La simulation numérique du soudage peut être améliorée par une meilleure connaissance des propriétés thermophysiques des métaux à l’état liquide. Un approfondissement de cette connaissance requiert un dispositif capable de conditionner ces métaux à de très hautes températures en vue de les caractériser. Après un état de l’art sur les techniques de caractérisation adaptées à ces échelles de températures (chapitre 1), ce manuscrit détaille les travaux, principalement expérimentaux, dédiés aux développements d’un dispositif capable d’élever des métaux jusqu’à 2 500 °C (chapitres 3 et 4) et d’un pyromètre à cinq longueurs d’onde pour mesurer cette température (chapitres 2, 4 et 5). Le dispositif chauffe par induction une tour en graphite, le creuset étant placé en son centre, et a été dimensionné via une simulation magnéto-thermique 2D axisymétrique à l’aide du logiciel Comsol Multiphysics®. Parallèlement, le pyromètre a été développé dans le but de mesurer simultanément la température et l’émissivité. En l’absence de corps noir à hautes températures, plusieurs expériences ont été menées pour étalonner ce dernier ; elles ont été basées sur la mesure de la température de fusion/solidification de corps purs. En fonction de leur tenue et pour couvrir la plus large gamme de température possible, les métaux choisis sont le fer, le chrome, ou encore le niobium. Les expériences ont montré l’efficacité du pyromètre et la capacité maximale du dispositif hautes températures lors de la fusion du niobium à environ 2 500 °C. Enfin, le pyromètre a été utilisé lors d’une opération de soudage à l’arc, au cours de laquelle la température a été estimée sur une gamme de 1 000°C – 2 500°C. / Welding simulation can be improved by a better knowledge of molten metals thermophysical properties. This improvement requires characterization using a very high temperature apparatus. After portraying a state of the art on characterization technics adapted to this temperature range (chapter 1), this manuscript details works, principally experimental, dedicated to the developments of a device able to heat metals up to 2 500 °C (chapters 3 and 4) and of a five wavelengths pyrometer in order to measure this temperature (chapters 2, 4 and 5). The device heats by induction a graphite tower, the crucible being placed at its center, and has been dimensioned by a magneto-thermal 2D axisymmetric simulation using the Comsol Multiphysics® software. In parallel, the pyrometer has been developed in order to measure both temperature and emissivity. In the absence of a high temperature blackbody, several experiments were carried out for the calibration of it; they were based on the use of the luminance of pure metals at their melting point. In order to cover the largest temperature range possible, chosen metals were iron, chromium, and even niobium. These experiments showed the efficiency of the pyrometer and the maximal ability of the high temperature device during the niobium melting around 2 500 °C. Finally, the pyrometer has been used on an arc welding process, in which temperature has been evaluated over a 1 000 °C – 2 500 °C temperature range.

Le matériau principal de cette étude est l’acier inoxydable austénitique 316L(N) (X2CrNiMo17-12-2 à teneur en azote contrôlée) envisagé dans la conception de la cuve et des structures du circuit primaire des futurs réacteurs de quatrième génération refroidis au sodium. Pour assembler des composants de forte épaisseur, il faut réaliser des soudages multipasses avec métal d'apport. Lors du soudage, il a parfois été constaté des défauts de fissuration à chaud de solidification au refroidissement dans la zone pâteuse, près du bain de fusion. Ces fissures sont des décohésions du matériau apparaissant à haut température le long des joints de grains lorsque la déformation dépasse un seuil critique. Il est donc nécessaire de prévenir ce risque en utilisant un critère de fissuration à chaud. L'approche utilisée dans cette étude est double : développer un essai de fissuration à chaud à chargement extérieur, puis simuler numériquement ces expériences pour déterminer un seuil critique en déformation en utilisant un critère proposé par Kerrouault. Une version améliorée d’un essai de fissuration à chaud (Controlled Restraint Weldability (CRW) test) a été proposé dans cette étude afin d'analyser la susceptibilité à la fissuration de solidification du matériau 316L(N) et d’un métal d'apport de nuance Thermanit 19-15H. L'objectif de ce test est, en fonction de l'intensité du chargement extérieur, d'amorcer une fissure dans un régime thermique établi, puis d’arrêter la propagation de cette fissure si les conditions thermomécaniques locales