Le développement du soudage laser dans divers secteurs industriels particulièrement dans l’aéronautique au cours de la dernière décennie, a nécessité bien des études encore insuffisantes en nombre pour bien comprendre et contrôler les conditions de soudage laser que ce soit au niveau interaction laser/matière, au niveau des transferts thermiques ou au niveau métallurgique. La démarche suivie dans cette étude consiste (1) à mettre en évidence expérimentalement la problématique du soudage laser d’alliage base aluminium, c'est-à-dire le couplage des effets entre les différents paramètres de soudage, (2) à décrire l’histoire thermique d’une opération de soudage laser à partir d’une modélisation et d’une simulation numérique et (3) à exploiter la connaissance de l’évolution thermique d’un assemblage encours de soudage pour optimiser les performances mécaniques de l’assemblage en terme de résistance statique, de résistance à la fissuration à chaud, de tenue à la fatigue et de résistance à la corrosion. Les déficits de performance par exemple en terme de résistance sont principalement attribuable à des vitesses de refroidissement trop faibles au cours du soudage comparativement à des trempes ce qui justifie l’efficacité d’un traitement de mise en solution post soudage préalablement à un traitement de durcissement par précipitation. / The development of laser welding in various branches of industry particularly in the aeronautics during the last decade, required many studies still insufficient in number to understand and control the conditions of laser welding concerning laser / material interaction,as well as thermal transfers or metallurgical aspects. The approach followed in this study consists (1) to bring to light experimentally the problem of laser welding of aluminium based alloy, that is the coupling of the effects between the various welding parameters, (2) to describe the thermal history of an operation of laser welding from a modelling and from a numerical simulation and (3) to exploit the knowledge of the thermal evolution of an assembly all along welding operation to optimize the mechanical performance of the assembly in term of static resistance, resistance to hot cracking, fatigue and corrosion resistance. The deficit of performance for example in term of tensile resistance is mainly related to too low speeds of cooling during welding compared with quenching. It justifies the efficiency of a post welding solution heat treatment before a precipitation hardening treatment.

Ces travaux présentent une recherche sur la physique du soudage hybride. La revue littéraire décrit les principaux processus physiques se produisant au cours de la combinaison Laser-arc, les principales réalisations et les problèmes rencontrés lors de l'analyse de ces processus. Les processus ont été étudiés pendant l'assemblage de matériaux de fortes épaisseurs. Deux configurations ont été utilisées. La première est le soudage d’un acier Superduplex en un seul passage, par Laser et arc distanciés. La seconde configuration est le soudage multipasse de l'acier 18MND5, où le faisceau Laser défocalisé intercepte le plasma d'arc électrique. Avec l'aide de la planification d'expérience, l'imagerie vidéo rapide, l'enregistrement des signaux électriques, la détermination de la température et des distorsions de l’assemblage ont permis d’expliquer le rôle de chaque source thermique et l'influence de leur combinaison sur la création du bain fondu, l'identification du mode de transfert métallique et la répartition de la chaleur dans la plaque soudée. Les relations entre les signaux électriques et la géométrie de l'arc, les dimensions du bain et la distribution de chaleur sont analysées à différentes échelles de temps. L'analyse thermique présentée montre que l'hypothèse de stationnarité, qui est largement utilisé par les simulateurs, est vraie seulement sur une courte période et pour une longueur donnée de soudure. L’analyse macrographique montre, quant à elle, l'effet de la variation des paramètres d'entrée sur la structure et la géométrie de la soudure. / An investigation on hybrid welding physics is presented in the current work. A literature review describes main physical processes occurring during Laser-arc combination and shows main achievements and problematics met during process analysis. Physical processes were studied during joining of very thick materials. Two configurations were used. The first configuration is welding of Superduplex steel in one pass by Laser and arc that are far apart. The second configuration is multipass welding of 18MND5 steel, where defocused Laser beam intercepts arc plasma. With a help of experiment’s design, fast video imaging, electric signals recording, determination of temperature and workpiece distortion, were explained the role of each thermal source and influence of their combination on arc behaviour, molten pool creation, metallic drop transfer evaluation and heat distribution into welded plates. The relationships between electric signals and arc geometry, bath dimensions and heat distribution have been analyzed at various time scales. Thermal analysis, presented in this work, shows that hypothesis of stationarity, which is commonly used in numerical modelling, is true only during a short welding period and for a given weld length. Macrographic analysis shows effect of input parameters variation on weld’s structure and geometry.

