FR3025038A1 - Simulation numerique d'une operation de soudage - Google Patents

Abstract

Procédé de simulation numérique d'une opération de soudage entre deux pièces formant un assemblage, comprenant les étapes suivantes : - fournir un modèle numérique de l'assemblage comportant un volume unique continu (10) comprenant une entité (12, 14) pour chacune des pièces et une zone de jonction (16, 18) entre les pièces ; - affecter à au moins une partie de la zone de jonction, avant l'opération de soudage de ladite partie, au moins une première propriété mécanique ; - après l'opération de soudage de ladite partie, affecter à ladite partie au moins une deuxième propriété mécanique, la première propriété mécanique étant plus faible que la deuxième propriété mécanique.

Description

1 DOMAINE DE L'INVENTION Le présent exposé concerne le domaine de la soudure, et plus particulièrement un procédé de simulation numérique d'une opération de soudage et un procédé d'évaluation de contraintes et/ou de déplacements 5 dans un assemblage comportant au moins une soudure. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Lors de la conception d'un procédé de fabrication d'un assemblage, il est important de connaître l'impact des différentes opérations sur les pièces de l'assemblage, notamment en termes de déformations et 10 contraintes résiduelles. Par exemple, dans le cas du soudage, on cherche à vérifier que l'opération de soudage permet d'assurer efficacement la liaison de deux pièces entre elles sans remettre en cause les critères d'acceptabilité de l'assemblage ainsi formé, c'est-à-dire sans induire de distorsions ou de contraintes résiduelles excessives. Réaliser des essais de 15 faisabilité sur pièces est généralement coûteux en temps et en pièces, c'est pourquoi la simulation numérique est souvent privilégiée. Classiquement, pour modéliser le soudage de deux pièces, une méthode connue consiste à modéliser les pièces par des volumes distincts. Les deux volumes sont liés par une condition de contact le long du plan de 20 joint (c'est-à-dire le long de leur interface commune), condition de contact dont il convient de caractériser les coefficients. Or, les calculs faisant intervenir des contacts mécaniques et thermiques sont souvent coûteux en temps et peuvent présenter des problèmes de convergence (c'est-à-dire que le logiciel ne parvient pas à terminer le calcul demandé). 25 PRÉSENTATION DE L'INVENTION Le présent exposé concerne un procédé de simulation numérique d'une opération de soudage. Un mode de réalisation concerne un procédé de simulation numérique d'une opération de soudage entre deux pièces formant un 30 assemblage, comprenant les étapes suivantes : 3025038 2 - fournir un modèle numérique de l'assemblage comportant un volume unique continu comprenant une entité pour chacune des pièces et une zone de jonction entre les pièces ; - affecter à au moins une partie de la zone de jonction, avant l'opération de soudage de ladite partie, au moins une première propriété mécanique; - après l'opération de soudage de ladite partie, affecter à ladite partie au moins une deuxième propriété mécanique, la première propriété mécanique étant plus faible que la deuxième propriété mécanique. Dans le présent exposé, les opérations de soudage considérées sont principalement, mais non exclusivement, des opérations de soudage sans apport de matière (par différence avec le brasage qui utilise un métal d'apport). Les deux pièces participent par fusion à la constitution du cordon de soudure (aussi appelé joint de soudure, ou simplement soudure). La modélisation peut être représentative d'un soudage effectué à l'aide d'un laser, d'un faisceau d'électrons, d'une torche, d'une électrode (soudage à arc), etc., notamment grâce aux conditions aux limites thermiques imposées.

Pendant l'étape de fourniture, le modèle numérique peut être acquis d'une source extérieure ou bien généré directement au cours du procédé de simulation numérique. Un volume est une modélisation de la géométrie de l'assemblage. Par exemple, dans le cas d'une modélisation par éléments finis, un volume est formé d'un maillage (composé de noeuds, d'arêtes et de mailles) sur lequel sont appliquées des conditions aux limites. Une entité est une notion physique ; dans l'exemple des éléments finis, une entité est une sous-partie du volume dans laquelle des caractéristiques physiques, notamment les caractéristiques mécaniques et relatives au matériau, sont les mêmes pour tous les éléments (noeuds et/ou mailles) de l'entité.

3025038 3 Chaque entité forme un sous-ensemble homogène d'un point de vue matériau. Une entité peut être continue ou discontinue, c'est-à-dire éventuellement comprendre une réunion d'ensemble géométriquement disjoints. Dans le présent exposé, la modélisation par éléments finis n'est 5 citée qu'à titre d'exemple non limitatif, d'autres types de modélisations étant possibles tels que les différences finies, les volumes finis, etc. Ainsi, le fait que tout l'assemblage (c'est-à-dire les pièces et leur soudure) soit modélisé par un volume unique continu implique qu'il n'y a pas lieu de spécifier de condition de contact entre les différentes entités 10 du volume. La zone de jonction correspond à la région d'assemblage entre les deux pièces. La zone de jonction peut comprendre des parties soudées et des parties non soudées. Avant l'opération de soudage, la zone de jonction peut ne comprendre que des parties non soudées. En variante, 15 comme il sera détaillé par la suite, la zone de jonction peut comprendre, avant l'opération de soudage, des parties déjà soudées (pointage). Pendant l'opération de soudage, la zone de jonction comprend des parties soudées et des parties non soudées. Après l'opération de soudage, la zone de jonction peut ne comprendre que des parties soudées.

20 Selon le mode de réalisation présenté, l'opération de soudage d'une partie de la zone de jonction, c'est-à-dire son passage d'un état non soudé à un état soudé, s'accompagne d'un changement d'au moins une propriété mécanique. Une partie de la zone de jonction présente, avant l'opération de soudage, une ou plusieurs premières propriétés mécaniques tandis 25 qu'après l'opération de soudage, ladite partie présente une ou plusieurs deuxièmes propriétés mécaniques. Par la suite, et sauf indication contraire, par « une » ou « la » première ou deuxième propriété mécanique, on entend « au moins une » ou « la au moins une » première ou deuxième propriété mécanique. Réciproquement, l'emploi générique du 30 pluriel peut inclure le singulier.