sont remplies. Le modèle de comportement du matériau choisi est une loi élasto-visco-plastique à écrouissage mixte. Des essais thermomécaniques sur un simulateur Gleeble ont été réalisés à haute température afin d'identifier et d’améliorer la loi de comportement du matériau 316L(N). Le grossissement des grains dans la zone affectée thermiquement a été modélisé et intégré dans ce modèle. Les intervalles de fusion et de solidification du matériau 316L(N) ont été déterminés par des essais ATD (Analyse Thermique Différentielle). Des analyses des microstructures de solidification ont été également menées afin de mieux comprendre le phénomène de fissuration à chaud. Certains essais CRW ont ensuite été modélisés et simulés par éléments finis en utilisant les logiciels Cast3M et Abaqus afin valider le critère de fissuration à chaud et de déterminer un seuil critique de fissuration pour l'acier 316L(N). / The austenitic stainless steel AISI 316L(N) (X2CrNiMo17-12-2) with controlled nitrogen content is widely used for manufacture of vessel and primary circuit structures of the 4th Generation sodium- cooled fast reactors. Multi-pass welds with an appropriate filler metal is used to assemble thick components. Solidification cracks may occur in the mushy zone near the melting weld poor during solidification when a liquid film is distributed along grains boundaries and interdendritic regions and the shrinkage strains across the boundaries cannot be accommodated. It is therefore necessary to prevent this defect using a hot cracking criterion. The approach used in this study is to initiate experimentally a hot crack by a weldability test, and then to simulate these tests to identify a critical strain using a hot crack criterion for the prediction of solidification cracking. Therefore, a hot cracking test (Controlled Restraint Weldability (CRW) test) is proposed in the present study to analyze the susceptibility to hot cracking for base metal 316L(N) and its filler metal 19-15H Thermanit grade. This test is designed to initiate a hot crack in thermal steady state, and then to stop the crack once the local thermomechanical conditions are met. The initiation and stop of the crack depend on external mechanical preload. The material constitutive equations chosen for the material is a visco-plastic model with isotropic and kinematic hardening. The Gleeble thermomechanical tests have been performed at high temperature in order to identify material parameters. The increase of the grain size in the thermally affected zone was modeled and integrated into constitutive equations. The temperature range of melting and solidification of 316L(N) were determine by using the Differential Thermal Analysis (DTA). The analysis of the solidification microstructures were also carried out in order to better understand the phenomenon of hot cracking. Some CRW tests were then simulated by finite element method using the Cast3M and Abaqus software in order to valid the hot cracking criterion and to determine a thermomechanical criterion of hot cracking for 316L(N).

Le soudage est une méthode d’assemblage couramment utilisée dans l'industrie. Cependant, ce procédé a ses propres inconvénients, notons principalement la présence de porosités ou de contraintes résiduelles, qui peuvent affecter la tenue en service d’une structure. Notre étude se concentre sur un assemblage soudé d'un acier à haute limite d’élasticité. L’objectif de ce travail de thèse est de proposer une démarche mécano-fiabiliste qui permet de prédire la tenue d’une structure soudée en T en présence d'un défaut de type porosité. De ce fait, il est indispensable d’avoir un modèle numérique décrivant finement le comportement de ce type de structure. Une étude expérimentale est donc effectuée permettant d’identifier les caractéristiques des zones de soudure et leurs comportements mécaniques. Des méthodes de mesure (méthode des contours et diffraction de rayon X) permettent de déterminer le champ des contraintes résiduelles dans toute la surface de la structure soudée. Ces résultats expérimentaux ont permis d’enrichir un modèle numérique. Dans le code de simulation par éléments finis, le champ de contraintes résiduelles et la porosité dans le joint de la soudure sont pris en compte. Les simulations numériques réalisées sous ABAQUS avec des modèles élastiques ou élasto-plastiques nous ont permis d'identifier les zones de sécurité et de rupture dans un cordon de soudure ainsi que les configurations critiques. L'approche fiabiliste permet de déclarer un niveau de risque de la soudure avec un niveau de confiance donné compte-tenu des incertitudes des moyens d’inspection du défaut de porosité / Welding is a