Modelling of friction stir welding of aluminium alloys
Modélisation du soudage d'alliages d'aluminium par friction et malaxage
Résumé
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°C and 500°C 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.
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°C and 500°C 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.
L'objectif de l'étude consiste en l'établissement d'une modélisation prédictive du procédé avec des temps de calcul acceptables en vue d'optimiser le procédé vis-à-vis de la tenue mécanique de l'assemblage soudé. Le modèle mis en place est constitué de deux étapes sucessives.
Lors de la première étape, un calcul stationnaire thermohydrodynamique couplé permet d'obtenir le champ de température et l'écoulement de matière autour de l'outil. Pour cela, un comportement purement visqueux est adopté et la zone de contact outil-matière est modélisée par des conditions de glissement. Des données expérimentales obtenues par thermographie infrarouge ont permis de fixer deux paramètres de ce modèle.
La seconde étape du modèle s'appuie sur un comportement élastoviscoplastique pour déterminer l'état mécanique résiduel d'un assemblage. Pour cela, l'écoulement de matière permet de suivre l'histoire de chaque particule, en particulier lors de leur passage autour de l'outil. Le champ de température permet de quantifier la dissolution des précipités durcissants au sein de l'alliage et de tenir compte de la variation avec la température des paramètres de la loi de comportement adoptée. En outre, la fraction de précipités dissous est reliée à la limite d'élasticité du matériau. Une méthode de calcul stationnaire est utilisée pour obtenir directement l'état stationnaire des variables mécaniques.
Les résultats obtenus sont en accord avec des profils de contraintes résiduelles publiés dans la littérature. De plus, l'influence de la vitesse de soudage et de la vitesse de rotation de l'outil a été étudiée au regard des contraintes résiduelles simulées.
Lors de la première étape, un calcul stationnaire thermohydrodynamique couplé permet d'obtenir le champ de température et l'écoulement de matière autour de l'outil. Pour cela, un comportement purement visqueux est adopté et la zone de contact outil-matière est modélisée par des conditions de glissement. Des données expérimentales obtenues par thermographie infrarouge ont permis de fixer deux paramètres de ce modèle.
La seconde étape du modèle s'appuie sur un comportement élastoviscoplastique pour déterminer l'état mécanique résiduel d'un assemblage. Pour cela, l'écoulement de matière permet de suivre l'histoire de chaque particule, en particulier lors de leur passage autour de l'outil. Le champ de température permet de quantifier la dissolution des précipités durcissants au sein de l'alliage et de tenir compte de la variation avec la température des paramètres de la loi de comportement adoptée. En outre, la fraction de précipités dissous est reliée à la limite d'élasticité du matériau. Une méthode de calcul stationnaire est utilisée pour obtenir directement l'état stationnaire des variables mécaniques.
Les résultats obtenus sont en accord avec des profils de contraintes résiduelles publiés dans la littérature. De plus, l'influence de la vitesse de soudage et de la vitesse de rotation de l'outil a été étudiée au regard des contraintes résiduelles simulées.