3025038 4 Ainsi, la zone de jonction est partagée entre des parties soudées et des parties non soudées. L'ensemble des parties non soudées présente de manière homogène la première propriété mécanique et forme donc une entité non soudée. De même, l'ensemble des parties soudées de la zone 5 de jonction présente de manière homogène la deuxième propriété mécanique et forme donc une entité soudée. La zone de jonction se subdivise donc entre une entité non soudée et une entité soudée, et l'opération de soudage est modélisée par le passage d'une partie de la zone de jonction de l'entité non soudée à l'entité soudée.

10 La première propriété mécanique et la deuxième propriété mécanique désignent deux valeurs différentes de la même grandeur physique. Affecter des propriétés mécaniques plus faibles à une partie non soudée de la zone de jonction (c'est-à-dire à l'entité non soudée) correspond à affecter à ladite partie certaines propriétés mécaniques 15 toujours représentatives d'un matériau solide, mais volontairement biaisées de manière à traduire un modèle de matériau qui se déforme en générant peu ou pas d'effort dans les pièces. Ici, le mot « faible » s'entend au sens de la tenue du matériau, mais pas forcément au sens de la valeur de la grandeur physique correspondante ; par exemple, un 20 matériau ayant une souplesse plus grande sera tout de même considéré comme ayant une propriété mécanique plus faible. Ainsi, on modélise la séparation entre les pièces par un matériau solide très déformable comparativement aux pièces à souder. Il ne s'agit pas de modéliser l'air ou le gaz ambiant se trouvant réellement entre les 25 deux pièces : dans ce cas, la modélisation pourrait ne pas converger. Au contraire, on simule la présence d'un matériau solide et non fluide, très souple, liant artificiellement les deux pièces pour faciliter leur modélisation. On affecte aux pièces et aux parties soudées de la zone de jonction 30 (c'est-à-dire l'entité soudée) leurs propriétés mécaniques réelles. En 3025038 5 particulier, les propriétés mécaniques des parties soudées (c'est-à-dire les deuxièmes propriétés mécaniques) sont représentatives du matériau du cordon de soudure. Les propriétés mécaniques peuvent être toutes les propriétés 5 physiques ayant une influence sur la tenue mécanique. Par exemple, les propriétés mécaniques peuvent désigner plus particulièrement au moins une grandeur choisie dans le groupe constitué de : la limite d'élasticité, le module d'Young, la rigidité, la souplesse, les grandeurs qui régissent le comportement plastique ou viscoplastique des pièces, notamment le 10 coefficient d'écrouissage, le coefficient de viscosité, et des grandeurs obtenues par calcul à partir des précédentes. Une grandeur régit le comportement plastique ou viscoplastique des pièces si elle entre dans la loi de comportement utilisée pour modéliser le comportement plastique ou viscoplastique des pièces.

15 On connaît, dans les étapes successives de fabrication existantes, la possibilité de pré-assembler les pièces d'un assemblage grâce à un pointage, c'est-à-dire une soudure partielle en un ou plusieurs points espacés le long du plan de joint. De manière générale, un pointage est une opération de pré-soudage (c'est-à-dire une opération de soudage 20 antérieure à et distincte de l'opération de soudage principale) consistant à ne souder qu'une portion d'une partie à souder. Un pointage permet de maintenir les pièces en vis-à-vis avant l'opération de soudage, afin d'éviter que les déformations dues à l'opération de soudage ne décalent trop les pièces l'une de l'autre au niveau du plan de joint. La présence ou non d'un 25 pointage a les conséquences suivantes sur la modélisation de la zone de jonction. En l'absence de pointage, avant le soudage, l'entité soudée (entité correspondant à la partie soudée de la zone de jonction) est vide puisqu'aucun soudage n'a encore été effectué. En d'autres termes, 30 l'ensemble de points ayant la deuxième propriété mécanique est vide.

3025038 6 Dans ce cas, avant l'opération de soudage, la zone de jonction est entièrement non soudée et présente une géométrie continue. Le cas de la présence d'un pointage sera décrit ultérieurement Ainsi, après l'opération de soudage, l'entité non soudée est vide 5 puisque le soudage a été intégralement effectué, que l'état initial de l'assemblage comprenne ou non un pointage. Le procédé de simulation présenté permet donc un gain de temps de calcul significatif par rapport à la méthode de l'état de la technique précédemment évoquée, puisqu'il n'est pas nécessaire de modéliser ni 10 calculer des conditions de contact entre les pièces : en conservant une liaison physique entre les deux pièces, le procédé selon l'invention permet de s'affranchir des conditions de contact autorisant le décollement des pièces. En outre, le procédé selon l'invention fournit des déplacements et contraintes correspondant au décalage des pièces l'une par rapport à 15 l'autre de part et d'autre du plan de joint. De plus, bien que le présent procédé ne permette pas de détecter stricto sensu une ouverture du plan de joint en tant que telle puisque l'assemblage est modélisé par un volume unique, la déformation de l'entité non soudée permet de prévoir au moins qualitativement le 20 comportement des pièces de part et d'autre du plan de joint, ce qui permet de conclure à une ouverture du plan de joint si les déformations des pièces sont trop importantes. Dans certains modes de réalisation, le procédé de simulation numérique comprend, avant de fournir le modèle numérique, une étape 25 consistant à modéliser l'assemblage. Dans certains modes de réalisation, lors de la simulation numérique de l'opération de soudage, on modélise uniquement une partie des deux pièces, de part et d'autre du plan de joint. Dans ces modes de réalisation, on minimise la taille du modèle. Cela peut être avantageux notamment 3025038 7 lorsque les résultats de la simulation numérique servent de données d'entrée pour une autre simulation numérique. Dans certains modes de réalisation, le procédé de simulation numérique comprend une simulation transitoire de l'opération de soudage, 5 au cours de laquelle les étapes suivantes sont effectuées : - en un point de la surface extérieure d'une partie non soudée de la zone de jonction, imposer une première condition aux limites thermique ; - après que la température en un point considéré de la partie non 10 soudée a dépassé un premier seuil prédéterminé supérieur ou égal aux températures de fusion des pièces, imposer audit point de la surface extérieure une deuxième condition aux limites thermique, ce par quoi la température au point considéré décroît ; - lorsque la température au point considéré atteint un deuxième 15 seuil prédéterminé, affecter au point considéré la deuxième propriété mécanique. Une simulation en régime transitoire, ou plus simplement « simulation transitoire », aussi appelée instationnaire, est une simulation dépendante du temps, par opposition avec une simulation statique ou 20 stationnaire qui est indépendante du temps (c'est-à-dire à l'équilibre). Les différentes étapes de la simulation transitoire précitée correspondent au déroulement physique d'une opération de soudage. L'étape d'imposition d'une première condition aux limites thermique correspond au chauffage jusqu'à la fusion des pièces au niveau du plan de 25 joint. La première condition aux limites thermique imposée dépend du procédé de soudage qui est modélisé. L'imposition d'une deuxième condition aux limites thermique correspond au retrait de l'outil de soudage et au refroidissement de la soudure, tandis que l'affectation de la deuxième propriété mécanique correspond à la solidification du cordon de 30 soudure.

