Ecole Doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Spécialité

Sciences pour l'ingénieur : spécialité Energétique

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

élément finis,Modélisation magnéto-thermo-hydrodynamique,soudage à TIG,méthodes de couplage,

Keywords

Finite element method,Magneto-thermo-hydrodynamic modelling,TIG welding,coupling methods,

Titre de thèse

Modélisation magnéto-thermo-hydrodynamique du soudage TIG: couplage du plasma d'arc et du bain de soudage, une approche unifiée 3D
Magneto-thermo-hydrodynamic modelling of TIG welding: coupling of the arc-plasma and the weld pool, a 3D unified approach

Date

Vendredi 19 Novembre 2021 à 9:00

Adresse

91191 Gif-sur-Yvette cedex CEA-Saclay INSTN, Salle informatique

Jury

Directeur de these M. Marc MEDALE Aix-Marseille université / IUSTI
Rapporteur M. Morgan DAL ÉCOLE NATIONALE SUPÉRIEURE D'ARTS ET MÉTIERS
Rapporteur M. Cyril BORDREUIL Université de Montpellier
Examinateur Mme Carin MURIEL Université de Bretagne Sud
Examinateur M. Jean-Michel BERGHEAU Ecole Nationale d'Ingénieurs de Saint-Etienne

Résumé de la thèse

Ce travail présente le développement et l'analyse des phénomènes physiques de la procédure de soudage TIG (Tungsten Inert Gas), ainsi que les approches numériques nécessaires pour coupler l'arc-plasma à le bain de soudure. L'étude est conçue dans le but de développer un modèle industriel 3D unifié pour la prédiction des variables clés du soudage en fonction des paramètres du procédé. Les développements mathématiques, mis en œuvre numériquement sur la boîte à outils de la méthode des éléments finis Cast3M, couplent un modèle de cathode, d'arc-plasma et de bain de soudure d'une manière robuste et cohérente. À cette fin, une dérivation formelle des conditions d'interface thermo-hydrauliques est effectuée, garantissant que la formulation est compatible avec le transfert de chaleur conjugué et les phénomènes de changement de phase. La dérivation des conditions d'interface met l'accent sur l'existence de termes advectifs non négligeables qui peuvent régir la thermo-hydraulique de l'interface si un métal d'apport doit être ajouté dans un travail futur. Pour coupler numériquement les modèles de conservation de l'énergie, une nouvelle approche algébrique à variables mixtes est proposée et mise en œuvre, ce qui permet l'utilisation de variables dépendantes du domaine d'une manière monolithique. En outre, un algorithme de décomposition de domaine et un algorithme de couplage quasi-monolithique ont été mis en œuvre pour unifier les modèles de conservation de la masse et de la quantité de mouvement des domaines de l'arc-plasma et du bain de soudure. Leurs performances numériques respectives sont analysées et discutées. Afin d'identifier les paramètres clés du modèle entièrement couplé, de multiples études de sensibilité ont été réalisées et l'importance de la géométrie de la cathode, du courant d'entrée, de l'hypothèse d'interface et de la viscosité du bain de soudure est discutée. L'impact significatif des singularités géométriques de la cathode sur l'arc-plasma indique l'importance du choix de la géométrie de la cathode lors de la mise en place de modèles entièrement couplés pour la simulation. De plus, l'influence de la viscosité dynamique sur la thermo-hydraulique du bain de soudure met en évidence le besoin éventuel de modèles fluides multi-échelles. Enfin, une première étude de validation pour des configurations 3D unifiées a été mise en place et discutée. Le modèle validé est ensuite utilisé pour simuler une configuration de soudure 3D entièrement couplée avec des effets de déplacement. Ce travail prépare le terrain pour un modèle industriel exploitable dans un futur proche.

Thesis resume

This work presents the development and analysis of both the physical phenomena of the TIG (Tungsten Inert Gas) welding procedure, and the numerical approaches necessary to couple the arc-plasma to its corresponding weld pool. The study is designed with the aim to develop a unified 3D industrial model for the prediction of key welding variables as a function of basic process parameters. The mathematical developments, implemented numerically on the finite element method toolbox Cast3M, couple a cathode, arc-plasma and weld pool model in a robust and self-consistent manner. To this end, a formal derivation of the thermo-hydraulic interface conditions is performed, ensuring that the formulation is compatible with both conjugate heat transfer and phase change phenomena. The derivation of the interface conditions stresses on the existence of non-negligible advective terms that can govern interface thermo-hydraulics if filler metal is to be added in a future work. To numerically couple the energy conservation models, a novel mixed variable algebraic approach is proposed and implemented which allows for the use of domain dependent variables in a monolithic manner. Furthermore, both a domain decomposition and a quasi-monolithic coupling algorithm were implemented to join the mass and momentum conservation models of the arc-plasma and weld pool domains. Their respective numerical performances are analysed and discussed. In order to identify key parameters in the fully coupled model, multiple sensitivity studies were performed and the importance of cathode geometry, inlet current, interface hypothesis and weld pool viscosity are discussed. The significant impact the geometric singularities of the cathode have onto the arc-plasma indicates the importance of the choice of cathode geometry when setting up fully coupled models for simulation. Additionally, the influence the dynamic viscosity has onto the weld pool thermohydraulics brings into context the eventual need of multi-scale fluid models. Finally, a first validation study for unified 3D configurations was setup and discussed. The validated model is then used to simulate a fully-coupled-3D-welding configuration with displacement effects. Thus, this work sets the stage for an exploitable industrial model in the near future.