method of assembly commonly used in the industry. However, this method has several problems, mainly the presence of porosity or residual stress, which can affect the operating performance of a structure. Our study focuses on a welded joint of High-strength low-alloy (HSLA) steel.The objective of this thesis is to propose a mechanical reliability based approach in order to predict the reliability of a T-welded structure containing porosity. Therefore, it is essential to have a numerical model that describes finely the mechanical behavior of this type of structure. An experimental study is conducted to identify the characteristics of the areas of the weld and their mechanical behavior. Two measurement methods (method contours and X-ray diffraction) are used to determine the residual stress field throughout the surface of the welded structure.These experimental results allowed us to enrich a numerical model. In the finite element simulation, the residual stress field and the porosity in the weld are taken into account. Numerical simulations are performed using ABAQUS with elastic or elastic-plastic models to identify the areas of security and fracture in a weld bead and the critical configurations. The reliability approach is used to determine the failure probability of welded structure taking into account the uncertainties of the inspection means of porosity

Afin de proposer un outil permettant d'étudier les phénomènes hydrodynamiques dans le bain de fusion et le capillaire de vapeur lors du soudage laser, un modèle thermohydraulique prenant en compte les trois phases en présence (vapeur métallique, bain liquide et solide) a été développé à l'aide du code de calcul Comsol Multiphysics. Pour suivre l'évolution de ces trois phases, les équations couplées de la chaleur et de Navier-Stokes sont résolues et le suivi de l'interface liquide-vapeur est traité à l'aide de la méthode level set. Les réflexions multiples du laser sont calculées avec une nouvelle méthode consistant à décrire le laser sous sa forme ondulatoire. Le modèle est d’abord appliqué à un cas de tir laser statique, cas pouvant être résolu en 2D axisymétrique permettant de réaliser les développements et une première validation. L'influence de certains paramètres, comme la puissance laser est étudiée et les mécanismes conduisant à l'apparition de porosité résiduelle sont mis en évidence. Ensuite, ces mêmes équations sont utilisées en 3D pour décrire de la façon la plus complète possible une ligne de fusion. Toute la phase de création du capillaire est analysée puis les températures et les vitesses calculées sont comparées à des mesures expérimentales. Les températures en phase solide sont obtenues grâce à des thermocouples de 25µm, les températures en surface du bain liquide par pyrométrie et enfin, les vitesses à la surface du bain son obtenues grâce à une caméra rapide. Ces comparaisons permettent de montrer la cohérence du modèle, son comportement physique à décrire les écoulements, les formes de zones fondues et la dynamique du capillaire de vapeur. / To provide a tool able to study hydrodynamics phenomena in the melt pool and the vapor capillary during laser welding of tailored blanks, a heat and fluid flow model taking into account the three phases present is proposed. The metal vapor, the liquid phase and the solid base are modeled using the code Comsol Multiphysics. In order to study the evolution of these three phases, coupled equations of heat transfer and Navier-Stokes equations are solved and the liquid-vapor interface is tracked using the level set method. Multiple reflections of the laser are calculated with a new method by describing the laser in its wave form by solving Maxwell's equations. This manuscript presents the results of the model, first, in a case of a static laser shot solved in axisymmetric 2D to achieve the development and initial validation. The influence of parameters such as laser power is studied and the mechanisms leading to the appearance of residual porosities is highlighted. Then, these equations are used in three dimensions to describe the most complete as possible, a fusion line with an opened vapor capillary. All the creation phase of the capillary is analyzed. Calculated temperatures and velocities are compared to experimental measurements. Temperatures in the solid phase are obtained with thermocouples of 25µm, the surface temperature of the melt pool are obtained by pyrometry and finally velocities at the surface of the melt pool are obtained with a high speed camera. These comparisons show the consistency of the model to describe the physical flows, the molten zones shapes and the complete behavior of the vapor capillary.