3025038 8 Une condition aux limites thermique peut être imposée au moyen d'une température imposée (ou plus généralement une condition de type Dirichlet), d'un flux de chaleur imposé (ou plus généralement une condition de type Von Neumann), ou similaire. L'imposition d'un flux de 5 chaleur correspond à fournir une certaine quantité d'énergie (positive lorsqu'on chauffe, négative lorsqu'on refroidit) à tout ou partie de la surface extérieure d'une partie non soudée de la zone de jonction, ce par quoi la température de ladite surface extérieure varie. Un point de la surface extérieure d'une partie non soudée de la 10 zone de jonction est un point de l'entité non soudée qui se trouve sur le pourtour de la zone de jonction. Il s'agit, physiquement, du point où l'on applique la source de chaleur liée à un outil de soudure. Ce point appartient à la surface libre de la zone de jonction, c'est-à-dire la surface de la zone de jonction qui donne sur l'extérieur. Par opposition, le point 15 considéré est un point quelconque de la partie non soudée de la zone de jonction (c'est-à-dire de l'entité non soudée), notamment situé dans le volume de l'entité non soudée. Le premier seuil prédéterminé est suffisamment au-dessus des températures de fusion des deux pièces pour que tout un voisinage du 20 point considéré soit en fusion. Le deuxième seuil prédéterminé est le seuil de température à partir duquel le cordon de soudure acquiert des propriétés mécaniques non biaisées (deuxièmes propriétés mécaniques) ; cet instant correspond à la solidification du cordon de soudure. En d'autres termes, le changement de la propriété mécanique (affectation de la 25 deuxième propriété mécanique) correspond au passage du point considéré de l'entité non soudée à l'entité soudée. Avantageusement, notamment lorsque l'intervalle de solidification est large en température, le deuxième seuil prédéterminé peut être par exemple la température de solidus (premier point de fusion, dernier point de solidification).

3025038 9 Par exemple, dans le cas d'une modélisation par éléments finis, la température de la zone non soudée est examinée noeud par noeud, ou éventuellement élément par élément lorsque la température est moyennée sur chaque élément. Les propriétés mécaniques de chaque 5 élément sont modifiées en fonction de l'évolution de sa température. Dans certains modes de réalisation, la simulation transitoire comprend un calcul thermique et un calcul mécanique. Un calcul thermique permet d'évaluer la propagation de la chaleur apportée par l'opération de soudage. Un calcul mécanique permet d'évaluer la réponse 10 mécanique, notamment selon une loi de comportement élastique et plastique, de l'assemblage à ladite chaleur et aux conditions aux limites imposées par la soudure, afin d'en déduire les contraintes et les déplacements induits. Ainsi, le calcul mécanique permet d'évaluer la réponse mécanique des matériaux à la sollicitation thermique combinée à 15 la présence d'un outillage pendant le soudage. Généralement, le calcul thermique et le calcul mécanique sont réalisés en considérant que la mécanique n'a pas d'effet sur la thermique et réciproquement ; on parle alors de « couplage faible » entre le calcul thermique et le calcul mécanique, par opposition à un « couplage fort ».

20 Dans certains modes de réalisation, le procédé comprend une étape consistant à modéliser un pointage de ladite partie en affectant à certaines portions de ladite partie, avant l'opération de soudage et après l'opération de pointage, la deuxième propriété mécanique. Dans ces modes de réalisation, on met en oeuvre une première 25 modélisation (dite fidèle) qui consiste à considérer différemment les parties pointées des parties non pointées. La zone de jonction comprend donc une alternance de parties pointées et non pointées. Les parties pointées sont considérées comme ayant déjà été soudées et font partie de l'entité soudée. Les parties non pointées sont considérées comme n'ayant 30 pas encore été soudées et font partie de l'entité non soudée. Ainsi, selon 3025038 10 cette première modélisation, l'entité soudée n'est pas vide avant le soudage puisqu'elle comprend les parties pointées. L'entité non soudée ne comprend alors que les parties non soudées entre les parties pointées. L'entité non soudée présente donc une géométrie discontinue. En outre, 5 comme indiqué précédemment, l'entité non soudée se voit affecter une première propriété mécanique plus faible que la deuxième propriété mécanique affectée aux parties pointées (entité soudée). Dans certains modes de réalisation, le procédé comprend une étape consistant à modéliser un pointage de ladite partie en affectant à ladite 10 partie, avant l'opération de soudage et après l'opération de pointage, au moins une troisième propriété mécanique moins faible que la première propriété mécanique et plus faible que la deuxième propriété mécanique. Dans ces modes de réalisation, on met en oeuvre une deuxième modélisation possible (dite schématique) du pointage avant soudage, qui 15 consiste à considérer la zone de jonction pointée non soudée comme un tout homogène et à ne pas distinguer les zones pointées des zones non soudées. Dans ce cas, l'entité non soudée comprend aussi bien les zones pointées que les zones non soudées, et l'entité non soudée se voit affecter au moins une troisième propriété mécanique moins faible que la première 20 propriété mécanique et plus faible que la deuxième propriété mécanique. En effet, le fait que la troisième propriété mécanique soit moins faible que la première propriété mécanique traduit le fait que contrairement à une zone de jonction sans pointage, une zone de jonction avec pointage présente globalement une meilleure tenue mécanique du fait du pointage.

