WO2007107504A1 - Method of determining the shape of a weld pool appearing during implementation of a welding process - Google Patents

Method of determining the shape of a weld pool appearing during implementation of a welding process Download PDF

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WO2007107504A1
WO2007107504A1 PCT/EP2007/052488 EP2007052488W WO2007107504A1 WO 2007107504 A1 WO2007107504 A1 WO 2007107504A1 EP 2007052488 W EP2007052488 W EP 2007052488W WO 2007107504 A1 WO2007107504 A1 WO 2007107504A1
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temperature
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melt
shape
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PCT/EP2007/052488
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French (fr)
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Duc Dung Doan
Franck Gabriel
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/02Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to soldering or welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K9/1043Power supply characterised by the electric circuit
    • B23K9/1056Power supply characterised by the electric circuit by using digital means
    • B23K9/1062Power supply characterised by the electric circuit by using digital means with computing means

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the shape of a liquid metal melt occurring during the implementation of a method of welding a first part and a second part.
  • the direct method is to attempt to solve the problem of heat transfer in the two parts of welded structure, the melted part and the solid part. To do this, we must resolve the Navier equations Stored in the liquid, the energy conservation equations taking into account the interaction between the energy arc and the part, the interaction between the liquid part and the solid part, and the equations of the transfer of heat in the solid.
  • the equivalent source method consists of giving a priori a form of the energy source and then solving a problem of nonlinear conduction of heat in the parts to be assembled.
  • the parameters of this source of energy are identified by an inverse problem from the temperature measured in the solid and the macrography of the welding bath (cf ref [2] or ref [3]).
  • This method provides access to the thermal loading of the welding process but:
  • the present invention relates to a method for determining the shape of a melt which overcomes these disadvantages.
  • This process is characterized by the following steps: a) a welding method is chosen; b) a two-dimensional or three-dimensional virtual bath shape is chosen according to the welding method chosen in step (a); c) model the shape of the virtual melt by a mathematical function that contains parameters to identify; d) calculating the temperature field in a virtual solid surrounding the melt by imposing boundary conditions; e) making a real copy of the first and second pieces; f) they are welded using the process chosen in step (a), which reveals a real melt and solid zone; g) measuring the temperature in M points of the real solid zone, M being at least equal to the number of parameters to be identified; h) comparing the temperatures measured in step (g) with the calculated temperatures at the same points in step (d) by calculating the function
  • the mathematical function that contains parameters to be identified is a Bezier curve or surface.
  • the mathematical function that contains parameters to be identified is a Bézier surface defined by the equation: mn TYl Tl
  • step (j) the Levenberg-Marquardt algorithm is used to choose another form of virtual bath.
  • step (d) the temperature field is calculated in a virtual solid surrounding the melt by solving the following equation system: dT s (x, y) r -, hp
  • T (x, y) T f (x, y) eF (3)
  • step (d) the temperature field is calculated in a virtual solid surrounding the melt by solving the following equation system:
  • the welding process is chosen from the group comprising TIG, MIG / MAG, electron beam, plasma, laser, hybrid welding processes.
  • the degree of the Bézier curve is equal to 3 or 4 in 2D and the degree of the Bézier surface is between 2x3 and 4x3 in 3D.
  • Figure 1 illustrates a Bezier curve with four control points
  • Figure 2 is a macrography of a non-debonding melt
  • FIG. 3 is a view of a curve of
  • FIG. 5 is a view of a curve of
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a two-dimensional melt
  • Figures 7 to 9 are three Bézier curves of degree 4 (of order 5)
  • Fig. 10 is a diagram of the welding process
  • FIG. 11 is a diagram of the spatial domain in 2D case
  • Figure 12 is a diagram of the spatial domain in 3D case
  • Figure 13 illustrates the Bezier surface of degree 3x2 with its control points
  • Figure 14 illustrates the temperature field calculated in 3D case.
  • the shape of the bath is parameterized with a Bézier curve of degree n (or a Bézier surface of degree m ⁇ n).
  • the classical definition of Bézier curves and surfaces is based on the family of Bernstein polynomials. These polynomials were used by Bernstein for the polynomial approximation of functions. They are used in the description of the Bézier model by the definition points named also Bézier points or "points of control".
  • the Bezier curve with four control points is then formulated as follows:
  • This curve passes through the points Po (x0, y0) and P3 (x3, y3). Its tangent to these points is the line connecting Po (xO, yO) to Pi (xl, yl) and the connecting line
  • FIG. 2 shows a macrography of the fusion front of a non-emergent weld and in FIG. 3 the parametrization of this fusion front by a Bezier curve of degree 3.
  • FIG. 4 shows the macrography of the melting front of an open weld and in FIG. 5 the parametrization of this fusion front by another Bezier curve of degree 3.
  • FIG. 3 shows a macrography of the melting front of an open weld and in FIG. 5 the parametrization of this fusion front by another Bezier curve of degree 3.
  • FIG. 3 shows only half of the fusion front has been shown.
  • FIGS. 7 to 9 show Bezier curves of order 5.
  • a parametric surface is the extension of the parametric curve in which we have two parameters u and v which each vary in [0,1].
