= Analyse expérimentale et simulation numérique des contraintes résiduelles et des distorsions induites par soudage laser dans les plaques d’AA 6056-T4 pour l’application aéronautique

Experimental investigation and numerical simulation of laser beam welding induced residual stressed and distorsions in AA 6056-T4 sheets for aeronautic application

• Auteur / Autrice : Muhammad Zain-ul-abdein
• Direction : Daniel Nélias, Jean-François Jullien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes résiduelles

Analyse mécanique dynamique

Analyse thermique

Alliages

Soudage laser

Soudage

Soudures

Aéronautique

Mécanique appliquée

Résumé

Ce travail se concentre sur les mesures expérimentales et les simulations numériques des contraintes résiduelles et des distorsions induites par le soudage laser utilisant les conditions aux limites mécaniques et thermiques, appliquées dans le milieu industriel sur des plaques minces d’un alliage d'aluminium AA 6056-T4. Plusieurs expériences de petites échelles ont été réalisées avec différents instruments, comme des thermocouples et des capteurs LVDT qui ont été utilisés pour enregistrer, respectivement, les températures et les déplacements pendant le soudage. La caméra infrarouge a été aussi utilisée pour qualifier l’évolution de la température de bain fondu en fonction du temps. Les mesures de déplacements dans le plan et hors-plan ont été obtenues par stéréo-corrélation d’images. Une micrographie a été réalisée pour mesurer les dimensions de la zone de fusion. La base de données ainsi préparée a servi de point de référence pour la validation des résultats de simulation numérique. La caractérisation thermomécanique du 6056-T4 est également effectuée pour identifier les propriétés des matériaux à utiliser lors de la simulation numérique. Les simulations par éléments finis sont effectuées avec le logiciel commercial Abaqus et les modèles de source de chaleur volumétrique avec distribution Gaussienne du flux sont programmés en Fortran. Les conditions aux limites thermiques et mécaniques utilisées dans l’industrie sont intégrées aux modèles. Les analyses thermiques sont effectuées en premier pour atteindre la géométrie de zone de fusion et les champs de température souhaitées. Les analyses mécaniques sont effectuées ensuite pour prédire la déformation et l’état de contraintes résiduelles. La loi de comportement du matériau est considérée élasto-plastique / élasto-viscoplastique avec écrouissage isotrope (modèle de plasticité de von Mises). Les analyses comparatives entre les résultats expérimentaux et les simulations présentent une bonne concordance des valeurs. Enfin, les états de contraintes et déformations résiduelles sont évaluées par calcul.

The effort is made in this work to experimentally measure and numerically simulate the residual stresses and distortions induced by laser beam welding with industrially used thermal and mechanical boundary conditions on the thin sheets of an aluminium alloy AA 6056-T4. Several small scale experiments were carried out with various instrumentations like thermocouples and LVDT sensors, which were used to record the temperatures and displacements during welding, respectively. Infra-red camera was also used to qualify the evolution of weld pool temperature as a function of time. Measurements of in-plane and out-of-plane displacements were achieved by stereo image correlation technique. Micrography was carried out to measure the dimensions of fusion zone. The database so prepared served as benchmark for the validation of numerical simulation results. Thermo-mechanical characterisation of 6056-T4 was also performed in order to identify the material properties to be used during numerical simulation. Finite element (FE) simulations are performed with the commercial FE software Abaqus and the volumetric heat source models with Gaussian distribution of flux are programmed in Fortran. The industrially used thermal and mechanical boundary conditions are integrated in the numerical models. Heat transfer analyses are performed first in order to achieve the required weld pool geometries and temperature fields. Mechanical analyses are performed next so as to predict the distortion and the residual stress state. The material is assumed to follow elasto-plastic and/or elasto-viscoplastic law with isotropic hardening (von Mises plasticity model). The comparative analyses between the experimental and simulation results have shown good agreements. Finally, the residual stress and strain states are evaluated through simulations