Laser welding of metals and alloys is extensively used in industry due to its advantages of controlled heating, narrow weld bead, low heat affected zone (HAZ) and its ability to weld a wide range of metals and dissimilar metals. Laser welding of dissimilar metals such as carbon steels and stainless steel is still a challenging task, particularly due to the formation of brittle phases in the weld, martensitic formation in the HAZ and solidification cracking in the fusion zone. These issues can significantly deteriorate the strength of the welded joint. The aim of this work is to investigate the fundamental phenomena that occur inside the dissimilar weld zone and their effect on weld quality. In order to establish the key process variables, an initial study concentrated on the effect of different laser process parameters on dissimilar weld quality. In the second part of the work, a comprehensive study was performed to understand and subsequently control the alloying composition in laser dissimilar welding of austenitic stainless steel and low carbon steel. A dissimilar weld that is predominantly austenitic and homogeneous was obtained by controlling the melt pool dynamics through specific point energy and beam alignment. The significance of dilution and alloying elements on joint strength was established. A coupled CFD and FEM numerical model was developed to assist in understanding the melt pool dynamics and transportation processes of alloying elements. The model has been validated by a series of laser welding experiments using various levels of specific point energy. The laser welding characteristics in terms of geometric dimensions, surface morphology, alloying concentration, and dilution, were compared, and it is concluded that the specific point energy and laser beam position are the key parameters that can be controlled to obtain a weld bead with characteristics most suitable for industrial applications. In the third part of the work, a comparative study was performed to understand the significance of cooling rate, and alloying composition on the microstructure and phase structure of the dissimilar weld zone. Results show that the HAZ within the high carbon steel has significantly higher hardness than the weld area, which severely undermines the weld quality. A new heat treatment strategy was proposed based on the results of the numerical simulation, and it is shown to control the brittle phase formation in HAZ of high carbon steel. A series of experiments was performed to verify the developed thermo-metallurgical FEA model and a good qualitative agreement of the predicted martensitic phase distribution is shown to exist. Although this work is presented in the context of dissimilar laser welding of mild steel to stainless steel, the concept is applicable to any dissimilar fusion welding process.

Le soudage multipasse est mis en œuvre pour recharger des tuyauteries présentant localement des sous-épaisseurs. La simulation numérique facilite le choix des nombreux paramètres de soudage. La réduction des modèles permet d'accélérer ces choix. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés aux cas pour lesquelles il est difficile de réaliser intégralement la simulation du soudage, faute de temps ou par manque de moyens de calcul. Ce sont des simulations hors d'atteintes. Or, les prévisions manquantes ne permettent pas la mise en œuvre d'une méthode de décomposition orthogonale aux valeurs propres pour extraire une base réduite de modes empiriques à partir des données produites par simulation numérique. Nous proposons donc soit un modèle directionnel bien adapté au soudage, soit une étape d'extrapolation des données de simulations par décalage spatial des prévisions calculées. Ces deux approches sont complémentaires de la méthode d'hyper-réduction, dans laquelle les équations de bilan sont restreintes à un maillage réduit. Ces méthodes permettent de démarrer une simulation numérique du soudage avec un modèle éléments finis, puis de poursuivre cette simulation par un modèle hyper-réduit. Cela évite d'avoir à réaliser de nombreuses études paramétriques et permet de traiter des simulations qui sont hors d'atteintes. Ce mémoire se termine par un chapitre traitant du cas de rechargement d'un tube, pour lequel EDF a mis en œuvre un essai instrumenté. / Multi-pass welding is used to recharge pipes with local sub-thickness. Numerical simulation facilitates the selection of many welding parameters. Reducing the order of models speeds up these choices. In this work, we were interested in cases where it is difficult to carry out the entire welding simulation due to time constraints or lack of calculation means. These computations are called out of reach simulations. However, the missing forecasts do not allow the implementation of a orthogonal decomposition method to extract a reduced basis of empirical modes from the data produced by numerical simulations. To overcome this difficulty, we propose either a directional model well adapted to welding, or a step of extrapolation of the simulation data by spatial shift of the already calculated forecasts. These two approaches are complementary to the hyper-reduction method, in which the balance equations are restricted to a reduced mesh size. These methods allow to start a numerical simulation of welding with a finite element model, then to continue this simulation with a hyper-reduced model. This avoids the need for numerous preliminary parametric studies and allows simulations that are out of reach. This manuscript ends with a chapter dealing with the case of reloading a tube, for which EDF has carried out an instrumented test.

Die additiven Fertigungstechnologien erleben seit einigen Jahren einen enormen Zuspruch bei der Herstellung von Einzelteilserien mit komplexen, endkonturnahen Geometrien und der Verarbeitung von Sonder- oder hybriden Werkstoffen. Prinzipiell lassen sich die Verfahren gemäß VDI- Richtlinie 3404 in drahtbasierte und pulverbasierte unterteilen. Eine weitere Unterteilung erfolgt hinsichtlich der Ausschmelztechnologie. Allen Verfahren ist gleich, dass schichtweise der Grundwerkstoff an den Stellen aufgetragen wird, wo er gemäß Endkontur benötigt wird. Damit ist ein immer wiederkehrender Wärmeeintrag verbunden, der somit Einfluss auf die Mikrostruktur der Bauteile und gleichzeitig auch auf die mechanischen Endeigenschaften ausübt. Die so erzeugten Komponenten sollten wenig Verzug oder Eigenspannungen als auch keine Porosität aufweisen, um die Gebrauchseigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Das Ziel ist es mittlerweile, diese verschiedenen Technologien numerisch abzubilden, um die Bauteileigenschaften vorherzusagen und ggf. Optimierungspotenziale zu eruieren. Der untersuchte Prozess ist das drahtbasierte Mehrlagenschweißen mittels des Metallschutzgasschweißens, bei dem neben der Simulation auch die Validierung im Fokus hinsichtlich Geometrie und Gefügeausbildung in den Schweißlagen stand. Diesbezüglich wurden im vorliegenden Fall zum einen alle, für die numerische Simulation notwendigen Materialparameter (mechanische und thermophysikalische Kenngrößen) des Schweißzusatzwerkstoffes G4Si1 bestimmt und in ein kommerzielles FEM-Programm (MSC Marc Mentat) implementiert. Zum anderen erfolgt zukünftig die wissenschaftliche Analyse der Verbesserung der Bauteileigenschaft, in dem die Schweißnaht unter Ausnutzung der Schweißhitze warmumgeformt wird. Erste Ergebnisse numerischer Simulationsergebnisse zeigen positive Effekte. Diese zeigen mikrostrukturelle Veränderungen (Kornfeinung durch Rekristallisation) und führten letztendlich zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften. Der Vorteil dieser Verfahrenskombination ist außerdem die Kompensation des Verzuges durch die gezielte Umformung und einem gleichzeitigen „Richten“.