  • P (u, v) passes through all points on the Bézier surface.
  • P 13 is the control point
  • mxn is the degree of the Bézier surface
  • the surface is continuous in the convex envelope of polygon P 00 , P 0n , P m0 , P mn . "The control of the surface is global. • The Bezier surface is independent of the axis system to which it is attached.
  • melts can be configured in three dimensions.
  • the fusion front F is interpreted by the coordinates of the control points.
  • F (P 0 , Pi ..., PN) where N is the number of parameters to identify.
  • M M measuring points to identify N parameters, then M ⁇ N.
  • F (P 0 , Pi ..., P N ) is known, the temperature field in the solid T (F) can be obtained by solving the heat transfer problem. It also means that the temperature field changes when we modify the shape of F (P 0 , Pi, ..., P N ).
  • coefficient of sensitivity ie the derivative of the temperature in relation to the parameters to be identified
  • the sensitivity matrix is defined as follows:
  • T 1 T 0 + [(J (T 0) YJ (T 0) + (P 0 Q 0 Y (J (T 0) Y [YT (T 0)]
  • ⁇ o is a positive scalar appointed damping parameter
  • ⁇ o is a diagonal matrix
  • the objective of the term ⁇ o ⁇ o is to dampen the oscillations and instabilities due to the misplaced nature of the problem.
  • the damping parameter ⁇ o is chosen large at the beginning of the iterative procedure (the method is then close to the method of the steepest slope) then, is reduced when one approaches the solution (the method joins the method of Gauss).
  • Example 1 two-dimensional fusion front. It is desired to weld two plates 2.4 end to end. Each of the plates has a width L y , a length 2L x and a thickness e.
  • a torch 6 generates an electric arc having sufficient intensity to melt the metal and form a melt 8. It travels with a constant speed u along the x-axis on the edge of the two plates 2 and 4.
  • the bath 8 melting zone is moved at the same speed as the torch 6.
  • a melting zone 10 is formed behind the displacement of the melt 8.
  • the objective is to find by the inverse method the shape of the bath and the temperature field in the solid region with the minimum of parameters to identify.
  • the thermal field in the solid is determined by considering the temperature imposed on the liquid-solid interface, equal to the melting temperature T f .
  • This curve is based on four control points Po, Pi, P2 and P3 (that is to say eight coordinates in two-dimensional case), and has the formula:
  • X to identify remains limited.
  • some coordinates of the control points may be constrained a priori by the physical nature of the problem.
  • T (x, y) T f (x, y) eT (3)
  • the temperature field T (x, y; F) in the solid is accessed for the form of the melt of step 1.
  • the temperature Y m in the solid is measured in a number of M measuring points 12 at least equal to the number of parameters to be identified (3 as we have seen above).
  • M 5 is chosen (ie 5 temperature measurements are made using a single thermocouple). Only one thermocouple is needed to have multiple measurement points. In quasi stationary, the different positions x m correspond to different recording times x m -uxt m , therefore, one can have several measurement points using a single thermocouple.
  • Example 2 3D case opening. As in the case of the two-dimensional example, it is desired to weld two plates end to end.
  • Each of the plates has a width L y , a length 2L x and a thickness e (see Figure 12).
  • the problem is physically defined as follows: an electric arc of sufficient intensity moves with a constant speed along the x-axis and is applied to the edge of two metal plates. A melt is formed and moves at the same speed as the electric arc.
  • the assumptions made to define this problem are as follows: • At torch speed u constant, the transfers are non-stationary in a reference linked to the plate. However, by using a reference linked to the torch, a quasi-steady state is obtained: the shape of the molten bath remains constant in this frame while the material enters and leaves the field of study. The mobile repository of the torch is therefore used for the analysis of the inverse problem.
  • the shape of the liquid-solid interface F is parameterized by a Bézier surface.
  • the thermal field in the solid is determined by considering the temperature imposed on the liquid-solid interface, equal to the melting temperature T f .
  • Step 1
  • T (x, y, z) T f in (x, y, z) eT (5)
  • S is the area of the section of the room and its perimeter Adiabatic conditions (2) are considered on the edges of the computational domain without loss of generality.
  • the temperature is imposed (5)
  • the temperature field T (x, y, z; F) in the solid is accessed for the melt form of step 1.
  • This estimated field is represented in FIG. 14.
  • thermocouples the temperature Y m in the solid in a number of points M at least equal to the number of parameters to be identified (9 as has been seen above) .
  • M 10 is chosen (ie 10 temperature measurements are made using a single thermocouple). Only one thermocouple is needed to have multiple measurement points. In quasi stationary, the different positions xm correspond to different recording times x m -uxt m , therefore, one can have several measurement points using a single thermocouple.