Dans le domaine aéronautique, le soudage par friction-malaxage (FSW – Friction Stir Welding) apparait comme un procédé innovant d’assemblage des fuselages, allégeant la structure avion en remplaçant la technique actuelle de rivetage. La simulation numérique est un support permettant de mieux comprendre et maîtriser ce procédé. L’alliage d’aluminium étudié dans ce projet est de type AA2024-T3 et tire principalement ses propriétés du durcissement structural. Modéliser l’évolution de la précipitation s’avère essentiel pour définir les propriétés finales de la soudure. Le modèle choisi doit prendre en considération les familles de précipités formés et les processus de germination, croissance et coalescence. Il doit être précis, robuste et rapide pour être applicable au procédé FSW. Un modèle de classe couplé à des calculs d’équilibre thermodynamiques a été choisi dans cette étude. Pour définir la cinétique de croissance d’un précipité, une cinétique de croissance initialement établie pour un alliage binaire a été étendue à un alliage multicomposé. Connaissant la distribution en taille des familles de précipités, les propriétés mécaniques sont définies selon un modèle empirique. La calibration anisotherme a été réalisée via un essai de DSC où signaux expérimentaux et simulés ont été comparés pour déterminer la teneur initiale des phases en présence et définir les paramètres matériaux de l’alliage. L’essai isotherme a établi le lien entre état de précipitation et propriétés mécaniques résultantes. Le modèle est appliqué à la simulation des évolutions microstructurales au cours d’une soudure FSW afin de prédire les propriétés finales du joint soudé. Les évolutions thermiques sont déterminées via l’utilisation d’un modèle macroscopique développé parallèlement dans une thèse, également portée par la Chaire Daher. Les données numériques obtenues sont comparées à des expériences instrumentées, montrant une bonne estimation des duretés. Les profils expérimentaux sont retrouvés, de même que les caractéristiques des différents domaines, validant l’approche et sa capacité à simuler efficacement les évolutions des processus de précipitation. / In the aeronautic industry, the friction stir welding (FSW) process is seen as an interesting option to lighten aircraft structure by replacing the standard riveting technology used to join parts. Numerical simulation is chosen to improve understanding of the different mechanisms occurring during FSW. The aluminum alloy studied is an AA2024-T3 grade. Its mechanical properties mainly derive from structural hardening mechanisms. An accurate model of precipitate evolution is essential to define hardness profile of the weld. The chosen simulation has to be robust and time-efficient in order to be suitable for the FSW process modeling. It must consider the two families of precipitates (GPB zones and S phase) and model nucleation, growth and coarsening phenomena. A PSD model is chosen and coupled with thermodynamic equilibrium calculations. To define the growth kinetics of precipitates, an exact analytical solution is extended to a multi-component alloy. Knowing the distribution of precipitates size, the mechanical properties are defined based on an empirical model. The amount and properties of phases are initialized through non-isothermal DSC calibration and comparison between experimental heat flux and simulated one. Isothermal test is selected to establish the link between precipitation state and mechanical properties. The model is applied to the simulation of microstructural evolution in FSW in order to predict the final properties of the weld. Thermal changes are determined through the use of a macroscopic model developed during a twin project within the Chair Daher. Numerical results are compared with instrumented experiments and show a good estimate of hardness. The experimental profiles are found, as well as the characteristics of the different areas. This validates the approach and its efficiency to simulate the evolution of the precipitation process.

