Modélisation de l'histoire thermomécanique des zones soudées en Friction Stir Welding : application à la prévision des microstructures

Thermomechanical history modelling of friction stir welded area. Implementation of the microstructure cumputation

• Auteur / Autrice : Dimitri Jacquin
• Direction : Christophe Desrayaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique

Thermique

Modèles mathématiques

Soudage

Alliages

Résumé

Un modèle simple de simulation thermomécanique en trois dimensions du procédé de soudage par Friction Stir Welding est proposé dans cette présente thèse. Ce modèle a été développé en s'inspirant des travaux réalisés par Heurtier, basés sur une combinaison de champs de vitesse analytiques et numériques issus de la mécanique des fluides. Ces champs de vitesse sont introduits dans une équation thermique, en régime stationnaire, pour calculer le champ de température pendant le soudage. L'histoire thermomécanique complète du matériau pendant le process est disponible sous forme de ligne d'écoulement et de champ de température. Les effets de conduction et de convection sont pris en compte dans les équations en introduisant la formule de la dérivée particulaire. Un nouveau formalisme est introduit afin de mieux simuler les aspects thermiques du frottement de l'épaulement en sous-surface des tôles de métal. On peut estimer les déformations, les vitesses de déformation et les températures d'une particule de matière le long de sa ligne d'écoulement pendant le soudage. Les résultats obtenus sont en bonne adéquation avec les mesures expérimentales réalisées sur des tôles d'aluminium AA7449 et AA 2024 soudées en Friction Stir Welding conventionnel. Une rhéologie précise de ces deux alliages a été effectuée pour ces deux nuances. Le modèle de recristallisation dynamique continue de Montheillet-Gourdet a été utilisé pour valider le modèle thermomécanique en comparant les tailles de grain estimées avec celles mesurées sur des joints soudés.

A simple three dimensional thermomechanical model for FSW is presented. It is developed from the model proposed by Heurtier based on a combination of fluid mechanics numerical and analytical velocity fields. Those velocity fields are introduced in a steady state thermal calculation to compute the temperature field during the welding. The complete thermomechanical history of the material during the process can then be accessed by temperature and strain rate contours. Thermal diffusion and convection effects are accounted for by means of the particular derivative formula. A new formalism is introduced to better simulate the thermal effect of the shoulder on the upper surface of the metal sheet. The strains, strain rates and temperatures to which each element of the base metal is subjected as a function of time during the welding, is computed by integration along the flow lines. The calculated results are in good agreement with experimental measurements performed on a AA2024-T3 alloy friction stir welded joint. An additional microstructural modelling based on the Gourdet-Montheillet CDRX modelling is use to validate the first thermomechanical model.