Abstract

Method of determining the shape of a weld pool. According to the method: a) a welding process is selected; b) a two-dimensional or three-dimensional virtual pool shape is selected; c) the shape of the virtual weld pool is modelled by a mathematical function that contains parameters to be identified; d) the temperature field in a virtual solid surrounding the weld pool is calculated by imposing boundary conditions; e) an actual example of the first and second parts (2, 4) is manufactured; f) they are welded by means of the selected process; g) the temperature is measured at M points in the actual solid zone; h) the temperatures measured in step g) are compared with the temperatures calculated, at the same points, in step d), by calculating the function (I) in two dimensions or the function (II) in three dimensions; i) S(Γ) is compared with a predefined value; j) if S(Γ) is greater than the predefined value, another virtual pool shape is selected and steps c) to h) are repeated until S(Γ) is smaller than the predefined value; and k) if or when S(Γ) is smaller than the predefined value, the shape of the virtual weld pool that has allowed S(Γ) to be calculated is accepted as actual value and the temperature field calculated from this shape is accepted as the actual temperature field.

Description

PROCEDE DE DETERMINATION DE LA FORME D'UN BAIN DE FUSION APPARAISSANT LORS DE LA MISE EN ŒUVRE D'UN METHOD FOR DETERMINING THE SHAPE OF A FUSION BATH APPEARING DURING THE IMPLEMENTATION OF A
PROCEDE DE SOUDAGEWELDING PROCESS
DESCRIPTIONDESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA
L' invention concerne un procédé de détermination de la forme d'un bain de fusion de métal liquide apparaissant lors de la mise en œuvre d'un procédé de soudage d'une première pièce et d'une seconde pièce.The invention relates to a method for determining the shape of a liquid metal melt occurring during the implementation of a method of welding a first part and a second part.
Pour améliorer la productivité et réduire les coûts, les industriels de l'automobile, de l'aéronautique, etc. s'orientent de plus en plus vers des outils de simulation. C'est le cas en particulier en ce qui concerne les opérations de soudage.To improve productivity and reduce costs, automotive, aerospace and other industries. are moving more and more towards simulation tools. This is particularly the case with regard to welding operations.
L'un des enjeux industriels majeurs de l'assemblage par soudage concerne la prédiction des effets mécaniques du procédé (contraintes résiduelles, distorsions, résistance à la fatigue...). Ces effets sont directement dépendants des évolutions de températures imposées par le procédé de soudage i.e. le chargement thermique du procédé.One of the major industrial challenges of welding assembly concerns the prediction of the mechanical effects of the process (residual stresses, distortions, fatigue resistance, etc.). These effects are directly dependent on the temperature changes imposed by the welding process i.e. the thermal loading of the process.
Pour pouvoir accéder à ce chargement thermique du procédé, deux méthodes sont couramment utilisées : la méthode directe et la méthode dite de la source équivalente. La méthode directe consiste à tenter de résoudre le problème de transfert de chaleur dans les deux parties de structure soudée, la partie fondue et la partie solide. Pour ce faire, il faut résoudre les équations de Navier Stockes dans le liquide, les équations de conservation d'énergie en tenant compte de l'interaction entre l'arc d'énergie et la pièce, l'interaction entre la partie liquide et la partie solide, et les équations du transfert de chaleur dans le solide.To gain access to this thermal loading of the process, two methods are commonly used: the direct method and the so-called equivalent source method. The direct method is to attempt to solve the problem of heat transfer in the two parts of welded structure, the melted part and the solid part. To do this, we must resolve the Navier equations Stored in the liquid, the energy conservation equations taking into account the interaction between the energy arc and the part, the interaction between the liquid part and the solid part, and the equations of the transfer of heat in the solid.
L'ensemble des équations ci-dessus n'a jamais été résolu dans sa totalité. En effet, la complexité du problème est telle qu'une partie seulement de ce problème a trouvé des solutions pour des effets particuliers, par exemple l'effet de tension de surface, l'effet Marangoni .The set of equations above has never been solved in its entirety. Indeed, the complexity of the problem is such that only a part of this problem has found solutions for particular effects, for example the effect of surface tension, the Marangoni effect.
La méthode de la source équivalente consiste à donner a priori une forme de la source d'énergie pour ensuite résoudre un problème de conduction non linéaire de la chaleur dans les pièces à assembler. Les paramètres de cette source d'énergie sont identifiés par un problème inverse à partir de la température mesurée dans le solide et la macrographie du bain de soudage (cf. réf [2] ou réf [3]).The equivalent source method consists of giving a priori a form of the energy source and then solving a problem of nonlinear conduction of heat in the parts to be assembled. The parameters of this source of energy are identified by an inverse problem from the temperature measured in the solid and the macrography of the welding bath (cf ref [2] or ref [3]).
Cette méthode permet d' accéder au chargement thermique du procédé de soudage mais :This method provides access to the thermal loading of the welding process but:
• Le modèle de source est spécifique à chaque procédé de soudage. • On impose une solution qui n'est pas nécessairement représentative de la physique des processus mis en œuvre.• The source model is specific to each welding process. • We impose a solution that is not necessarily representative of the physics of the processes implemented.
• La simulation des températures au voisinage du bain de fusion est difficile à réaliser. La présente invention a pour objet un procédé de détermination de la forme d'un bain de fusion qui remédie à ces inconvénients.• Simulation of temperatures in the vicinity of the melt is difficult to achieve. The present invention relates to a method for determining the shape of a melt which overcomes these disadvantages.