Le soudage à l’arc avec fil fusible est un procédé très utilisé, mais la compréhension des mécanismes régissant son fonctionnement comporte toujours quelques interrogations compte tenu de sa complexité. La composition du gaz de protection a une très forte influence sur le procédé : l’ajout de gaz actif modifie, par exemple, le courant nécessaire à la transition entre les différents régimes et est responsable de l’apparition d’oxyde de fer (gangue) à l’extrémité du fil fusible. Pour mener à bien l’étude du soudage MIG-MAG sous mélanges Ar-CO₂-O₂, plusieurs études sont réalisées pour caractériser et mieux comprendre les phénomènes physico-chimiques qui gouvernent le soudage MIG-MAG afin d’optimiser à terme le procédé. Un diagnostic spectroscopique, avec la mise en place d’un système d’acquisition composé de deux spectromètres qui permet d’enregistrer simultanément les raies spectrales de fer et d’argon, permet d’évaluer les distributions radiales de température et densité électronique dans la colonne de plasma. Une étude par cinématographie rapide est également menée pour tenter d’évaluer la formation et l’écoulement de la couche d’oxyde apparaissant en régime globulaire à la surface de l’anode fusible. Et enfin, des analyses micrographiques des électrodes sont réalisées pour étudier l’influence des modifications chimiques et structurales sur le comportement général du procédé pour différents types de paramètres utilisés. Les conséquences d’un changement de gaz de protection sont également appréhendées : Ar-CO₂, Ar-O₂ et Ar-CO₂-O₂. Il s’avère que la température électronique de l’arc évolue en présence d’oxygène dans le gaz de protection et que la modification du gaz actif modifie le type d’oxyde de fer formé. / The arc welding with consumable wire is a process widely used, but understanding the mechanisms governing its operation still has some questions given its complexity. The composition of the shielding gas has a very strong influence on the process: the addition of active gas changes, for example, the current necessary for the transition between the different metal transfers and is responsible for the appearance of an iron oxide (gangue) at the end of the consumable wire. To carry out the study of MIG-MAG welding under mixtures Ar-CO₂-O₂, several studies are performed to characterize and understand the physical and chemical phenomena that govern the MIG-MAG welding to optimize the process. A spectroscopic diagnosis, with the establishment of an acquisition system consisting of two spectrometers to record simultaneously the iron and argon spectral lines, allows to estimate the radial distributions of temperature and electron density in the plasma column. A study by rapid cinematography is also conducted to try to estimate the formation and flow of the iron oxide layer appearing in globular regime on the surface of the anode consumable. And finally, micrographic analyzes of the electrodes are made to study the influence of chemical and structural changes on the general behavior of the process for different types of parameters used. The consequences of a shielding gas change are also apprehended: Ar-CO₂, Ar-O₂ and Ar-CO₂-O₂. It turns out that the electron temperature of the arc changes in the presence of oxygen in the shielding gas and the change of the active gas modifies the type of iron oxide formed.

Le soudage par point et le collage sont largement utilisés dans la jonction des tôles, telles que l'assemblage de caisses de voiture. Récemment, le soudage par point et le collage ont été combinés pour faire le joint hybride soudé-collé, qui est utilisé pour joindre les aciers à hautes résistances et améliorer la rigidité et la résistance aux chocs des corps de voiture. Dans l'industrie, l'évaluation de la conception avant prototype nécessite des modèles fiables de comportement en termes de prédiction des comportements mécaniques. Le modèle élément finis de joint soudé-collé est un nouveau défi car il doit combiner les modèles de soudage par points et les modèles de collage.Cette thèse se concentre sur la modélisation du joint soudé-collé par de l'acier DP600 et avec l’adhésif structurel SikaPower®-498. La modélisation peur utiliser un modèle solide ou un modèle simplifié (élément coque plus élément de connexion). Le modèle solide permet de prédire le comportement de spécimen à petite échelle: KS2 et cisaillement. Le modèle simplifié peut être utilisé pour prédire la performance des composants de grande dimension avec un coût de calcul acceptable.En ce qui concerne le modèle solide, le comportement du joint soudé et du joint collé sont identifiés séparément calibrés sur un spécimen KS2 sous trajets de chargement différents. Les inhomogénéités dans la zone de fusion et la zone affectée par la chaleur du soudage par point sont prises en compte par l'intermédiaire de facteurs d'échelle applique à la contrainte d'écoulement du métal de base. Les facteurs d'échelle sont determinés par identification inverse. Le modèle de Gurson est utilisé pour prédire la rupture ductile en zone affectée par le chaleur et dans le métal base tandis que le modèle de zone cohésive est utilisé pour simuler la rupture quasi-fragile dans l'interface de la zone de fusion. Les paramètres du modèle de zone cohésive sont identifiés par l'intégrale J à la pointe de fissure de la soudure. Des éléments de zone cohésive avec une loi traction-séparation sont également utilisés pour prédire le décollement adhésif. Les paramètres du modèle sont identifiés par des essais du type « Double Cantilevered Beam » et « End Notched Flexure », correspondant aux mode I et mode II respectivement. Le modèle élaboré pour le soudage par est associé avec le modèle de collage pour prédire le comportement et la rupture du joint soudé-collé.En ce qui concerne le modèle simplifié, des éléments de connexion sont utilisés pour prédire les endommagement des soudure par point. Les paramètres de l'élément de connexion sont identifiés par des tests de KS2 sous différents trajets de chargement. Enfin, les modèles simplifiés d'un