Belhadj, Asma (2009) Experimental and numerical contribution laser welding study: application to magnesium alloys. PhD thesis Mécanique et Matériaux, Mécasurf / MA2I, ENSAM 2009ENAM0001 p.151.
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Abstract
This work deals with laser beam welding of AM60 magnesium alloy. It concerns experimental investigations and numerical simulations. The experimental study aims to investigate metallurgical and mechanical process consequences on studied alloy and to validate thermal model results. Firstly, a parametric study allows the determination of the CO2 laser beam welding parameters of plates with 3 mm thickness. Secondly, temperature evolution according time during welding are monitored using thermocouples fixed in the vicinity of the weld. Then, metallographic investigations are performed to reveal that the coarse grains of base metal are transformed into dendritic structure in the molten zone. Whereas, in the heat affected zone, a reduction in primary phase grain size is observed. Finally, mechanical characterisations show an increase in hardness in molten zone and a reduction in total elongation for the weld. But, strength properties are similar in the weld and base metal. The numerical study aims to predict thermal history and mechanical characteristics evolution of weldment during laser welding. Within the Finite Element (FE) code Cast3M, two three-dimensional nonstationary and nonlinear models are developed. The first allows the simulation of the space-time temperature distribution. In this case, the applied loading depends on process parameters and laser beam characteristics. It is associated to mobile boundary conditions. The thermal model results are in agreement with monitored temperature evolutions. In the second simulation, residual stresses and strains distributions are determined during welding. For the mechanical model, an elastoplastic behaviour with a transitory thermal loading is assumed, resulting from the thermal model. The nonlinear transitory analysis is able to predict stresses and strains evolutions according time as well as residual stress and strain distribution generated in the laser beam welded parts. The comparison of the residual stresses simulated profile with results from the literature enables a qualitative validation of the mechanical model
| Item Type: | PhD Thesis (PhD) |
|---|---|
| PhD Supervisor: | Barrallier, Laurent and Bessrour, Jamel and Bouhafs, Mahmoud |
| Date: | 05 March 2009 |
| Board of examiners: | Ammar, Lotfi and Blandin, Jean-Jacques and Ben cheikh larbi, Ahmed and Fathallah, Raouf and Barrallier, Laurent and Bouhafs, Mahmoud |
| Ecole Doctorale: | ED 432 ECOLE DOCTORALE SCIENCES DES METIERS DE L'INGENIEUR |
| Discipline: | Mécanique et Matériaux |
| Collection (Fonds): | Arts et Métiers ParisTech (ENSAM) |
| Institution: | ENSAM |
| Department: | Mécasurf / MA2I |
| Subjects: | 4. Materials Science, Mechanics and Mechanical Engineering |
| Uncontrolled Keywords: | Soudage laser, Alliage de magnésium, Caractérisations expérimentales, Simulations numériques, Laser welding, Magnesium alloy, Experimental investigation, Numerical simulation |
| ID Code: | 4942 |
| Deposited By: | Asma BELHADJ |
| Deposited On: | 23 July 2009 |
Table of content
Sommaire
Liste des figures __________________________________________________________ 4
Liste des tableaux_________________________________________________________ 7
Nomenclature____________________________________________________________ 8
Introduction générale ____________________________________________________ 11
CHAPITRE 1 : Etude bibliographique_______________________________________ 13
Introduction à l’étude bibliographique _________________________________________ 13
1. Présentation des alliages du magnésium____________________________________ 14
1.1. Propriétés du magnésium pur ________________________________________________ 14
1.2. Les alliages du magnésium __________________________________________________ 14
1.2.1. Désignation ____________________________________________________________ 14
1.2.2. Classification des alliages de magnésium_____________________________________ 15
1.2.2.1 Les alliages de fonderie______________________________________________ 15
1.2.2.2 Les alliages de corroyage ____________________________________________ 15
1.2.3. Avantages et inconvénients des alliages de magnésium__________________________ 16
1.2.4. Utilisation des alliages de magnésium dans l’industrie __________________________ 18
1.2.5. Métallurgie des alliages de magnésium ______________________________________ 19
2. Le soudage par faisceau laser_____________________________________________ 22
2.1. Le rayonnement laser_______________________________________________________ 22
2.2. Principe du soudage par faisceau laser _________________________________________ 23
2.3. Paramètres du soudage laser _________________________________________________ 24
2.3.1. Le couple Puissance - vitesse ______________________________________________ 25
2.3.2. Profil de puissance du rayon et sa focalisation _________________________________ 26
2.3.3. Gaz de protection _______________________________________________________ 27
2.4. Différents types du soudage par faisceau laser ___________________________________ 28
3. Soudage laser des alliages de magnésium ___________________________________ 30
4. Simulation numérique du soudage ________________________________________ 34
4.1. Phénomènes physiques au cours du soudage_____________________________________ 34
4.2. Modélisation du comportement thermique ______________________________________ 35
4.2.1. Mise en équation________________________________________________________ 35
4.2.2. Modélisation de la source de chaleur ________________________________________ 36
4.3. Modélisation du comportement mécanique______________________________________ 38
4.3.1. Mise en équation________________________________________________________ 38
4.4. Méthodes de résolution _____________________________________________________ 40
4.4.1. Les méthodes analytiques _________________________________________________ 40
4.4.2. La méthode des éléments finis _____________________________________________ 41
4.4.2.1 Analyse transitoire tridimensionnelle ___________________________________ 41
4.4.2.2 Approche locale/globale _____________________________________________ 42
4.4.2.3 Analyse en régime quasi-stationnaire ___________________________________ 42
4.4.2.4 Analyse bidimensionnelle ____________________________________________ 42