Ce procédé se caractérise par les étapes suivantes : a) on choisit un procédé de soudage ; b) on choisit une forme bidimensionnelle ou tridimensionnelle de bain virtuel en fonction du procédé de soudage choisi à l'étape (a) ; c) on modélise la forme du bain de fusion virtuel par une fonction mathématique qui contient des paramètres à identifier ; d) on calcule le champ de température dans un solide virtuel entourant le bain de fusion en imposant des conditions aux limites ; e) on fabrique un exemplaire réel de la première et de la seconde pièces ; f) on les soude au moyen du procédé choisi à l'étape (a), ce qui fait apparaître un bain de fusion et une zone solide réels ; g) on mesure la température en M points de la zone solide réelle, M étant au moins égal au nombre de paramètres à identifier ; h) on compare les températures mesurées à l'étape (g) aux températures calculées, aux mêmes points, à l'étape (d) en calculant la fonctionThis process is characterized by the following steps: a) a welding method is chosen; b) a two-dimensional or three-dimensional virtual bath shape is chosen according to the welding method chosen in step (a); c) model the shape of the virtual melt by a mathematical function that contains parameters to identify; d) calculating the temperature field in a virtual solid surrounding the melt by imposing boundary conditions; e) making a real copy of the first and second pieces; f) they are welded using the process chosen in step (a), which reveals a real melt and solid zone; g) measuring the temperature in M points of the real solid zone, M being at least equal to the number of parameters to be identified; h) comparing the temperatures measured in step (g) with the calculated temperatures at the same points in step (d) by calculating the function
Λ M 2 Λ M 2
S(F) =—V\T(xm,ym;F)-Ym\ en deux dimensionsS (F) = -V \ T (x m , y m ; F) -Y m \ in two dimensions
MfMf
ou la fonction en
Figure imgf000005_0001
trois dimensions ; i) on compare 1^(T) à une valeur prédéfinie ; j) si 5*(r) est supérieur à la valeur prédéfinie, on choisit une autre forme de bain virtuel et on réitère les étapes (c) à (h) jusqu'à ce que «S*(r) soit inférieur à la valeur prédéfinie ; k) si ou lorsque S(T) est inférieur à la valeur prédéfinie, on accepte la forme du bain de fusion virtuel qui a permis de calculer S(T) comme valeur réelle et on accepte le champ de température calculé à partir de cette forme comme le champ de température réel.
or the function in
Figure imgf000005_0001
three dimensions ; i) comparing 1 ^ (T) to a predefined value; j) if 5 * (r) is greater than the predefined value, another form of virtual bath is chosen and steps (c) to (h) are repeated until "S * (r) is less than the predefined value; k) if or when S (T) is less than the predefined value, we accept the shape of the virtual melt which made it possible to calculate S (T) as real value and we accept the temperature field calculated from this form like the actual temperature field.
Grâce à ces caractéristiques, on fait abstraction des phénomènes thermiques complexes qui se passent dans le liquide, ce qui simplifie le problème à résoudre de manière très importante en réduisant beaucoup le nombre des paramètres à déterminer. De plus, en accédant au champ de températures et à S(F) , on accède également à la quantité d'énergie qui traverse le front de fusion.Thanks to these characteristics, we ignore the complex thermal phenomena that occur in the liquid, which simplifies the problem to be solved very significantly by reducing many of the parameters to be determined. In addition, by accessing the temperature field and S (F), the amount of energy passing through the melting front is also accessed.
Avantageusement, mais non nécessairement, la fonction mathématique qui contient des paramètres à identifier est une courbe ou une surface de Bézier.Advantageously, but not necessarily, the mathematical function that contains parameters to be identified is a Bezier curve or surface.
Dans le cas d'un front de fusion bidimensionnel la fonction mathématique qui contient des paramètres à identifier est une courbe de Bézier définie par l'équation :In the case of a two-dimensional fusion front, the mathematical function that contains parameters to identify is a Bézier curve defined by the equation:
Figure imgf000006_0001
où P(t) passe par tous les points de la courbe de Bézier, où P1 est le point de contrôle, n le degré de la courbe de Bézier, N=n+1 le nombre de points de n contrôle P1, te [0,1] et B (t) sont des polynômes de i
Figure imgf000006_0001
where P (t) passes through all the points of the curve of Bezier, where P 1 is the control point, n the degree of the Bézier curve, N = n + 1 the number of points of n control P 1 , te [0,1] and B (t) are polynomials of i
Bernstein .Bernstein.