soudage, d'un collage, et d'un soudé-collé sont validés sur une jonction en T qui peut représenter le pilier-B de carrosserie de la voiture. / Spot welding and adhesive bonding are widely used in joining of sheet metals, such as assembling of car body-in-white. Recently, spot weld and adhesive are combined to make weld bonded joint, which is employed to join Advanced High Strength Steel to improve the stiffness and crashworthiness of car body. In industry, the assessment of designing prior to prototype requires reliable constitutive models in terms of the prediction of the mechanical behaviors. The FE model of weld bonded joint is a new challenge as it should combine the models of spot welding and the models of adhesive. This thesis focuses on the modeling of weld bonded joint by DP600 steel and structural adhesive SikaPower®-498. The model of weld bonded joint consists of solid model and simplified model. The former is devoted to predict the behavior of weld bonded joint on small-scale specimen: KS2 and lap-shear. The latter can be used to predict the performance of large components with acceptable computational cost. As regards solid model, spot welded joint and adhesive bonded joint behaviors are separately identified by KS2 specimen under different loading path. The inhomogeneities in fusion zone and heat affected zone of spot weld are taken into account via the scaling of the flow stress of base metal. The scaling factors are calibrated by inverse identification. Gurson model is used to predict ductile fracture in heat affected zone and base metal while cohesive zone model is employed to simulate quasi-brittle fracture in the interface of fusion zone. The parameters of cohesive zone model are identified by the J-integral at the notch tip of spot weld crack. Cohesive zone elements with traction-separation-laws are also used to predict adhesive debonding. Model parameters are calibrated by Double Cantilevered Beam and End Notched Flexure specimens, corresponding to Mode-I and Mode-II fracture respectively. The model developed for spot weld is associated with adhesive model to predict weld bonded joint. As regards simplified model, connector elements are employed to predict the damage of spot weld. The parameters of connector element are identified by KS2 tests under different loading paths. Finally, the simplified model of spot welding, adhesive bonding, and weld-bonding are validated by T-joint which can represent the B-pillar of car body.

Le soudage par électrofusion est la technique majoritairement utilisée pour assembler les tubes et les accessoires en polyéthylène utilisés sur le réseau gazier. Ses très bons résultats initiaux ont été ternis ces dernières années par un certain nombre de dysfonctionnements relevés tant sur le terrain qu'en laboratoire. Ils se traduisent par des soudures de qualité médiocre du fait de la présence de zones de très faible cohésion. L'objectif de ce travail est de développer des outils experts tant expérimentaux que numériques permettant d'optimiser les conditions de soudage par électrofusion. L'originalité de notre étude a été de développer un modèle éléments finis tridimensionnel prenant en compte les différents mécanismes et phénomènes physiques sous-jacents, responsables de la formation de la soudure. Le modèle permet de calculer le taux de transformation de la matière, de prendre en compte les enthalpies de fusion et de cristallisation, de calculer le taux d'interdiffusion des macromolécules à l'interface entre les différents corps à souder pour finalement prédire la qualité de la soudure en fonction des conditions de chauffage imposées. Pour valider le modèle numérique, tout en facilitant l'accès aux grandeurs expérimentales, nous avons conçu et réalisé un dispositif expérimental se présentant sous la forme d'une géométrie relativement simple et plane mais respectant les caractéristiques d'un accessoire réel. La confrontation entre résultats numériques et expérimentaux a permis de démontrer les capacités du modèle numérique à reproduire fidèlement la réalité. Les différents outils ont alors été utilisés pour étudier l'influence des conditions de soudage sur la soudure et pour étudier le soudage de géométries plus complexes telles que celles rencontrées dans les pièces industrielles. / The Electrofusion welding process is widely used to join polyethylene components in gas distribution networks. Even trusty as a technique, the field feedback points out some divergences whose influence on the long term performance of the weld. One of the well-known consequences of these divergences is the “sticking” (aka “cold weld”) that is the result of an uncompleted or even inexistent interdiffusion of the macromolecules of the materials to join. Most numerical simulations are two-dimensional whereas the process is usually three-dimensional both in terms of heat transfer and mechanical aspects. The main objective of the work was to develop a 3D finite element model and to validate it by comparing to a real situation the temperature evolution and the thermally affected areas in a simple planar welding geometry with the same dimensional characteristics as a real fitting chosen to make easier the instrumentation. The numerical model takes into account the fitting parameters such as polyethylene thermal and mechanical properties (i.e. melting and crystallization kinetics, phase transition, thermal expansion) and the electrical and geometrical settings. It computes a criterion based on the macromolecular interdiffusion theory able to determine whether a good welding occurred or not at the end of the welding cycle. The computed results (temperature, melted and cold areas and fracture surfaces) were compared with experimental data and gave very good agreement in terms of temperature, liquid phase fraction distribution and fracture surfaces. Finally the numerical model and the experimental process were used to study the influence of welding conditions on the weld itself and to study the welding of complex geometries such as the industrial fittings.

