Bastier, Arnaud (2006) Modelling of friction stir welding of aluminium alloys. PhD thesis LMS, EP - LMS Laboratoire de Mécanique des Solides - ENSTA / UME - Laboratoire de Mécanique, EP/X p.158.

Alternative Locations: http://www.imprimerie.polytechnique.fr/Theses/Files/Bastier.pdf

Abstract

The purpose of this work is to establish a reliable computational method for the simulation of friction stir welding. The numerical simulation consists of two successive steps.

First, a thermohydrodynamic model based on a viscous incompressible non-Newtonian constitutive law is used to establish the temperature field and the material flow around the tool. To this end, two coefficients related to the contact description have been determined by an optimisation procedure using experimental data obtained by IR thermography.

The second part is devoted to the determination of the residual state of a friction stir welded assembly. To this end, an elastoviscoplastic constitutive law for aluminium alloys at temperatures between $20^oC$ and $500^oC$ has been developed. Furthermore, the whole thermal, metallurgical and mechanical history of each particle is taken into account by using the path lines previously computed. A metallurgical model is used to calculate the fraction of dissolved precipitates which is related to the yield stress of the alloy. Finally, the steady state assumption leads to a substantial reduction of computational time.

A good agreement between experimental and simulated data has been observed. Moreover, a parametric study about the influence of welding and rotation speeds on residual stresses has been carried out.

Table of content

Introduction générale

1. Étude bibliographique

1.1 Introduction

1.2 Généralités sur le soudage des alliages d'aluminium

1.3 Le procédé de soudage par friction et malaxage

1.4 Étude bibliographique de la modélisation du soudage par friction et malaxage

1.5 Conclusions

2. Modélisation du procédé de soudage par friction et malaxage

2.1 Introduction

2.2 Première étape: détermination du champ de température et de l'écoulement de matière

2.3 Deuxième étape: détermination de l'état mécanique résiduel

2.4 Conclusions

3. Simulation numérique du procédé de soudage par friction et malaxage

3.1 Introduction

3.2 Optimisation des paramètres du modèle à partir de données expérimentales

3.3 Présentation des résultats thermiques

3.4 Présentation des résultats du modèle d'écoulement visqueux

3.5 Sensibilité des résultats de la première étape du modèle à quelques paramètres

3.6 Présentation de l'état résiduel d'un assemblage

3.7 Étude de l'influence de quelques aspects de la seconde étape du modèle

3.8 Influence des paramètres alpha et beta sur le modèle

3.9 Conclusions

4. Perspectives: vers une modélisation unifiée du friction stir welding?

4.1 Introduction

4.2 Élaboration d'une méthode de calcul stationnaire en grandes déformations

4.3 Application de la méthode de calcul stationnaire élastoplastique en grandes déformations

4.4 Conclusions

Conclusions générales

Annexes

Bibliographie

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