Dans le cas d'un front de fusion tridimensionnel la fonction mathématique qui contient des paramètres à identifier est une surface de Bézier définie par l'équation : m n TYl TlIn the case of a three-dimensional fusion front, the mathematical function that contains parameters to be identified is a Bézier surface defined by the equation: mn TYl Tl
P(u,v) = ∑∑B . (u)B .(v)P, avec u e [0,l],v e [0,1]P (u, v) = ΣΣB. (u) B. (v) P, with u e [0, l], v e [0,1]
I =O j = O l JI = O j = O l J
Bm(u) = — — u (1 - u)" i i\(m - i)\B m (u) = - - u (1 - u) "ii \ (m - i) \
BH(v) = vJ (1 - v)"-} B H (v) = v J (1 - v) "- }
J JKn - J)I où P (u, v) passe par tous les points de la surface de Bézier, P13 est le point de contrôle, mxn est le degré de la surface de Bézier il y a (m+l)x(n +l) points de contrôle dont (m+1) points dans la direction « i » et (n+1) points dans la direction « j » ; m n B (u),B (y) sont des polynômes de Bernstein. i J Avantageusement à l'étape (j), on utilise l'algorithme de Levenberg-Marquardt pour choisir une autre forme de bain virtuel.J JKn - J) I where P (u, v) passes through all points of the Bézier surface, P 13 is the control point, mxn is the degree of the Bézier surface there is (m + l) x (n + 1) control points including (m + 1) points in the direction "i" and (n + 1) points in the direction "j"; mn B (u), B (y) are Bernstein polynomials. Advantageously, in step (j), the Levenberg-Marquardt algorithm is used to choose another form of virtual bath.
Dans le cas d'un bain bidimensionnel, à l'étape (d) , on calcule le champ de température dans un solide virtuel entourant le bain de fusion en résolvant le système d'équation suivant : dTs(x,y) r -, hpIn the case of a two-dimensional bath, in step (d), the temperature field is calculated in a virtual solid surrounding the melt by solving the following equation system: dT s (x, y) r -, hp
Pscsu ^x = V [Z3VT1 (x, y)]-γ(Ts- Tιmp ) (x, y) , :Ω :DP s c s u ^ = V x [Z 3 VT 1 (x, y)] - γ (T s - T ιmp) (x, y): Ω: D
— — = 0 en y = L ; — — = 0 en x = - L1 et — — = 0 en y = 0 ( 2 ) dy dx dy- - = 0 in y = L; - - = 0 in x = - L 1 and - - = 0 in y = 0 (2) dy dx dy
T=Timp en x=+L2 ; T(x,y)=Tf (x, y) eF (3)T = T imp in x = + L 2 ; T (x, y) = T f (x, y) eF (3)
avec : λs Conductivité du solide, Ts Température dans le Wm-1K"1 solide, 0C ps Masse volumique du solide, Te Température extérieure, kg m"3 0C c Capacité thermique Timp Température imposée, massique, J kg"1 K"1 °ç u Vitesse du moyen de Tf Température de fusion, soudage, m s"1 °Cwith: λ s Conductivity of the solid, T s Temperature in the Wm -1 K "1 solid, 0 C p s Density of the solid, T e Outside temperature, kg m " 3 0 C c Thermal capacity T imp Required temperature, mass , J kg "1 K " 1 ° ç u Speed of the medium of T f Melting temperature, welding, ms "1 ° C
F Interface Liquide-Solide Ωs Domaine solide h Coefficient d'échange α émissivitéF Liquid-Solid Interface Ω s Solid domain h Coefficient of exchange α emissivity
Dans le cas d'un bain tridimensionnel, à l'étape (d) , on calcule le champ de température dans un solide virtuel entourant le bain de fusion en résolvant le système d'équation suivant :In the case of a three-dimensional bath, in step (d), the temperature field is calculated in a virtual solid surrounding the melt by solving the following equation system:
Pfi ju dTΛX 'y'Z) - V [AV Ts (x, y, z)] (x,y,z)eΩs (1)Pfi ju dTΛX ' y ' Z) - V [AV T s (x, y, z)] (x, y, z) eΩ s (1)
— —=0en y = LΛ>; — — = 0 en x = -L, et — — = 0 en y = 0 ιo\ dy y dx dy dT(x, v,zn) -λs — g^ +hT(x,y,zQ) = hTe enz = zQ=0 (3) dT(x,y, z )- - = 0 in y = L Λ> ; - - = 0 in x = -L, and - - = 0 in y = 0 ιo \ dy y dx dy dT (x, v, z n ) -λ s - g ^ + hT (x, y, z Q ) = hT e enz = z Q = 0 (3) dT (x, y, z)
- + hT{x,y,z *eepD) > = hTe en z = z "eepD = e : 4 ) dz- + hT {x, y, z * e ep D )> = hT e in z = z " e ep D = e: 4) dz
T=Timp en x=+L2 ; T ( x , y, z ) =Tf [ x , y, z ) eF : 5 )T = T imp in x = + L 2 ; T (x, y, z) = T f [x, y, z) eF: 5)
Le plus souvent le procédé de soudage est choisi dans le groupe comprenant les procédés de soudage TIG, MIG/MAG, par faisceau d'électrons, plasma, laser, hybride.Most often the welding process is chosen from the group comprising TIG, MIG / MAG, electron beam, plasma, laser, hybrid welding processes.