Les travaux effectués au cours de cette thèse ont pour objectif d’étudier et de modéliser une opération de soudage multipasse d’un acier à haute limite d’élasticité utilisé en construction navale. Dans ce cadre il s’agit de prédire les conséquences métallurgiques et mécaniques du procédé et tout particulièrement la répartition et l’intensité des contraintes résiduelles post- soudage nécessaires pour analyser l’intégrité de la structure navale en service. Deux maquettes représentatives d’un joint d’angle en Té ont permis de caractériser l’évolution des cycles thermiques, de la microstructure et des contraintes résiduelles (estimées par les méthodes du contour et du trou profond) après chaque passe de soudage. La suite de l’étude concerne la caractérisation et la modélisation du comportement thermo-métallurgique et thermo- mécanique des différentes phases apparaissant au cours du soudage. La dernière partie porte sur l’implémentation des modèles retenus dans le code de calcul élément finis Abaqus à l’aide de sous-programmes spécifiques. Une étape de transition d’échelle a permis de décrire le comportement thermomécanique multiphasé de cet acier. Des calculs préliminaires ont été conduits pour valider l’implémentation des modèles sur des cas simples. Différents couplages ont été réalisés, soit une analyse thermique puis thermo-métallurgique, pour estimer la dureté après chaque passe et enfin métallurgique-mécanique pour prédire les contraintes résiduelles pour le procédé de soudage multipasse. Les résultats des calculs éléments finis ont été discutés et comparés aux résultats expérimentaux obtenus dans la première partie de cette étude. / This thesis aims at studying and modeling a multipass welding operation of a high strength steel used in shipbuilding. In this framework, work focus on predicting the metallurgical and mechanical consequences of the process and, in particular, the residual stress distribution after welding. Since residual stresses can be detrimental to the performance of the welded product, their estimation is essential and numerical modelling is useful to predict them. Two welding mock-ups which are representative of a T- joint were used to characterize the evolution of thermal cycles, microstructure and residual stresses (measured by contour method and deep hole drilling) after each welding pass. Metallurgical and mechanical behaviors were thoroughly characterized in order to feed numerical models with reliable constitutive equations. The last part deals with the implementation of the models in the finite element calculation code Abaqus using specific subroutines. A scale transition procedure has been added to describe the thermomechanical multiphase behavior of the steel. Preliminary calculations were carried out for simple cases to validate the implementation of models. Different numerical couplings were made. First a thermal analysis then a thermo-metallurgical analysis, to estimate the hardness after each welding pass. Finally, a metallurgical-mechanical analysis is achieved for the prediction of residual stresses due to multipass welding. The results of the finite element calculations were discussed and compared with the experimental results obtained in the first part of this work.

Le procédé de soudage par friction et malaxage est un procédé récent qui a été développé au sein de l'institut de soudure britannique "The Welding Institute" au début des années 90. Ce procédé, utilisé généralement en aéronautique, est sans apport de matière et permet de souder principalement des alliages d'aluminium difficilement soudables par les procédés classiques de soudage. Il consiste à malaxer le matériau de base à l'aide d'un outil constitué d'un pion et d'un épaulement frottant sur les faces supérieures des tôles à souder. La modélisation de ce procédé est très complexe puisque ce dernier implique des couplages entre des phénomènes mécaniques, thermiques et métallurgiques. Le malaxage dans le procédé de soudage FSW est difficile à simuler à l'aide de la méthode des éléments finis (en lagrangien) puisque la zone proche de l'outil de soudage est le siège de grandes déformations. Donc le remaillage est nécessaire. Cependant, le remaillage est cher et très difficile pour les problèmes tridimensionnels. Par ailleurs, après un remaillage, il est nécessaire d'interpoler les champs (vitesses, contraintes,...) correspondant à la solution courante, ce qui peut introduire des erreurs supplémentaires dans le calcul (on parle de diffusion numérique). Nous proposons dans ce travail des modèles basés sur la méthode sans maillage dite "Smoothed Particle Hydrodynamics SPH" et la méthode des moindres carrés mobiles (Moving Least Square MLS) pour la simulation de ce procédé. Ces modèles sont formulés