25 Le fait que la troisième propriété mécanique soit plus faible que la deuxième propriété mécanique traduit l'absence de soudage entre les pointages. Dans certains modes de réalisation, les propriétés (notamment mécaniques) de l'entité soudée sont déterminées par une loi des mélanges 30 à partir des propriétés correspondantes respectives des deux pièces. Selon 3025038 11 la loi des mélanges, les propriétés de l'entité soudée sont égales à la moyenne pondérée des propriétés des entités des pièces. Par exemple, la pondération est effectuée en fonction de la fraction volumique ou massique de la contribution de chaque pièce dans l'entité soudée.

5 L'application d'une telle loi est particulièrement utile lorsque les deux pièces ne sont pas faites du même matériau (assemblage hétérogène). A l'inverse, si les deux pièces sont faites du même matériau (assemblage homogène), alors l'entité soudée sera faite de ce matériau et en aura les propriétés.

10 Dans certains modes de réalisation, la première propriété mécanique est égale à la deuxième propriété mécanique divisée par un coefficient d'abattement. Par exemple, les deuxièmes propriétés mécaniques peuvent être toutes divisées par le même coefficient d'abattement.

15 Dans certains modes de réalisation, le coefficient d'abattement est déterminé en fonction de la taille relative de la zone de jonction par rapport à la taille des pièces. Plus précisément, le coefficient d'abattement peut être déterminé en fonction du rapport entre la taille initiale de l'entité non soudée et la taille des entités des pièces.

20 Cette relation entre le coefficient d'abattement et la taille relative des pièces et de l'entité non soudée traduit la déformabilité relative du plan de joint par rapport au reste de la pièce. Si les pièces sont grandes ou lourdes ou bloquées par rapport à la zone de jonction, des grands coefficients d'abattement traduisent le fait que le matériau simulé (aux 25 propriétés mécaniques faibles) peut se déformer beaucoup par rapport aux pièces, c'est-à-dire que les pièces se déforment difficilement au voisinage du cordon de soudure ; ceci peut résulter en d'importantes contraintes résiduelles dans les pièces. Dans le cas contraire, de petits coefficients d'abattement traduisent le fait que la déformation est 30 progressive autour de la zone non soudée.

302 503 8 12 Dans le cas où les pièces sont pointées avant l'opération de soudage, un grand coefficient d'abattement caractérisera un pointage faible par rapport à la longueur soudée et à la massivité de l'assemblage pointé. A l'inverse, un petit coefficient d'abattement caractérisera une 5 bonne rigidité du pointage. Alternativement ou en complément, le coefficient d'abattement peut être déterminé en fonction de la rigidité des pièces. La rigidité (absolue et pas seulement relative) des pièces traduit la faculté des pièces à se déformer plus ou moins facilement, donc l'ouverture plus ou moins grande 10 du plan de joint. Plus précisément, le coefficient d'abattement peut être déterminé en fonction de la matrice de rigidité des pièces, qui dépend notamment de la géométrie des pièces et des caractéristiques du matériau qui les compose. Le présent exposé vise également un procédé d'évaluation de 15 contraintes et/ou de déplacements. Un mode de réalisation concerne un procédé d'évaluation de contraintes et/ou de déplacements dans un assemblage comportant au moins une soudure, comprenant les étapes suivantes : - effectuer une simulation numérique locale d'une opération de 20 soudage entre deux pièces de l'assemblage par le procédé de simulation numérique selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents ; - déterminer des contraintes et/ou déformations locales résultant de cette opération de soudage ; 25 - reporter lesdites contraintes et/ou déformations locales sur chaque soudure de l'assemblage ; - simuler le comportement mécanique de l'assemblage en fonction des contraintes et/ou déformation locales reportées. Ce procédé d'évaluation part du constat selon lequel il serait trop 30 long et trop coûteux de calculer la réponse mécanique de l'assemblage 3025038 13 complet aux différentes opérations de soudage par un calcul transitoire tel que précédemment décrit. Les inventeurs ont donc astucieusement pensé à utiliser le procédé de simulation numériquement précédemment décrit dans le cadre d'une méthode locale/globale (aussi appelée globale/locale).

5 En d'autres termes, un calcul détaillé (par exemple thermique et élastoplastique instationnaire) est effectué sur une petite partie de soudure représentative d'une soudure d'un échantillon de l'assemblage, puis les contraintes et/ou déformations résultantes sont déterminées et reportées sur toutes les soudures de l'assemblage. On comprend que l'on 10 peut reporter une combinaison quelconque de contraintes et/ou de déformations à condition de laisser suffisamment de degrés de libertés à l'assemblage pour s'adapter mécaniquement (i.e. on ne peut pas imposer à la fois toutes les contraintes et toutes les déformations). Il est ensuite possible de calculer la réponse mécanique de 15 l'assemblage complet de manière plus simple et/ou plus rapide. Par exemple, le calcul de la réponse mécanique de l'assemblage complet peut être un calcul purement élastique. Alternativement ou en complément, le calcul de la réponse mécanique de l'assemblage complet peut être un calcul statique.