Pour la plupart des besoins, le degré de la courbe de Bézier est égal à 3 ou 4 en 2D et le degré de la surface de Bézier est compris entre 2x3 et 4x3 en 3D.For most purposes, the degree of the Bézier curve is equal to 3 or 4 in 2D and the degree of the Bézier surface is between 2x3 and 4x3 in 3D.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation faite en référence aux figures annexées. Sur ces figures : la figure 1 illustre une courbe de Bézier avec quatre points de contrôle ; la figure 2 est une macrographie d'un bain de fusion non débouchant ; - la figure 3 est une vue d'une courbe deOther features and advantages of the invention will become apparent upon reading the following description of embodiments with reference to the appended figures. In these figures: Figure 1 illustrates a Bezier curve with four control points; Figure 2 is a macrography of a non-debonding melt; FIG. 3 is a view of a curve of
Bézier de degré 3 correspondant à la macrographie de la figure 2 ; la figure 4 est une macrographie d'un bain de fusion débouchant ; - la figure 5 est une vue d'une courbe deBezier of degree 3 corresponding to the macrography of FIG. 2; Figure 4 is a macrography of a melting bath opening; FIG. 5 is a view of a curve of
Bézier de degré 3 correspondant à la macrographie de la figure 4 ; la figure 6 est un schéma qui illustre un exemple de bain de fusion bidimensionnel ; les figures 7 à 9 sont trois courbes de Bézier de degré 4 (d'ordre 5) ; la figure 10 est un schéma du procédé de soudage ; - la figure 11 est un schéma du domaine spatial en cas 2D ; la figure 12 est un schéma du domaine spatial en cas 3D ; la figure 13 illustre la surface de Bézier de degré 3x2 avec ses points de contrôle ; la figure 14 illustre le champ de température calculé en cas 3D.Bezier of degree 3 corresponding to the macrography of FIG. 4; Fig. 6 is a diagram illustrating an example of a two-dimensional melt; Figures 7 to 9 are three Bézier curves of degree 4 (of order 5); Fig. 10 is a diagram of the welding process; FIG. 11 is a diagram of the spatial domain in 2D case; Figure 12 is a diagram of the spatial domain in 3D case; Figure 13 illustrates the Bezier surface of degree 3x2 with its control points; Figure 14 illustrates the temperature field calculated in 3D case.
Différents procédés de soudage (M. I. G, M. A. G, Laser, faisceau d'électrons, hybride...) donnent différentes formes de bain fondu. Pour avoir accès à des formes très libres avec le minimum de paramètres conformément à l'invention, on paramètre la forme du bain avec une courbe de Bézier de degré n (ou une surface de Bézier de degré mxn) . La définition classique des courbes et des surfaces de Bézier s'appuie sur la famille des polynômes de Bernstein. Ces polynômes ont été utilisés par Bernstein pour l'approximation polynomiale des fonctions. Ils sont utilisés dans la description du modèle de Bézier par les points de définition nommés aussi points de Bézier ou encore « points de contrôle ». Les propriétés essentielles de ces polynômes proviennent de leur intervention à l'intérieur de la formule du binôme lors du développement de (t+(l-t))n avec n un entier naturel non nul . Pour avoir les fonctions de base de Bernstein, on écrit le chiffre 1 sous la forme : l=(t+(l-t))n.Different welding processes (MI G, MA G, Laser, electron beam, hybrid ...) give different forms of molten bath. In order to have access to very free forms with the minimum of parameters in accordance with the invention, the shape of the bath is parameterized with a Bézier curve of degree n (or a Bézier surface of degree m × n). The classical definition of Bézier curves and surfaces is based on the family of Bernstein polynomials. These polynomials were used by Bernstein for the polynomial approximation of functions. They are used in the description of the Bézier model by the definition points named also Bézier points or "points of control". The essential properties of these polynomials come from their intervention within the binomial formula when developing (t + (lt)) n with n a nonzero natural integer. To have the basic functions of Bernstein, we write the number 1 in the form: l = (t + (lt)) n .
Ainsi, dans le cas 2D : La valeur de n définit le degré du polynôme de Bernstein et également le nombre de points de contrôle (N=n+1), donc, le type de la courbe de Bézier.Thus, in the case 2D: The value of n defines the degree of the Bernstein polynomial and also the number of control points (N = n + 1), therefore, the type of the Bezier curve.
Par exemple, pour n=3 on a :For example, for n = 3 we have:
I=I3= (t+ (1-t) )3=(l-t)3+3 (l-t)2t+3 (1-t) t2+t3 donc, les fonctions basiques sont :I = I 3 = (t + (1-t)) 3 = (lt) 3 + 3 (lt) 2 t + 3 (1-t) t 2 + t 3 therefore, the basic functions are:
B0(t) = (l-t)3 B0 (t) = (lt) 3
Bl(t)=3(l-t)2tBl (t) = 3 (lt) 2 t
B2 (t)=3 (1-t) t2 B2 (t) = 3 (1-t) t 2
B3 (t)=t3 et bien sûr on aB3 (t) = t 3 and of course we have
BO (t)+Bl (t)+B2 (t)+B3 (t)=l, VtBO (t) + B1 (t) + B2 (t) + B3 (t) = l, Vt
Pour construire une courbe, on a besoin ensuite de 4 points de contrôle. Dans le plan (x, y) par exemple, on désigne ces quatre points de contrôle par P0(x0, yO), Pi (xl, yl), P2(x2, y2), P3(x3, y3) (voir figure 1) .To build a curve, you then need 4 control points. In the plane (x, y) for example, describes the four control points P 0 (x 0, y), P (xl, yl), P2 (x2, y2), P3 (x3, y3) ( see Figure 1).