dans le cadre lagrangien et utilisent la forme forte des équations aux dérivées partielles. Le premier modèle basé sur SPH considère la zone de soudure comme un fluide non newtonien faiblement compressible et dont la viscosité dépend de la température. Ce modèle est proposé pour la simulation numérique du comportement thermomécanique d'un matériau soudé par le procédé FSW. Dans le deuxième modèle, un algorithme itératif implicite de premier ordre a été proposé, pour simuler le malaxage de la matière dans le cas d'un matériau viscoplastique, en utilisant la méthode MLS et la technique de collocation. Le troisième modèle est un algorithme implicite d'ordre élevé basée sur le couplage de la méthode MLS et la Méthode Asymptotique Numérique MAN. Cet algorithme permet de réduire le temps de calcul par rapport à l'algorithme itératif implicite de premier ordre. La validation de ces trois modèles proposés a été faite par le code industriel Fluent / Friction stir welding is a recent process that has been developed by the British Welding Institute TWI "The Welding Institute" since 1990s. This process, generally used in aerospace, does not need additional material and allows mainly joining plates of aluminum alloys which are difficult to weld by the classical welding processes. It consists in mixing the base material using a tool comprising a pin and a shoulder which heats the plates to be welded by friction. The modeling of this process is very complex since it involves the coupling between mechanical, thermal and metallurgical phenomena. The mixing in welding process FSW is difficult to simulate using finite element method in lagrangian framework since the area near the welding tool is submitted to large deformations. So remeshing procedure is often required. However, remeshing can be very expensive and difficult to perform for three-dimensional problems. Moreover, after remeshing step, it is necessary to interpolate the fields (velocities, constraints ...) corresponding to the current solution, which may lead to additional errors in the calculation (called numerical diffusion). We propose in this work models based on meshless methods called "Smoothed Particle Hydrodynamics SPH" and Moving Least Square method for the simulation of this welding process. These models are formulated in lagrangian framework and use the strong form of partial differential equations. The first model based on SPH considers the welding zone as a weakly compressible non-newtonian fluid and whose viscosity depends on the temperature. This model is proposed for the numerical simulation of thermo-mechanical behavior of a welded material by FSW process. The second model is a first order implicit iterative algorithm proposed to simulate material mixing in the case a visco-plastic behavior using the MLS method and the collocation technique. The third model is a high order implicit algorithm based on the coupling of MLS method and Asymptotic Numerical Method (ANM). This algorithm allows reducing the computation time by comparison with the first order implicit iterative algorithm. The validation of these three proposed models was done by the industrial code Fluent

Electromagnetic welding is an innovative, high-speed technology to manufacture mixed material joints. In this dissertation, an experimental-numerical method is presented to identify robust process windows of aluminum-copper and aluminum-steel compounds. The microstructural characteristics of these joints were investigated in detail. Moreover, an evaluation of the joint quality is presented and different numerical models were introduced for the simulation of macroscopic and microscopic effects. To improve the accuracy of the simulations, the strain rate sensitivity of the materials must be considered. For this purpose a high-speed setup for the identification of relevant viscoplastic material parameters, comprising an inverse evaluation strategy, was developed.

Le besoin pressant de substitution du plomb dans les alliages de soudure a conduit à une introduction très rapide de nouveaux alliages sans plomb dont la connaissance en termes de comportement n'est pas assez approfondie. En effet, d'autres problématiques sont apparues (l'augmentation de la température du procédé de soudage, trop grand choix disponible dans les alliages alternatifs) alors que les problèmes relatifs aux alliages actuels sont restés sans réponse (le changement incessant de la microstructure des alliages de soudure, la méthodologie empirique prédisant la durée de vie). Tous les paramètres cités ci-dessus modifient la stabilité et la fiabilité des performances spécifiques de l'alliage de soudure et par conséquence, de tout le module électronique.De plus, avec la miniaturisation de l'électronique