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

Grâce à la qualité des cordons de soudure produits, le soudage TIG est l’un des procédés de soudage à l’arc les plus répandus dans l’industrie nucléaire. Au cours des travaux de cette thèse, nous proposons un modèle physique pour la simulation numérique du bain de fusion en soudage TIG d’aciers inoxydables austénitiques avec des teneurs en éléments tensioactifs différentes. L’objectif du modèle développé est de prédire la morphologie et les dimensions du cordon de soudure ainsi que les contraintes thermiques résultantes dans les pièces soudées en fonction des paramètres opératoires du procédé mais aussi en fonction des teneurs en éléments tensioactifs des métaux assemblés. Pour ce faire, les équations de la thermohydraulique sont couplées à celles de l’électromagnétisme et sont résolues en se basant sur le module « électrique » de Code_Saturne. Ce modèle a été vérifié dans un premier temps sur des configurations de soudage de matériaux homogènes avant d’être confronté à la simulation du soudage de matériaux de teneurs en éléments tensioactifs différentes. Des simulations des essais expérimentaux correspondants ont été réalisées et comparées aux mesures. La démarche adoptée a consisté à étudier les effets thermo-capillaires de manière découplée des effets électromagnétiques à partir d’essais de soudage laser en mode conduction. Les résultats de la confrontation des résultats numériques aux mesures expérimentaux démontrent que le modèle reproduit globalement bien la physique du procédé. Les limitations de notre modèle et les phénomènes qu’elle a permis de mettre en évidence ont été discutés et ont permis de proposer des pistes d’amélioration pour la modélisation. / The high quality of the weld bead makes GTA welding one of the most used welding processes in the nuclear industry. During this work, a physical model is proposed to simulate the weld pool during the GTA welding of stainless steels with different concentrations of surface active elements. This model aims to predict the weld bead shape, its geometrical characteristics and the thermal field induced by the process according to the operating parameters but also as a function of the surface active elements concentrations of welded metals.Based on the “electric” module of Code_Saturne®, the set of solved equations includes both fluid dynamics equations and electromagnetic ones. Before applying the model to the simulation of welding of stainless steels with different concentrations of surface active elements, this model has been studied through configurations of homogenous materials welding. Experiments are carried out and are compared to the corresponding simulations. In the approach used in this study, the thermo-capillary effects are studied separately from electromagnetic ones using conduction mode laser beam welding. The agreement obtained from comparative analysis between experimental results and numerical ones shows good reproduction of the process physics by the model developed. The modeling limitations and the phenomena identified by this study are discussed and orientations for future development are defined.

