Investigations numériques et expérimentales de la dynamique et de la morphologie d’interface lors du soudage par impulsion magnétique

Investigation and computation of the interface dynamic during magnetic pulse welding

• Auteur / Autrice : Jishuai Li
• Direction : Mohamed Rachik, Rija Nirina Raoelison
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Matériaux : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 25/03/2021
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Microstructure (physique)

Interfaces (sciences physiques)

Propriétés mécaniques

Assemblages (technologie)

Métaux -- Traitement thermomécanique

Travail des métaux

Soudures

Soudabilité

Soudage

Mots clés libres

Soudage par impulsion magnétique

Cinétique thermomécanique

MPW

High speed impact welding

Magnetic pulse welding (MPW)

Numerical simulation

Interface

Wavy

Vortex

Swirling

Weldability window

Résumé

L'assemblage de métaux dissemblables ayant des propriétés thermiques différentes à l'aide des procédés traditionnels de soudage par fusion reste une tâche difficile. Le soudage par impulsions magnétiques (MPW) est un procédé à l'état solide qui permet d'assembler des métaux dissemblables par impact à grande vitesse sans créer de bain de soudure. Le MPW implique des phénomènes multiphysiques dans des conditions dynamiques rapides qui affectent le joint. L'objectif de cette thèse est de comprendre les mécanismes, la cinétique thermomécanique et les changements métallurgiques à l'interface pendant le MPW Al/Cu. Les effets des matériaux de mise en forme du champ et de la tension de décharge d'entrée sur la microstructure et les comportements mécaniques locaux des joints ont été étudiés. Un modèle électromagnétique-mécanique couplé a été utilisé pour prédire la vitesse et l'angle d'impact le long de toute l'interface de soudage à l'échelle macroscopique, et ils ont été utilisés pour comprendre la cinématique de l'impact et la physique derrière la formation de diverses zones de soudage du joint. Les conditions d'impact obtenues ont ensuite été analysées à l'aide d'une simulation thermomécanique basée sur une formulation eulérienne. Ces simulations thermomécaniques ont permis de comprendre les évolutions microstructurales locales, et en particulier les morphologies d'interface, au développement des variables de champ thermomécaniques et cinématiques au sein du matériau, notamment au niveau et autour de l'interface. Les changements structurels au sein de l'interface ont été décrits en fonction des paramètres directeurs. Enfin, nous avons établi les interactions matériau/processus qui régissent le comportement du MPW afin de prédire et de spécifier les conditions de soudabilité de la combinaison Al/Cu MPW. Les études expérimentales et informatiques de la dynamique de l'interface permettent de comprendre en détail le mécanisme fondamental, la cinétique thermomécanique et les conséquences des instabilités de l'interface dans les MPW. En outre, elles contribuent efficacement à combler le fossé entre la recherche scientifique et l'application industrielle du MPW.

Joining dissimilar metals with different thermal properties using traditional fusion welding processes remains a challenging task. Magnetic pulse welding (MPW) is a solid state process that enables to join dissimilar metals using high speed impact without creating a weld pool. MPW involves multiphysics phenomena under fast dynamic conditions that affect the joint. The aim of this thesis is to understand the mechanisms, thermomechanical kinetics and metallurgical changes at the interface during Al/Cu MPW. The effects of the field-shaper materials and input discharge voltage on the microstructure and local mechanical behaviours of the joints were investigated. A coupled electromagnetic-mechanical model was used to predict the impact velocity and impact angle along the whole welding interface at macroscopic scale, and they were used to understand the impact kinematics and the physics behind the formation of various welding zones of the joint. The obtained impact conditions were then analysed using thermomechanical simulation based on Eulerian formulation. These thermomechanical simulations helped to understand the local microstructural evolutions, and in particular the interface morphologies, to the development of thermomechanical and kinematics field variables within the material, particularly at and around the interface. The structural changes within the interface were depicted depending on governing parameters. Finally, we established the material/process interactions that govern the behaviour of MPW to predict and specify the weldability conditions for Al/Cu MPW combination. The experimental and computational investigations of the interface dynamic enable to comprehensively understand the fundamental mechanism, thermomechanical kinetics and consequences of interface instabilities in MPW. Moreover, they efficiently contribute to bridge the gap between scientific research and industrial application of MPW.