La courbe de Bézier avec quatre points de contrôle est alors formulée comme suit :The Bezier curve with four control points is then formulated as follows:
P(t)=B0 (t)P0+Bl (t)Pi+B2 (t)P2+B3 (t)P3, te [0, 1] ou bien sous forme vectorielleP (t) = B0 (t) P 0 + B (t) Pi + B2 (t) P 2 + B3 (t) P 3 , te [0, 1] or in vector form
(xOBO (t) +xlBl (t) +x2B2 (t) +x3xB3 (t) , ylBl (t)+y2B2 (t)+y3B3 (t) )(xOBO (t) + xlBl (t) + x2B2 (t) + x3xB3 (t), ylB1 (t) + y2B2 (t) + y3B3 (t))
Cette courbe passe par les point Po(xO,yO) et P3(x3,y3) . Sa tangente à ces points est la ligne reliant Po(xO,yO) à Pi(xl,yl) et la ligne reliantThis curve passes through the points Po (x0, y0) and P3 (x3, y3). Its tangent to these points is the line connecting Po (xO, yO) to Pi (xl, yl) and the connecting line
P3(x3,y3) à P2(x2,y2) . La forme de la courbe dépend de la position de Pi(xl,yl) et P2(x2,y2). On peut formuler de façon générale l'équation de la courbe de Bézier de degré n (ordre n+1) de la manière suivante : nP 3 (x 3 , y 3) to P 2 (x 2 , y 2 ). The shape of the curve depends on the position of Pi (xl, yl) and P 2 (x2, y2). We can generally formulate the equation of the Bezier curve of degree n (order n + 1) in the following way: n
P(t) = ∑Bn(t)Pι P (t) = ΣB n (t) P ι
Figure imgf000012_0001
n
Figure imgf000012_0001
not
B (t) sont des polynômes de Bernstein. iB (t) are Bernstein polynomials. i
Plusieurs études en soudage nous donnent des formes possibles de zone de fusion, donc, de front de fusion de plusieurs procédés de soudage. Ce front est caractérisé par certaines formes : parabole, conique, triangle ou des formes plus compliquées comme à renflement ou en tête de clou. En utilisant la courbe de Bézier de degré 1 à 4, on peut interpréter la plupart de ces formes. On décrira maintenant les courbes de Bézier de degré 3 et 4, dont l'application est très large.Several welding studies give us possible forms of melting zone, therefore, of fusion front of several welding processes. This forehead is characterized by certain shapes: parabola, conic, triangle or more complicated shapes like bulge or nail head. By using the Bézier curve of degree 1 to 4, most of these forms can be interpreted. We will now describe the Bezier curves of degree 3 and 4, whose application is very wide.
La courbe de Bézier de degré 3 (n=3) est définie par les équations suivantes : P(t) = (l-t)3P0+3 (l-t)2tPi+3 (1-t) t2P2+t3P3 O≤t≤l P' (t)=-3 (l-t)2P0+3 (1-t) (l-3t)Pi+3t (2-3t)P3+3t2P3 The Bezier curve of degree 3 (n = 3) is defined by the following equations: P (t) = (lt) 3 P 0 + 3 (lt) 2 tPi + 3 (1-t) t 2 P 2 + t 3 P 3 O≤t≤l P '(t) = - 3 (lt) 2 P 0 + 3 (1-t) (1 -3t) Pi + 3t (2-3t) P 3 + 3t 2 P 3
En étudiant les formes possibles de la courbe de Bézier de degré trois (figure 1), on montre qu'avec quatre points de contrôle on arrive à interpréter la plupart des formes de front de fusion. A titre d'illustration, on a représenté sur la figure 2 une macrographie du front de fusion d'une soudure non débouchante et sur la figure 3 la paramétrisation de ce front de fusion par une courbe de Bézier de degré 3. Sur la figure 4 on a représenté la macrographie du front de fusion d'une soudure débouchante et sur la figure 5 la paramétrisation de ce front de fusion par une autre courbe de Bézier de degré 3. Dans le cas de la figure 3 comme dans le cas de la figure 5, la moitié seulement du front de fusion a été représenté. On voit donc qu'avec des formes de courbe de Bézier de degré 3 on arrivera à interpréter la plupart des formes possibles du front de fusion. Notons que pour les quatre points de contrôle, les deux points P0 et P3 sont imposés par la macrographie parce qu' ils sont visibles directement sur la macrographie et qu' il est clair qu' il restent les même tout au long du processus (voir figure 6) . La question est donc de déterminer Pi et P2 tels que la forme de la macrographie est retrouvée.By studying the possible shapes of the Bezier curve of degree three (Figure 1), we show that with four control points we can interpret most of the forms of fusion front. By way of illustration, FIG. 2 shows a macrography of the fusion front of a non-emergent weld and in FIG. 3 the parametrization of this fusion front by a Bezier curve of degree 3. FIG. 4 shows the macrography of the melting front of an open weld and in FIG. 5 the parametrization of this fusion front by another Bezier curve of degree 3. In the case of FIG. 3, as in FIG. In the case of Figure 5, only half of the fusion front has been shown. We thus see that with Bezier curve shapes of degree 3 we will be able to interpret most of the possible forms of the fusion front. Note that for the four control points, the two points P 0 and P 3 are imposed by the macrography because they are visible directly on the macrography and it is clear that they remain the same throughout the process ( see Figure 6). The question is therefore to determine Pi and P 2 such that the shape of the macrography is found.