et les conditions d'environnement de plus en plus sévères, ces obstacles deviennent critiques et les solutions actuelles ne sont plus compatibles. Les demandes de ce marché deviennent donc de plus en plus strictes en termes de prédiction de durée de vie et de contrôle de fiabilité.L'objectif de ce projet est de comprendre et de concevoir une nouvelle formulation d'alliage sans plomb afin de développer une alternative à l'alliage plombé haute température et un alliage pour les applications haute fiabilité et en accord avec les directives gouvernementales. Des approches expérimentales avancées comme la nano-indentation, le suivi de l'évolution de la microstructure par SEM et par EDS mapping, l'étude des effets du vieillissement thermique sur la croissance de la taille des grains avec de la lumière croisée polarisée de microscopie optique etc seront utilisées pour développer un alliage sans plomb qui convienne aux exigences des applications automobile et pipeline / The urgent need for removing lead from solder alloys led to the very fast introduction of lead-free solder alloys without a deep knowledge of their behaviour. As a consequence, additional issues raised (increased thermally induced problems during soldering process, a too wide range of possible available alternative alloy formulations), while problems related to current solder alloys remained unsolved (the constant change of the solder alloy microstructure, empirical predicting lifetime methodology). All the above mentioned issues alter stability and reliability of the application specific performances of the solder alloy, and subsequently of the whole electronic module. These problems become critical and are no longer compatible, as the market goes towards miniaturization and harsh environment conditions. These market trends now require stricter life time prediction and reliability control. Objective of this project is to understand and design a novel lead-free solder formulation to develop a potential alternative to lead-based high temperature melting point solder for high reliability requirements and in accordance with governmental directives. An advanced experimental approach like nanoindentation, microstructure evolution with SEM and EDS mapping, thermal aging effects on continuous grain size growth with cross polarized light of optical microscopy etc. would be implemented to develop doped-SAC lead-free solders for the best-fit to requirements in automotives and pipelines applications

Τα κριτήρια σχεδιασμού στις σύγχρονες κατασκευές και κυρίως στην αεροναυπηγική και ναυπηγική βιομηχανία, στοχεύουν στην παραγωγή δομικών στοιχείων με μειωμένο βάρος και χαμηλότερο κόστος, ενώ ταυτόχρονα, απαιτείται να παρουσιάζουν υψηλότερες επιδόσεις και ικανοποιητική δομική ασφάλεια. Οι στόχοι αυτοί έχουν διαμορφώσει μια σχεδιαστική τάση η οποία οδηγεί στην αντικατάσταση των ‘παραδοσιακών’ διαφορικών δομών (differential structures) με ‘σύγχρονες’ ολοκληρωμένες δομές (integral structures). Η τάση αυτή βρίσκει εφαρμογή κατά κύριο λόγο στην αεροναυπηγική, όπου η μείωση του βάρους χωρίς υποβάθμιση της ασφαλούς λειτουργίας αποτελεί βασικό και μόνιμο στόχο. Η αυξημένη παραγωγή δομικών στοιχείων ολοκληρωμένων δομών έχει οδηγήσει σε συνεχή αύξηση της εφαρμογής διεργασιών συνένωσης με έμφαση στις προηγμένες διεργασίες συγκόλλησης. Οι διεργασίας συγκόλλησης οι οποίες, λόγω των πλεονεκτημάτων τους, βρίσκονται στην αιχμή της τεχνολογίας είναι η Συγκόλληση με Τριβή και Ανάμιξη (Friction Stir Welding – FSW) και η Συγκόλληση με Ακτίνα Λέιζερ (Laser Beam Welding – LBW). Η εφαρμογή συγκολλήσεων στην παραγωγή ολοκληρωμένων δομών έχει πολλά τεχνολογικά πλεονεκτήματα έναντι των άλλων τύπων σύνδεσης, ωστόσο, συνοδεύονται από την ανάπτυξη Παραμενουσών Τάσεων και στρεβλώσεων στο τελικό προϊόν, κάτι το οποίο, ανάλογα με την εφαρμογή, μπορεί να προκαλέσει σημαντικά προβλήματα. Συγκεκριμένα, οι στρεβλώσεις επηρεάζουν τη λειτουργικότητα του δομικού στοιχείου, αφού μεταβάλλουν την γεωμετρία του, ενώ οι παραμένουσες τάσεις, αναπροσαρμόζοντας το εσωτερικό εντατικό πεδίο, επιδρούν στη δομική τους ακεραιότητα. Όπως είναι γνωστό με κατάλληλη επιλογή των παραμέτρων της διεργασίας (π.