Etude des phénomènes thermo-mécaniques dans le soudage par friction-malaxage : Approches expérimentales et numériques vers des modèles prédictifs

Study of the thermo-mechanical phenomena in Friction Stir Welding : experimental and numerical approaches towards predictive models

• Auteur / Autrice : Danilo Ambrosio
• Direction : Gilles Dessein, Olivier Cahuc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique, Mécanique des Matériaux
• Date : Soutenance le 06/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Jury : Président / Présidente : Aude Simar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Dessein, Olivier Cahuc, Aude Simar, Vincent Wagner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Feulvarch, Guillaume Racineux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Simulation, Méthodes de

Soudage

Mots clés libres

Soudage par friction-malaxage

Phénomènes thermo-mecanique

Défauts

Alliages d'aluminium

Ecoulement de la matière

Modélisation

Friction stir welding

Thermo-mechanical phenomena

Defects

Material flow

Modeling

Résumé

La complexité du contact caché entre l'outil et la pièce et son influence sur l'écoulement de la matière et la qualité de la soudure représentent toujours un défi pour la communauté du soudage par friction-malaxage (FSW). Pour cette raison, des travaux expérimentaux et de simulation ont été développés pour améliorer la compréhension du processus et la relation entre les paramètres opératoires, l’écoulement de la matière et la qualité de la soudure. Tout d'abord, l'activité expérimentale a été orientée vers la mesure des quantités physiques générées pendant le processus afin d'identifier les défauts internes en analysant les caractéristiques des signaux. Ensuite, l'accent a été mis sur le champ thermique, en déterminant les fenêtres de température optimales pour garantir la santé des soudures et en identifiant la relation entre les paramètres de soudage et la température maximale dans la nugget zone par le biais d'un modèle semiempirique. Dans la deuxième partie, la modélisation s'est concentrée sur l'intégration d'une nouvelle loi d'évolution de l'endommagement pour prendre en compte l'interaction des surfaces naissantes résultant de l'endommagement pendant la simulation des processus de déformation plastique sévère (SPD) basée sur l'approche couplée Eulerian-Lagrangian (CEL). La loi d'évolution de l'endommagement proposée a été inversement calibrée sur l'interaction entre des copeaux consécutifs en coupe orthogonale et a ensuite été intégrée dans un modèle numérique 3D de FSW basé sur l'approche CEL. La similitude prometteuse de l'écoulement de la matière obtenue dans les expériences et la simulation soutient l'intégration du frottement résultant de l'endommagement dans l'approche CEL pour mieux décrire le comportement de la matière pendant les processus SPD.

The complexity of the hidden contact between the tool and the workpiece and its influence on material flow and weld quality continues to be a challenge for the friction stir welding (FSW) community. For this reason, experimental and simulation work has been developed to improve the understanding of the process and the relationship between operating parameters, material flow and weld quality. Firstly, the experimental activity was oriented towards monitoring physical quantities generated during the process to identify internal defects by analyzing signal features. Then the focus moved on the thermal field, determining the optimal temperature windows to ensure welds' soundness and identifying the relationship between welding parameters and peak temperature in the nugget zone through a semi-empirical model. In the second part, the modeling focused on integrating a new damage evolution law to take into account the interaction of newborn surfaces resulting from damage during severe plastic deformation (SPD) processes simulation based on the coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) approach. The proposed damage evolution law was inversely calibrated on the interaction between consecutive chips in orthogonal cutting and was then integrated into a 3D numerical FSW model based on the CEL approach. The promising similarity of the material flow obtained in experiments and simulation supports integrating the frictional resistance resulting from damage in the CEL approach to better describe the material behavior during SPD processes.