20 De cette façon, le procédé d'évaluation proposé permet de gagner beaucoup de temps par rapport à un procédé d'évaluation classique, tout en conservant une certaine précision grâce à l'utilisation du procédé de simulation numérique de soudage précédemment décrit, qui modélise assez finement les contraintes et déformations (tant qualitativement que 25 quantitativement). Le présent exposé vise aussi un programme d'ordinateur, comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de simulation numérique selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents et/ou du procédé d'évaluation selon l'un quelconque des 3 02 5 0 3 8 14 modes de réalisation précédents lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur ou par un microprocesseur. Ce programme peut utiliser n'importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de 5 code intermédiaire entre code source et code objet, tel que dans une forme partiellement compilée, ou dans n'importe quelle autre forme souhaitable. Le présent exposé vise aussi un support d'enregistrement lisible par un ordinateur ou par un microprocesseur, et comportant des instructions 10 d'un programme tel que mentionné ci-dessus. Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen 15 d'enregistrement magnétique, par exemple une disquette (floppy disc) ou un disque dur. D'autre part, le support d'informations peut être un support transmissible tel qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres 20 moyens. Le programme selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un réseau de type Internet. Le présent exposé concerne également un fichier informatique susceptible d'être lu par un programme d'ordinateur, comprenant un modèle numérique d'un assemblage à souder sous la forme d'un volume 25 unique continu comprenant une entité pour chacune des pièces et une zone de jonction entre les pièces, et dans lequel au moins une première propriété mécanique peut être affectée à au moins une partie de la zone de jonction pour modéliser une zone non soudée, tandis qu'au moins une deuxième propriété mécanique peut être affectée à au moins une partie 30 de la zone de jonction pour modéliser une zone soudée, la première 3025038 15 propriété mécanique étant plus faible que la deuxième propriété mécanique. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la 5 description détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est un schéma représentant la simulation d'une opération de soudage par un procédé selon un mode de réalisation de 10 l'invention, dans un cas sans pointage préalable ; - la figure 2 est un schéma représentant la simulation d'une opération de soudage par un procédé selon un mode de réalisation de l'invention, dans un cas avec pointage préalable ; - la figure 3A représente en coupe transversale le volume 10 selon 15 la direction IIIA de la figure 1 ; - la figure 3B représente l'évolution d'une propriété mécanique et de la température en un point de la figure 3A, au cours de l'opération de soudage ; - les figures 4A à 4E représentent schématiquement les différentes 20 étapes du procédé d'évaluation selon un mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION La figure 1 représente schématiquement une simulation numérique d'une opération de soudage entre deux pièces formant un assemblage.

25 Sur la figure 1, l'assemblage est en cours de soudage. Les deux pièces sont ici des tôles métalliques, en l'occurrence en superalliage à base nickel, plus particulièrement en Inconel 718. On emploie dans la présente simulation une modélisation par éléments finis ; d'autres modélisations seraient toutefois possibles, par 30 exemple par différences finies ou volumes finis, cette liste n'étant pas 302 503 8 16 exhaustive. Le maillage n'est pas représenté. L'assemblage est modélisé par un volume unique continu 10 comprenant une entité 12, 14 pour chacune des pièces. De plus, on modélise une zone de jonction comprenant une entité non soudée 16 correspondant à la zone non 5 soudée, et une entité soudée 18 correspondant à la zone soudée. Dans le mode de réalisation de la figure 1, aucun pointage n'est réalisé. Par conséquent, à l'état initial, avant soudage, les entités 12, 14, 16 sont non vides et l'entité soudée 18 est vide. Pour prendre en compte la déformation au niveau du plan de joint, 10 au moins une première propriété mécanique faible est affectée à l'entité non soudée 16 (c'est-à-dire aux parties de la zone de jonction avant leur soudage respectif). Par exemple, dans le cas d'un comportement élastique, on fixe un coefficient d'abattement A du module d'Young E selon la relation El = E2/A, où El est le module d'Young artificiellement 15 abaissé (i.e. affaibli) et E2 est le module d'Young de l'entité soudée. Les modules d'Young El, E2 peuvent être pris dépendants ou indépendants de la température. Le coefficient d'abattement A est fixé par l'utilisateur, par exemple de manière empirique en fonction de résultats obtenus au cours d'autres 20 simulations. Le coefficient d'abattement est supérieur à 1. Par exemple, ce coefficient d'abattement peut être de l'ordre de 10 (par exemple entre 8 et 12), 100, ou 1000. Il est déterminé par l'expérience, en fonction du matériau. Il traduit la contrainte relative entre la déformabilité de l'entité non soudée et la déformabilité des pièces. Si les pièces sont très 25 contraintes par rapport à l'entité non soudée (par exemple si les pièces sont très massives, très grosses ou bloquées latéralement), le coefficient d'abattement sera grand. A l'inverse, si les pièces sont plutôt souples ou peu contraintes (par exemple si les pièces sont légères et déformables et/ou non bloquées), le coefficient d'abattement sera petit. Des valeurs 30 trop élevées du coefficient d'abattement peuvent conduire à des 302 503 8 17 distorsions excessives dans l'entité non soudée 16, ce qui risque d'altérer la qualité de la simulation et peut nuire à la convergence du calcul. Dans le cas d'un comportement élastoplastique, il est possible de rendre plus faible, suivant le même principe, la limite d'élasticité. De 5 manière générale, toutes les propriétés mécaniques entrant dans le calcul de contraintes et/ou de déformations peuvent être rendues plus faibles suivant le même principe. Comme schématisé sur la figure 1, le front de soudure 20, qui forme l'interface entre l'entité non soudée 16 et l'entité soudée 18, se 10 déplace dans la direction de soudure S au fur et à mesure de la progression du soudage. L'avancée du front de soudure 20 dans la direction S traduit le passage d'éléments du volume 10 de l'entité non soudée 16 à l'entité soudée 18. Ce passage sera détaillé plus loin en référence à la figure 3B. En outre, ce passage s'accompagne d'un 15 changement de propriétés : en passant dans l'entité soudée 18, les propriétés mécaniques faibles (premières propriétés mécaniques) des éléments nouvellement soudés sont remplacées par des propriétés mécaniques non biaisées (deuxièmes propriétés mécaniques), représentatives du matériau du cordon de soudure.