χ. ταχύτητα συγκόλλησης, ισχύς κτλ) μπορεί να επιτευχθεί μείωση των αναπτυσσόμενων παραμενουσών τάσεων και στρεβλώσεων. Επίσης, τα τελευταία χρόνια έχει αποδειχθεί ότι η προσομοίωση μιας διεργασίας συγκόλλησης μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στην επιλογή του βέλτιστου συνδυασμού των παραμέτρων της. Για το λόγο αυτό, μεγάλο μέρος της ερευνητικής δραστηριότητας στην περιοχή των προηγμένων διεργασιών συγκόλλησης έχει στραφεί προς την ανάπτυξη αξιόπιστων μεθοδολογιών προσομοίωσης, οι οποίες με δεδομένο (input data) τις παραμέτρους της διεργασίας μπορούν να δώσουν σαν αποτέλεσμα (output data) κρίσιμες απαντήσεις όσον αφορά στις τεχνολογικές ιδιότητες της συγκόλλησης. Βάσει των ανωτέρω, σκοπός της παρούσης διατριβής είναι η ανάπτυξη ολοκληρωμένων μεθόδων θερμομηχανικής προσομοίωσης των προηγμένων διεργασιών συγκόλλησης FSW και LBW με κύριο στόχο την πρόβλεψη των παραμενουσών τάσεων και των στρεβλώσεων καθώς και τη μελέτη της επίδρασης τους στη δομική ακεραιότητα των παραγόμενων δομικών στοιχείων. Ένα από τα σημαντικότερα και ίσως το κρισιμότερο στάδιο κατά την προσομοίωση μιας θερμομηχανικής διεργασίας είναι η εξομοίωση της θερμικής πηγής και ο υπολογισμός του θερμικού φορτίου, γιατί μια εσφαλμένη εκτίμηση του θερμικού φορτίου προκαλεί λανθασμένη πρόβλεψη της θερμοκρασιακής κατανομής και κατά συνέπεια εισάγει σφάλματα στον υπολογισμό των παραμενουσών τάσεων και των στρεβλώσεων. Στη βάση αυτή, τόσο για την περίπτωση της FSW όσο και για την LBW αναπτύχθηκαν μεθοδολογίες για τον προσδιορισμό των θερμικών πηγών τους και συνοδεύτηκαν από θερμικά μοντέλα για την πρόβλεψη του θερμοκρασιακού ιστορικού. Ακολούθως, το θερμοκρασιακό ιστορικό ασκείται υπό τη μορφή εξωτερικού φορτίου σε ένα θερμομηχανικό μοντέλο από όπου υπολογίζονται οι παραμένουσες τάσεις και οι στρεβλώσεις της διεργασίας. Τέλος, η εσωτερική εντατική κατάσταση του συγκολλημένου δομικού στοιχείου συνυπολογίζεται στο εντατικό πεδίο λόγω της φόρτισης λειτουργίας της κατασκευής και γίνεται πρόβλεψη των συντελεστών έντασης τάσης (Stress Intensity Factors - SIFs ) έτσι ώστε να εκτιμηθεί η επίδρασης της συγκόλλησης στη δομική ακεραιότητα. Τόσο το θερμομηχανικό όσο και το θραυστομηχανικό μοντέλο μπορούν να προσαρμοσθούν σε πολλούς διαφορετικούς τύπους σύνδεσης και ρηγμάτωσης, αντίστοιχα. / The design criteria in modern structures aim to the production of components with reduced weight and low cost, as well as, with higher performance and increased safety. The above goals lead to a tendency of replacing traditional differential structures with more modern integral structure, mainly in aeronautic sector where the weight and cost reduction, without decrease of safety, comprises the main target of the current research effort. The production of integral structures requires the adaptation of existing forming processes as well as the development and optimization of advanced welding processes. The most promising welding processes in aeronautics and maritime industries currently are the Friction Stir Welding–FSW and Laser Beam Welding-LBW. Despite of the many technological advantages of FSW and LBW process, their application in the production of integral structures leads to the development of Residual Stress (RS) and distortion fields which can cause significant problems. Specifically, distortions can effect on the components assembly, while, RS affect the structural integrity. However, an appropriate selection of process parameters can significantly reduce the RS and distortions levels. The usual way to optimize process parameters is experimental trial and error approach; recently, process simulation has been proven efficient, too. The present work aims to the development of efficient methodologies for the thermomechanical simulation of FSW and LBW processes in order to predict temperature history, as wells as RS and distortion fields. Consequently, the RS field is used for the determination of the welding effects on the structural integrity of the welded component. Generally, the reliability of a simulation methodology of any thermo-mechanical process, such as welding, is seriously affected by many parameters; two of them are very base, namely, the accurate determination of the heat input introduced to the material (thermal load) and the accurate representation of thermal and mechanical boundary conditions. As the boundary conditions determined by the welder and it is usually easy to transfer in a numerical model, one of the most difficult simulation issues is the appropriate determination of the heat input which will lead to an accurate prediction of the material temperature history. For this reason, one of the main objectives of the present work is to develop methodologies for the accurate thermal load calculation in both FSW and LBW processes. After the validation of the developed methodologies with respect to experimental measurements, the defined heat sources are used in global thermal models in order to predict the temperature histories which, thereinafter, are introduced in the thermo-mechanical models to predict the developed RS and distortion fields. Finally, the structural integrity of the welded component, under the effect of both RS field and service loading is studied; different possible ‘fracture scenarios’ are investigated based on the Stress Intensity Factor concept and the Elastic Fracture Mechanics principles.