5. Utilité et exploitation de l’étude bibliographique_____________________________ 43
CHAPITRE II : Étude expérimentale du soudage laser des alliages de magnésium___ 44
Introduction _______________________________________________________________ 44
1. Protocole expérimental du soudage________________________________________ 45
1.1. Choix du matériau _________________________________________________________ 45
1.2. Présentation du dispositif du soudage laser ______________________________________ 45
2. Etude paramétrique du soudage laser de l’alliage de magnésium AM60 _________ 48
2.1. Plan d’optimisation ________________________________________________________ 48
2.2. Méthodes de contrôles des soudures ___________________________________________ 49
Sommaire
-2-
2.3. Influence des paramètres technologiques - Domaine de soudabilité ___________________ 50
3. Mesure de la température au cours du soudage______________________________ 58
3.1. Instrumentation ___________________________________________________________ 58
3.2. Résultats et discussions _____________________________________________________ 60
4. Etude métallurgique ____________________________________________________ 64
4.1. Méthodes expérimentales ___________________________________________________ 64
4.2. Caractérisation du métal de base ______________________________________________ 64
4.2.1. Microstructure__________________________________________________________ 64
4.2.2. Analyses chimiques _____________________________________________________ 66
4.3. Caractérisation du joint de soudure ____________________________________________ 70
4.3.1. Microstructure__________________________________________________________ 70
4.3.2. Analyses chimiques _____________________________________________________ 71
5. Analyse Diffractométrique _______________________________________________ 75
5.1. Analyses par diffraction des Rayons X _________________________________________ 75
5.2. Analyse des phases ________________________________________________________ 77
5.3. Etude de la texture _________________________________________________________ 80
5.4. Analyse des contraintes résiduelles ____________________________________________ 81
6. Analyse thermique _____________________________________________________ 82
6.1. Méthode expérimentale _____________________________________________________ 82
6.2. Résultats et discussions _____________________________________________________ 84
7. Etude mécanique _______________________________________________________ 86
7.1. Détermination de la micro-dureté _____________________________________________ 86
7.1.1. Méthode expérimentale___________________________________________________ 86
7.1.2. Résultats et discussion ___________________________________________________ 87
7.2. Essai de traction___________________________________________________________ 88
7.2.1. Méthode expérimentale___________________________________________________ 88
7.2.2. Résultats et discussion ___________________________________________________ 89
Conclusions________________________________________________________________ 93
CHAPITRE III : Étude Numérique du soudage laser des alliages de magnésium ____ 94
Introduction _______________________________________________________________ 94
1. Outils de simulation numérique___________________________________________ 94
1.1. Choix du code de calcul numérique et démarche suivie ____________________________ 94
1.2. Calcul transitoire non linéaire sur Cast3M ______________________________________ 96
2. Hypothèses de la simulation ______________________________________________ 96
3. Discrétisation spatiale – Maillage tridimensionnel____________________________ 97
4. Etude du comportement thermique_______________________________________ 100
4.1. Modélisation du comportement thermique _____________________________________ 100
4.1.1. Bilan énergétique au cours du soudage laser _________________________________ 100
4.1.2. Formulation mathématique du problème thermique ____________________________ 101
4.1.3. Modélisation de la source de chaleur _______________________________________ 102
4.2. Simulation numérique du comportement thermique ______________________________ 103
4.2.1. Paramètres de simulation ________________________________________________ 103
4.2.1.1 Lois de comportement______________________________________________ 103
4.2.1.2 Propriétés matérielles ______________________________________________ 103
4.2.1.3 Chargement ______________________________________________________ 105
4.2.1.4 Condition initiale et conditions aux limites______________________________ 106
4.2.1.5 Discrétisation temporelle____________________________________________ 106
4.2.2. Résolution numérique ___________________________________________________ 107
4.2.3. Influence des quelques paramètres de simulation sur les résultats numériques._______ 109
4.2.3.1 Influence des propriétés thermo-physiques ______________________________ 109
4.2.3.2 Influence du plasma _______________________________________________ 110
4.2.4. Résultats du modèle thermique____________________________________________ 111
4.3. Analyse comparative expérience - simulation ___________________________________ 116
Sommaire
-3-
5. Etude du comportement mécanique ______________________________________ 120
5.1. Modélisation du comportement mécanique_____________________________________ 120
5.2. Simulation numérique du comportement mécanique _____________________________ 120
5.2.1. Paramètres de simulation ________________________________________________ 120
5.2.1.1 Lois de comportement et chargements _________________________________ 120
5.2.1.2 Propriétés matérielles ______________________________________________ 121
5.2.1.3 Condition initiale et conditions aux limites. _____________________________ 122
5.2.2. Résolution numérique ___________________________________________________ 122
5.2.3. Résultats du modèle mécanique ___________________________________________ 123
5.2.3.1 Evolution des contraintes instantanées _________________________________ 123
5.2.3.2 Etats de contraintes résiduelles _______________________________________ 129
5.2.3.3 Etats de déformations ______________________________________________ 131
5.3. Analyse comparative expérience - simulation ___________________________________ 133
Conclusion _______________________________________________________________ 136
Conclusion générale et perspectives ________________________________________ 137
Références bibliographiques ______________________________________________ 140
Annexes
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