20 Les dimensions de la zone de jonction sont définies en fonction des dimensions des pièces à assembler. Par exemple, dans ce mode de réalisation, la largeur L de la zone de jonction correspond au jeu de dimensionnement entre les pièces (par exemple de l'ordre de 0,1 à 0,5 mm). Par exemple, dans ce mode de réalisation, la hauteur H de la 25 zone de jonction correspond à l'épaisseur à souder. Enfin, dans ce mode de réalisation, la zone de jonction s'étend sur toute la trajectoire de soudage. La figure 2 présente schématiquement une simulation numérique d'une opération de soudage entre deux pièces formant un assemblage 30 selon un autre mode de réalisation. Sur cette figure, les éléments 302 503 8 18 correspondant ou identiques à ceux du premier mode de réalisation recevront le même signe de référence et ne seront pas décrits à nouveau. La figure 2 représente plus précisément un état de l'opération de soudage dans lequel un pointage a été effectué, et avant tout autre 5 soudage. Comme mentionné précédemment, un pointage comprend au moins un point de soudure isolé, réalisé à faible puissance, pour maintenir les pièces l'une par rapport à l'autre sans les déformer. Cette étape est avantageusement préalable au soudage continu à forte puissance qui, du fait des températures plus importantes mises en jeu, risque de déformer 10 les pièces et le plan de joint. Dans ce mode de réalisation, le pointage est simulé grâce à la modélisation dite fidèle déjà mentionnée. Comme illustré sur la figure 2, le pointage est considéré comme une partie soudée de la zone de jonction, c'est-à-dire faisant partie de l'entité soudée 18. Les zones non soudées 15 entre les points font partie de l'entité non soudée 16 et leurs propriétés mécaniques sont plus faibles que les propriétés mécaniques de l'entité soudée 18. Comme indiqué précédemment, alternativement, il est possible de modéliser un pointage de manière schématique à l'aide d'une 20 représentation similaire à celle de la figure 1, en considérant que l'entité non soudée 16 est une entité pointée non soudée et en lui attribuant des troisièmes propriétés mécaniques plus faibles que les deuxièmes propriétés mécaniques (propriétés mécaniques de l'entité soudée), mais moins faibles que les premières propriétés mécaniques (propriétés 25 mécaniques d'une entité non soudée et non pointée). Le procédé de simulation numérique selon le mode de réalisation présenté comprend une simulation transitoire de l'opération de soudage qui va maintenant être détaillée en référence aux figures 3A et 3B. La figure 3A est une coupe transversale du volume 10, où l'on a repéré un 30 point M4 de la surface extérieure de l'entité de jonction (ci-après « point 302 503 8 19 extérieur M4 ») et un point considéré M6 au sein de l'entité non soudée 16. Dans cet exemple, le point M4 est situé au droit du point M6, à l'endroit où la source de chaleur est appliquée. La figure 3B présente l'évolution d'une propriété mécanique X entre une première propriété 5 mécanique X1 et une deuxième propriété mécanique X2 (courbe 22), de la température du point extérieur M4 (courbe de consigne 24) et de la température du point considéré M6 (courbe de température 26). L'évolution de la température 26 est calculée par un calcul transitoire thermique à partir de la consigne appliquée 24. A partir de la température 10 26, un calcul transitoire mécanique, utilisant ici une loi de comportement élastoplastique, calcule les contraintes et les déformations (non représentées) au point matériel considéré M6. A l'instant initial, le point M6 est un point de l'entité non soudée 16. Il est donc affecté d'une propriété mécanique X1 plus faible que la 15 propriété mécanique X2 de la zone soudée 18. Sa température T est égale à la température ambiante Ta. A un instant tO, la source de chaleur arrive au niveau du point extérieur M4. Cet instant est simulé par l'imposition d'une première condition aux limites thermique en un point extérieur M4. Ici, la première 20 condition aux limites thermique correspond à l'imposition d'une température imposée Ti supérieure aux températures de fusion des pièces. Cette consigne de température est illustrée par la courbe 24. Il s'ensuit, par conduction thermique, une montée progressive de la température du point matériel considéré M6, à partir de tO et jusqu'à un 25 instant tf où le point considéré M6 atteint un premier seuil prédéterminé Tf supérieur ou égal auxdites températures de fusion. A ce moment, le cordon de soudure est en formation. On éloigne ensuite la source de chaleur du point extérieur M4 pour refroidir le cordon de soudure. Cette étape est simulée par une deuxième 30 condition aux limites thermique, à savoir ici l'imposition au point extérieur 302 503 8 20 M4 d'une température de consigne ambiante Ta, ce par quoi la température au point matériel considéré M6 diminue, comme le montre la courbe 26. Le terme de température ambiante est à comprendre relativement au procédé global de fabrication. En particulier, on appelle 5 température ambiante toute température inférieure aux températures de solidus des deux pièces et permettant le refroidissement et la solidification du cordon de soudure. A l'instant ts, lorsque la température au point considéré M6 atteint un deuxième seuil prédéterminé Ts, on affecte au point considéré M6 la 10 deuxième propriété mécanique (propriété mécanique de l'entité soudée 18). Comme le montre la courbe 22, la propriété mécanique du point matériel considéré M6 passe d'une valeur faible X1 à une valeur X2 représentative du comportement mécanique du cordon de soudure. Dans le présent mode de réalisation, le deuxième seuil prédéterminé Ts est la 15 température de solidus. Par ce choix de deuxième seuil prédéterminé, on considère que le cordon de soudure acquiert ses propriétés mécaniques nominales lorsqu'il finit de se solidifier. Toutefois, d'autres choix sont possibles. Selon les lois de la thermique classique, plus le point considéré M6 20 est proche du point extérieur M4 (c'est-à-dire de la surface de l'entité non soudée sur laquelle la source de chaleur est appliquée), plus la courbe 26 aura l'allure de la courbe de consigne 24. Par ailleurs, les paramètres classiques de la modélisation du soudage (type de source, puissance, coefficients de convection, vitesse du 25 front de soudure, type de conditions aux limites thermiques, etc.) peuvent être déterminés par l'homme du métier selon ses connaissances. En référence aux figures 4A à 4E, on va maintenant décrire un procédé d'évaluation de contraintes ou de déplacements dans un assemblage comportant au moins une soudure. Pour ce faire, on prendra 30 l'exemple d'un carter d'échappement de turbine 140 (de l'anglais 302 503 8 21 « Turbine Rear Vane », TRV), représenté en perspective à la figure 4E, dans lequel des bras fixes 134 sont soudés entre une virole externe 130 et une virole interne 138. Comme schématisé sur la figure 4A, le procédé d'évaluation précité 5 commence par la simulation numérique locale d'une opération de soudage entre deux pièces de l'assemblage par le procédé de simulation numérique décrit précédemment, puis par la détermination de contraintes et/ou déformations locales résultant de cette opération de soudage. En l'espèce, on détermine le champ de déformation plastique 120 résultant de 10 l'opération de soudage entre des entités 112, 114 représentatives respectivement d'un bras 134 et d'une virole (ici la virole externe 130). Plus précisément, le champ de déformation plastique 120 est déterminé sous forme tensorielle (i.e. tenseur des déformations plastiques). Selon une variante, selon l'objectif visé, on peut s'intéresser au champ de 15 déformation élastique et/ou plastique et/ou à la déformation plastique cumulée. Afin de reporter ce champ de déformation sur chaque soudure de l'assemblage considéré, on extrait du volume 110 une tranche d'amorçage 121 représentative de l'état de la matière lors de l'amorçage de la 20 soudure, une tranche intermédiaire 123 représentative de l'état de la matière tout au long du cordon de soudure et une tranche d'arrêt 125 représentative de l'état de la matière lors de l'arrêt de la soudure. Cette opération est représentée sur la figure 4B. Les tranches 121, 123, 125 sont sensiblement perpendiculaires au cordon de soudure.

