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Simulation numérique du soudage (SNS) et des traitements thermiques

Depuis 2005, EC2 Modelisation développe des compétences ainsi qu’une expertise dans le domaine de la Simulation Numérique du Soudage (SNS). La SNS vise à prédire les contraintes et déformations dans les joints soudés.

Simulation distorsion soudage

Animation : cliquer ici

Contraintes et distorsions dans les assemblages soudés :


Les gradients thermiques localisés qui sont mis en jeu lors du soudage engendrent inévitablement des dilatations locales qui ont pour conséquence l’apparition de champs de déformations et de contraintes non uniformes dans le matériau, qui subsistent après retour à température ambiante.

Les distorsions  ainsi induites par le procédé peuvent poser des problèmes de tolérances dimensionnelles, tout particulièrement si les structures soudées sont minces. D’autre part, les champs de contraintes résiduelles auto-équilibrés qui subsistent après soudage dans le composant peuvent contribuer à diminuer la durée de vie de celui-ci, en favorisant les ruptures de fatigue, la fissuration et la corrosion. En outre, dans le cas de structures minces, les contraintes internes liées au soudage peuvent induire un état de flambage.

Bien que contraintes résiduelles et distorsions puissent être diminuées par des traitements thermiques ou mécaniques appropriés, leur détermination apparaît comme essentielle, pour intégrer une meilleure maîtrise des marges, pour diminuer les coefficients de sécurité et donc optimiser les coûts de réalisation, ou encore en vue d’une analyse avale de dommage.

Dans cette optique, la simulation numérique par la Méthode des Eléments Finis est devenue un outil particulièrement intéressant pour prédire contraintes et distorsions résiduelles résultant du soudage.

Contraintes résiduelles

     

Simulation numérique du soudage

Calcul des contraintes et distorsion par MEF :


Le calcul des contraintes et distorsions de soudage nécessite la modélisation des phénomènes complexes thermiques, métallurgiques et mécaniques qui interviennent de façon couplée dans la Zone Affectée Thermiquement (ZAT) lors du soudage. Ceci implique notamment :

  • Le calcul de l’évolution thermique transitoire dans les pièces soudées, à partir de la définition de l’apport de chaleur d’après les paramètres de soudage, en tenant compte de toutes les non-linéarités (propriétés thermophysiques dépendantes de la température, chaleur latente de changement d’état, conditions aux limites)
  • Le calcul, le cas échéant, de l’évolution des proportions de phases métallurgiques susceptibles d’apparaître lors du soudage (phases bainitique et martensitique dans le cas des aciers faiblement alliés), qui s’accompagne de conséquences mécaniques qu’il peut être indispensable de prendre en compte (déformation métallurgique s’ajoutant à la déformation thermique lors des transformations, comportement plastique multiphasé, plasticité de transformation…)
  • Le calcul de l’évolution mécanique transitoire, tenant compte de l’évolution thermique et surtout métallurgique, avec une loi de comportement adaptée pour toutes les phases métallurgiques en présence (écrouissage cinématique, viscoplasticité…)


Ces calculs thermiques, métallurgiques et mécaniques doivent parfois être menés de manière simultanée, dans le cas d’un fort couplage thermique et mécanique (soudage par friction, procédé stir welding...). Néanmoins dans le cas des procédés de soudage par fusion (TIG, MIG-MAG, laser…), une simulation thermométallurgique, suivie d’une simulation mécanique chainée tenant compte des effets thermiques et métallurgiques, est suffisante.

Simulation numérique

      
 

Simulation distorsion soudage

La Simulation Numérique du Soudage (SNS) pour des études industrielles :


Grâce au développement de fortes puissances de calcul, les études en simulations numérique du soudage ont été rendues possibles ces dernières années dans le domaine industriel. La Simulation Numérique du Soudage (SNS) est désormais un outil particulièrement intéressant en vue de la prédiction des contraintes et des distorsions résiduelles engendrées par les procédés de soudage, ou bien en vue du contrôle ou de l’optimisation des procédés.

La société EC2 Modélisation a acquis une large expérience dans ce domaine en réalisant plusieurs études, qui, bien que se situant le plus souvent dans un contexte R&D, répondent à des problématiques industrielles.

Tout en entretenant des liens étroits avec le laboratoire de mécanique de l’INSA (LaMCoS), qui pilote actuellement le programme de recherche « INZAT », initié en 1994 sous l’impulsion de l’industrie nucléaire, la société EC2 Modélisation assure désormais le transfert vers l’industrie d’un savoir faire qui a longtemps été uniquement l’apanage des laboratoires ou des industries de pointes.

Contraintes résiduelles

Simulation numérique du soudage