthodes derayon X et par neutrons pour calculer les contraintes résiduelles. L'approche de simulation a été réalisée parcouplage de différentes formulations numériques.Numériquement, le formalisme de la mécanique continue a été utilisé par des simulations par éléments finis(FEM) pour analyser et évaluer les contraintes résiduelles. Sur la base de tests de traction expérimentaux, lemodèle constitutif élasto-thermo-plastique de l'acier DP600 a été identifié. L'écrouissage du matériau a étéétudié par la loi de Ludwik et de Voce. A partir de résultats experimentaux, un modèle a été proposé et lesrésultats analysés en utilisant une loi de mélange martensite (écrouissage Ludwik) et ferrite (adoucissementde Voce). De même, nous avons étudié la sensibilité à la température en utilisant plusieurs modèles :Johnson-Cook, Khan, Chen. A partir de cette étude, nous avons proposé un modèle de sensibilité à tatempérature. Enfin, un modèle de sensibilité à la déformation plastique, à la vitesse de déformation issu destravaux d'A.Gavrus et un modèle d'anisotropie planaire définit par la théorie de Hill ont été ajoutés.Une méthode d'automate cellulaire (CA) 2D a été programmée pour simuler l'évolution de la microstructurelors de la solification liée au processus de soudage laser. Dans ce modèle, les phénomènes de nucléationavec prise en compte de l'orientation de la croissance, de la concentration et de la vitesse de croissance àl'interface solide/liquide, l'anisotropie de la tension de surface, de la diffusion, ainsi que la fraction desphases en présence ont été pris en compte. De plus, les équations de conservation ont été étudiées en détail etanalysés. Les résultats ainsi que le champ de température issu du modèle FEM ont été importés dans lemodèle CA. En comparant la simulation et les résultats expérimentaux, de bonnes concordances ont ététrouvées.Par la suite, nous avons réalisés un couplage des deux modèles CA et FEM. Concernant le procédé laser, lesrésultats du modèle par éléments finis ont été analysés. La géométrie de l'échantillon, la source de chaleur,les conditions aux limites, le comportement thermo-mécanique de l'acier dual phase DP600 telles que laconductivité, la densité, la chaleur spécifique, l'expansion, l'élasticité et la plasticité sont introduites. Lesmodèles d'analyse du terme d'écrouissage, de la sensibilité à la vitesse de déformation, de la sensibilité à latempérature, de l'anisotropie plastique et de l'anisotropie élastique ont été simulés. Les fractions volumiquesconcernant ta nature des deux phases en présence ont été également étudiées.Les résultats numériques finaux tes contraintes résiduelles ont été étudiées. Les comparaisons avec desmesures experimentales ont montré à la fois quels phénomènes étudiés sont prépondérants et tes effets moinsinfluents sur l'évaluation des contraintes résiduelles. Les résultats tes plus probants ont montré des bonnesconvergences entre l'approche numérique et expérimentale. Ces résultats confortent la robustesse du modèlenumérique developpé.


  • Résumé

    Laser welding process is widely used in assembly work of automobi le industry. DP600 dual phase steeis a high strength steel to reduce automobile weight. Residual stresses are produced during laser weldingDP600. Continuum mechanics is used for analyzing res idual stresses by finite element simulation.Based on experimental tensile tests, the DP600 steel constitutive model are identified. The hardening termaccording to Ludwik law, Voce law and a proposed synthesis model are studied. The temperature sensitivityof Johnson-Cook, Khan, Chen and a proposed temperature sensitivity model are investigated. The strain ratesensitivity model proposed by A. Gavrus and planar anisotropy defined by Hi ll theory are also used.Cellul ar Automaton (CA) 20 method are programed for the simulation of solidification microstructureevolution during laser welding process. The temperature field of CA are imported from finite element analysimodel. The analysis function of nucleation, solid fraction, interface concentration, surface tension an isotropy,diffusion, interface growth ve locity and conservation equations are presented in detail. By comparing thesimulation and experimental results, good accordances are found.Modelling by a finite element method of laser welding process are presented. Geometry of specimen, heatsource, boundary conditions, DP600 dual phase steel material properties such as conductivity, density, specifiheat, expansion, elasticity and plasticity are introduced. Models analyzing hardening term, strain ratesensitivity, temperature sensitivity, plastic an isotropy and elastic an isotropy are simulated.The numerical results of laser welding DP600 steel process are presented. The influence of hardening term,strain rate sensitivity, temperature sensitivity and anisotropy on residual stresses are analyzed. Comparisonwith experimental data show good numerical accuracy.Keywords: Laser Welding, DP600, Residual Stress, Cellular Automaton, Hardening, Temperature sensitivity,Strain Rate Sensitivity, Anisotropy, Mixture dual phase law.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Institut National des Sciences Appliquées. Bibliothèque.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.