25 La détermination des tranches à extraire du volume 110 peut se faire de la façon suivante. Si la puissance délivrée par la source de chaleur est constante, que la vitesse de déplacement de la source de chaleur est constante et que le volume 110 ne comporte pas de variation de géométrie (par exemple surépaisseur ou autre) de nature à perturber le 30 champ de déformation, on fait l'hypothèse que le champ de déformation 302 503 8 22 plastique 120 est constant dans une section intermédiaire du cordon de soudure. Dans ce cadre, l'état de déformation est considéré constant, dans une direction transverse, dans toute une zone intermédiaire. Il suffit alors d'extraire une tranche 123 de faible épaisseur correspondant à un 5 état de déformation plane. Pour l'amorçage et l'arrêt de la soudure, on extrait les tranches respectives 121, 125 dans lesquelles le gradient de déformation est important (par exemple supérieur à un seuil prédéterminé par l'homme du métier selon ses connaissances et le niveau de précision visé).

10 Le champ de déformation plastique 122 lié à la tranche d'amorçage 121 est ensuite imposé sur l'assemblage 140, au niveau d'une zone d'amorçage d'un cordon de soudure 132. Puis, à partir de la zone d'amorçage, le champ de déformation plastique 124 lié à la tranche intermédiaire 123 est imposé sur l'assemblage 140 (figure 4C) et appliqué 15 tout au long du cordon de soudure 132 (figure 4D). Généralement, le soudage ne se termine pas exactement là où a commencé la zone d'amorçage : afin de s'assurer que toute la longueur du cordon a bien été fusionnée, il est fréquent de réaliser le soudage non seulement sur tout le cordon de soudure 132 mais également de repasser sur la zone 20 d'amorçage. Ainsi, on garantit que la zone d'amorçage a bien été entièrement fusionnée. Dans ces cas, on applique le champ de déformation plastique 124 également sur tout ou partie de la zone d'amorçage. Alors, les champs de déformation 122, 124 se cumulent sur la zone d'amorçage.

25 De la même façon, le champ de déformation plastique 126 lié à la tranche d'arrêt 125 est ensuite imposé sur l'assemblage 140, au niveau d'une zone d'arrêt de la soudure. Le champ de déformation plastique 126 se cumule alors avec le champ de déformation précédemment imposé sur ladite zone d'arrêt. En d'autres termes, les champs de déformation 122, 302 503 8 23 124, 126 peuvent être appliqués de manière à se chevaucher, et ils se cumulent sur les zones de chevauchement. De cette façon, bien qu'on n'ait effectué un calcul transitoire (instationnaire) thermique et élastoplastique que sur une éprouvette 5 représentative des pièces en présence, on dispose du champ de déformation plastique sur l'ensemble du cordon de soudure 132. Une fois que le champ de déformations plastiques 120 a été reporté sur un ou plusieurs cordons de soudure 132, il est possible d'effectuer un calcul de structure global de l'assemblage 140 (figure 4E). Dans le présent 10 mode de réalisation, on effectue une simulation purement élastique et statique de l'assemblage 140, qui est chargé via le champ de déformation plastique précédemment calculé en tant que déformation initiale. Ce calcul fournit comme résultat le champ de distorsions résiduelles. Les cordons de soudure 132 du carter d'échappement de turbine 15 140 peuvent être calculés de manière simultanée ou séquentielle. En d'autres termes, le calcul global mentionné ci-dessus peut être effectué après chaque soudure de cordon 132 ou bien une seule fois après la soudure de tous les cordons 132. De manière simultanée, le champ de déformation plastique de tous les cordons 132 est imposé à l'aide des 20 tranches 121, 123, 125, puis un calcul mécanique global est effectué. La manière séquentielle est plus proche de la réalité, dans laquelle les soudures sont effectuées de manière séquentielle. En effet, dans la mesure où les bras 134 sont assemblés un par un et en supposant que tous les bras sont au préalable mis en place à l'aide 25 d'un pointage, lorsque certains bras sont soudés, d'autres ne sont que pointés. La continuité de la matière n'est pas assurée avec la même efficacité en pointage qu'avec une soudure à proprement parler, par conséquent les pointages non soudés sont davantage sujets aux distorsions lors du soudage d'autres bras.

