Numerical simulation of thermal-mechanical processes in an approach coupling fluid flows with solid deformations : application to laser welding and melting of a powder bed

Simulation numérique des procédés thermomécaniques dans une approche couplant les écoulements du fluide avec les déformations du solide : application au soudage laser et à la fusion d'un lit de poudre

Yassine Saadlaoui (1)

1 LTDS - Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes

In the current study, numerical methods are developed to simulate the laser welding and the melting of a powder bed while taking into account their complexity. These methods are based on a new strategy of fluid/solid coupling. They allow to simulate the formation of the melted zone by taking into account the fluid flows through the two effects of the surface tension ("curvature effect" and "Marangoni effect") and the buoyancy. An ALE approach is used to follow the evolution of the free surface. The interaction between the fluid flows in the molten pool and the deformations in the solid part is ensured by imposing the velocities of the solid nodes during the fluid computation. Several analytical and numerical tests are used to validate the formulation of the fluid problem and the new strategy of fluid/solid coupling. The results confirm the efficiency and the robustness of the numerical methods developed.As first application, a thermal-fluid-mechanical simulation of laser welding is carried out. The results obtained show a good correlation with the literature results. The second application consists of simulating the melting of a powder bed. It allows to take into account the shrinkage of the powder layer after melting, and the change of the thermalphysical properties depending on the material state (powder or compact).Although the study consisted mainly in developing numerical methods, it also includes an experimental part. Specific set-up has been done using different instrumentation tools. These tools allow to better understand the physical phenomena involved during the two processes. In a second step, a database (morphology of molten pool, temperature and residual stresses) on welded parts is constituted. This database will allow in a subsequent work to carry out a global validation process of the proposed numerical methods.

Dans le cadre de ce travail, des méthodes numériques sont développées afin de simuler le soudage laser et la fusion d’un lit de poudre tout en tenant compte de leur complexité. Ces méthodes se reposent sur une nouvelle stratégie de couplage fluide/solide. Elles permettent de simuler la formation de la zone fondue en tenant compte des écoulements du fluide à travers les deux effets de la tension de surface ("effet de courbure" et "effet Marangoni") et la flottabilité. Une approche ALE est utilisée afin de suivre l’évolution de la surface libre. L’interaction entre les écoulements du fluide dans le bain fondu et les déformations du solide dans le métal de base est assurée en imposant les vitesses du solide au cours du calcul fluide. Plusieurs tests analytiques et numériques sont utilisés afin de valider la formulation du problème fluide et la nouvelle stratégie de couplage fluide/solide. Les résultats montrent l’efficacité et la robustesse des méthodes numériques développées.Comme première application, une simulation thermomécanique du soudage laser est réalisée. Les résultats obtenus montrent une bonne cohérence avec les résultats de la littérature. La deuxième application consiste à simuler la fusion d’un lit de poudre. Elle permet de prendre en compte le retrait de la couche de poudre après fusion et le changement des propriétés thermophysiques en fonction de l’état de matière (poudre ou compact).Si le travail de thèse a consisté principalement à développer des méthodes numériques, il comporte aussi une partie expérimentale. Un montage spécifique a ainsi été réalisé en utilisant différents outils d’instrumentation. Ces outils ont permis dans un premier temps de mieux comprendre les phénomènes physiques mis en jeu par les deux procédés. Dans un deuxième temps, une base de données (morphologie du bain, température et contraintes résiduelles) sur des pièces soudées est constituée. Cette base de données permettra dans un travail ultérieur, de réaliser une démarche de validation globale des méthodes numériques proposées.

Mots clés: Numerical methods; Fluid flows; Melted bath; Fluid/solid coupling; Laser welding; Melting of a powder bed

Mots clés: Méthodes numériques; Ecoulements du fluide; Bain fondu; Couplage fluide/solide; Soudage laser; Fusion d’un lit de poudre

Domaines: Mécanique des fluides [physics.class-ph]

Yassine Saadlaoui. Simulation numérique des procédés thermomécaniques dans une approche couplant les écoulements du fluide avec les déformations du solide : application au soudage laser et à la fusion d'un lit de poudre. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université de Lyon, 2019. Français. ⟨NNT : 2019LYSES005⟩. ⟨tel-02467818⟩