La formulation de nouvelles nuances d’aciers présentant des caractéristiques mécaniques équivalentes pour des épaisseurs moindres et la plus-value associée à la possibilité d'assembler deux nuances différentes, nécessitent le développement et la maîtrise des procédés d’assemblage. Grâce à sa haute précision et à sa flexibilité, le procédé de soudage par laser est devenu une des principales techniques pour le raboutage des flans d'aciers de nature différente. La prédiction de la composition chimique locale de la zone fondue formée entre deux aciers en fonction des paramètres de soudage est de grande importance, puisque la dilution et la distribution des éléments d'alliage conditionnent la résistance mécanique finale du cordon. La présente étude a pour objectif la conception et la validation d’un modèle numérique multi-physiques décrivant la formation du mélange dans le cordon de soudure entre des aciers de nature différente, obtenu par fusion laser. Pour une meilleure compréhension du mélange issu de la diffusion et de la convection dans le bain liquide formé lors d'un soudage laser débouchant, une simulation 3D à l'aide du code de calcul commercial Comsol Multiphysics®, couplant les transferts thermiques, l’écoulement du métal liquide, et la diffusion des espèces, a été réalisée afin de prédire la géométrie du bain liquide et d'obtenir des informations sur la distribution des éléments chimiques à l'intérieur du cordon. Afin de réduire le temps de calcul, le modèle a été développé avec les hypothèses simplificatrices suivantes : le capillaire de vapeur a une géométrie fixe et l’ensemble des équations est résolu sous forme pseudo-stationnaire. Un modèle d’écoulement turbulent est utilisé pour le calcul du champ de vitesse. La loi de Fick est introduite pour modéliser le transport des espèces dans le bain liquide. Dans un premier temps et afin de valider les hypothèses sur les phénomènes de convection, une série d’essais de soudage avec des inserts de nickel pur, utilisés comme traceur chimique, a été réalisée pour cartographier post-mortem la distribution du nickel dans le cordon de soudure. Les résultats de la simulation numérique ont été trouvés en bon accord avec les résultats expérimentaux. Par la suite, le modèle a été appliqué au cas du soudage entre un acier Dual Phase et un acier TWIP riche en manganèse et enfin adapté à l'étude du mélange des revêtements dans le bain de métal liquide formé durant le soudage laser. / The design of new steel grades offering equivalent mechanical performances for lower thicknesses and the added value with the possibility to join two different steel grades, require development and control of joining processes. Thanks to high precision and good flexibility, the laser welding became one of the most used processes for joining of dissimilar welded blanks. The prediction of local chemical composition in the weld formed between dissimilar steels in function of the welding parameters is essential because the dilution rate and the distribution of alloying elements in the melted zone determine the final tensile strength of the weld. The goal of the present study is to create and to validate a multiphysical numerical model studying the mixing of dissimilar steels in laser weld pool. For a better understanding of materials mixing based on convection-diffusion process in the melted pool in case of full penetrated laser welding, a 3D simulation developed within COMSOL Multiphysics®, including heat transfer, fluid flow and transport of species has been performed to provide the weld geometry and quantitative mapping of elements distributions in the melted zone. In order to reduce computation time, the model has been developed basing on the following hypothesis: a steady keyhole approximation and solved in quasi-stationary form. Turbulent flow model was used to calculate velocity field. Fick law for diluted species was integrated to simulate the transport of alloying elements in the weld pool. In parallel, to validate the model, a number of experiments using pure Ni foils as tracers have been performed to obtain mapping post-mortem of Ni distribution in the melted zone. The results of simulations have been found in good agreement with experimental data. Afterwards the model was applied to laser welding between Dual Phase steel (DP) and high Mn steel (TWIP) and finally it was adapted to the study of coating dissolution in laser weld pool.

Il est bien rapporté dans la littérature que les caractéristiques du joint soudé ainsi que le transfert de chaleur à l'interface liquide/solide sont fortement dépendants de l'écoulement du métal liquide. Ce travail porte sur l'étude numérique de l'influence des paramétres opératoires de soudage sur les bains de fusion TIG. Un modéle 2D incluant la cathode, le plasma d'arc et l'anode est développé pour l'étude du soudage TIG spot. Il permet également de quantifier les effets de la composition chimique du gaz, et de simuler des techniques innovantes tel que le soudage avec gaz pulsé. Le soudage TIG avec torche mobile et apport de matiére est modélisé à l'aide d'une approche hybride 2D-3D. Les simulations numériques pour des positions de soudages horizontales révèlent une dissymétrie de la soudure dans la direction opposée à la gravité, ce qui est dû à l'action de la flottabilité et à la déformation assymétrique de la surface libre. Ce défaut peut être considérablement réduit lors du soudage de matériaux à taux de soufre différents, en plaçant la pièce bas soufre en bas.