302 503 8 24 Pour tenir compte de cette différence, dans le calcul mécanique global, les cordons pointés non soudés sont affectés de propriétés mécaniques plus faibles que les cordons soudés. En particulier, dans le cas d'un calcul uniquement élastique, le module d'Young des cordons pointés 5 non soudés peut être divisé par un facteur d'abattement. Ce facteur d'abattement peut être de l'ordre de 1000. Le dernier calcul mécanique global effectué sur la structure 140 permet de connaître le champ de distorsions résiduelles et/ou contraintes résiduelles créé par l'ensemble des opérations de soudage.

10 Une application possible de ce procédé consiste à comparer l'impact de plusieurs techniques de soudage, par exemple le Laser, le 11G (de l'anglais « Tungsten Inert Gas », méthode de soudage à arc avec électrode non fusible), le faisceau d'électrons, etc., sur la fabrication d'un assemblage. Le champ de déformation plastique local résultant de chaque 15 technique de soudage est calculé à l'aide du procédé de simulation numérique précédemment décrit, puis ce champ est reporté sur chaque cordon de soudure. Un calcul global, éventuellement séquentiel, fournit pour chaque technique de soudure le champ de déformations résiduelles, ce par quoi il est possible de sélectionner, pour un assemblage donné, la 20 technique de soudage ayant le moins d'impact sur ledit assemblage. Par exemple, l'emploi de cette méthode sur le carter 140 a montré que le soudage laser induisait des distorsions axiales et radiales environ deux fois inférieures au soudage TIG. Une explication possible est la suivante : les dimensions de la zone fondue et de la zone affectée 25 thermiquement étant plus faibles en soudage laser qu'en soudage TIG, les déformations plastiques qui en résultent sont plus localisées et moins intenses. Ainsi, l'impact des soudures sur la structure globale du carter est diminué. Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des 30 exemples de réalisation spécifiques, des modifications peuvent être 3025038 25 apportées à ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par 5 conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de simulation numérique d'une opération de soudage entre deux pièces formant un assemblage, comprenant les étapes suivantes : - fournir un modèle numérique de l'assemblage comportant un volume unique continu (10) comprenant une entité (12, 14) pour chacune des pièces et une zone de jonction (16, 18) entre les pièces ; - affecter à au moins une partie de la zone de jonction, avant l'opération de soudage de ladite partie, au moins une première propriété mécanique (X1) ; - après l'opération de soudage de ladite partie, affecter à ladite partie au moins une deuxième propriété mécanique (X2), la première propriété mécanique étant plus faible que la deuxième propriété mécanique.
2. 2. Procédé de simulation numérique selon la revendication 1, comprenant, avant de fournir le modèle numérique, une étape consistant à modéliser l'assemblage.
3. 3. Procédé de simulation numérique selon la revendication 1 ou 2, comprenant une simulation transitoire de l'opération de soudage, au cours de laquelle les étapes suivantes sont effectuées : - en un point de la surface extérieure (M4) d'une partie non soudée de la zone de jonction, imposer une première condition aux limites thermique (Ti) - après que la température (T) en un point considéré (M6) de la partie non soudée a dépassé un premier seuil prédéterminé (Tf) supérieur ou égal aux températures de fusion des pièces, imposer audit point de la surface extérieure (M4) une deuxième condition aux limites thermique (Ta), ce par quoi la température (T) au point considéré (M6) décroît ; 302 503 8 27 - lorsque la température (T) audit point considéré (M6) atteint un deuxième seuil prédéterminé (Ts), affecter au point considéré (M6) la deuxième propriété mécanique (X2). 5
4. 4. Procédé de simulation numérique selon la revendication 3, dans lequel la simulation transitoire comprend un calcul thermique et un calcul mécanique.
5. 5. Procédé de simulation numérique selon l'une quelconque des 10 revendications 1 à 4, comprenant en outre une étape consistant à modéliser un pointage de ladite partie en affectant à ladite partie, avant l'opération de soudage et après l'opération de pointage, au moins une troisième propriété mécanique moins faible que la première propriété mécanique (X1) et plus faible que la deuxième propriété mécanique (X2). 15
6. 6. Procédé de simulation numérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre une étape consistant à modéliser un pointage de ladite partie en affectant à certaines portions de ladite partie, avant l'opération de soudage et après l'opération de 20 pointage, la deuxième propriété mécanique (X2).
7. 7. Procédé d'évaluation de contraintes et/ou de déplacements dans un assemblage (140) comportant au moins une soudure (123), comprenant les étapes suivantes : 25 - effectuer une simulation numérique locale d'une opération de soudage entre deux pièces (112, 114) de l'assemblage par le procédé de simulation numérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ; - déterminer des contraintes et/ou déformations locales (120) 30 résultant de cette opération de soudage ; 302 503 8 28 - reporter lesdites contraintes et/ou déformations locales sur chaque soudure (132) de l'assemblage ; - simuler le comportement mécanique de l'assemblage (140) en fonction des contraintes et/ou déformations reportées. 5
8. 8. Procédé d'évaluation selon la revendication 7 dans lequel la simulation mécanique comprend un calcul purement élastique et statique.
9. 9. Programme d'ordinateur comportant des instructions pour 10 l'exécution des étapes du procédé de simulation numérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et/ou du procédé d'évaluation selon la revendication 7 ou 8 lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur ou par un microprocesseur. 15
10. 10. Support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur selon la revendication 9.