Avec les courbes de Bézier de degré 3 (d'ordre 4) on peut paramétrer :With the Bézier curves of degree 3 (of order 4) one can parameterize:
• La plupart des formes de front de fusion du procédé faisceau d'électrons sauf le cas de renflement .• Most forms of fusion front of the electron beam process except the case of bulge.
• Les formes simples du front de fusion en cas de soudage laser.• Simple shapes of the fusion front in case of laser welding.
• Toutes les formes de front de fusion en cas de soudage TIG débouchant et non-débouchant et en cas de soudage MIG/MAG.• All forms of fusion front in the case of open and non-through TIG welding and in the case of MIG / MAG welding.
La courbe de Bézier de degré 4 (n=4) est définie par l'équation suivante :The Bezier curve of degree 4 (n = 4) is defined by the following equation:
P(t) = (l-t)4P0+4 (l-t)3tPi+6 (l-t)2t2P2+4 (1- t ) t3P3+t4P4 O≤t≤l Mis à part le procédé de soudage hybride qui crée des zones de fusion plus complexes on peut paramétrer la plupart des formes de front créées lors du soudage. Evidemment, il est alors plus difficile de paramétrer les fronts car on a ici une courbe d' ordre 5 ayant 5 points de contrôle dont on ne connaît en général que deux par avance. En plus de toutes les formes accessibles aux courbes de Bézier d'ordre 1 à 4, on a représenté sur les figures 7 à 9 des courbes de Bézier d'ordre 5.P (t) = (lt) 4 P 0 + 4 (lt) 3 tPi + 6 (lt) 2 t 2 P 2 + 4 (1- t) t 3 P 3 + t 4 P 4 O ≤ t ≤l Aside from the hybrid welding process that creates more complex melting zones, most of the edge shapes created during welding can be set. Obviously, it is then more difficult to parameterize the fronts because here we have a curve of order 5 having 5 control points of which we know generally only two in advance. In addition to all forms accessible to Bezier curves of order 1 to 4, FIGS. 7 to 9 show Bezier curves of order 5.
Avec la courbe de Bézier de degré 4 (d'ordre 5) on peut paramétrer :With the Bézier curve of degree 4 (of order 5) one can parameterize:
• Toutes les formes simplifiées du front de fusion obtenues par soudage, (faisceaux d'électrons) et laser en occultant les effets d'instabilité.• All simplified forms of the fusion front obtained by welding (electron beams) and laser while obscuring the effects of instability.
• Toutes les formes de front de fusion dans le cas du soudage TIG débouchant et non-débouchant et dans le cas du soudage MIG/MAG.• All forms of fusion front in the case of open and non-through TIG welding and in the case of MIG / MAG welding.
• Les formes simples de front de fusion dans le cas du soudage hybride.• Simple forms of fusion front in the case of hybrid welding.
Dans le cas d'un bain de fusion tridimensionnel :In the case of a three-dimensional fusion bath:
La définition d'une surface paramétrique est l'extension de la courbe paramétrique dans laquelle on a deux paramètres u et v qui varient chacun dans [0,1] .The definition of a parametric surface is the extension of the parametric curve in which we have two parameters u and v which each vary in [0,1].
Pour avoir les fonctions de base de Bernstein, on écrit le chiffre 1 sous la forme : l=(u+ (1-u) )m et l=(v+ (1-v) )n. La valeur mxn définit le degré de la surface de Bézier. Généralement, la surface de Bézier est formulée comme suit : m n m nTo have the basic functions of Bernstein, we write the number 1 in the form: l = (u + (1-u)) m and l = (v + (1-v)) n . The value mxn defines the degree of the Bézier surface. Generally, the Bézier surface is formulated as follows: mn mn
P(u,v) = ∑∑B \u)B Xv)Pyavecue[0,\],ve[0,\] ι=0 j=0P (u, v) = ΣΣB \ u) B Xv) P y with [0, \], ve [0, \] ι = 0 j = 0
m m\m
B . («) = — -K1O-K)' i ι\(m-i)\B. (") = - - K1 O- K ) 'i ι \ (mi) \
n «ιn "ι
B (v) = vJ(l-v)n~J B (v) = v J (lv) n ~ J
J JKn-J)IJ JKn-J) I
Où P(u,v) passe par tous les points de la surface de Bézier. P13 est le point de contrôle, mxn est le degré de la surface de Bézier, il y a (m+l)x(n+l) points de contrôle dont (m+1) points dans la directionWhere P (u, v) passes through all points on the Bézier surface. P 13 is the control point, mxn is the degree of the Bézier surface, there are (m + l) x (n + l) control points including (m + 1) points in the direction
« i » et (n+1) points dans la direction « j » ; m n"I" and (n + 1) points in the direction "j"; m n
B (u),B (v) sont des polynômes de Bernstein. 1 JB (u), B (v) are Bernstein polynomials. 1 J
On a des propriétés générales pour des surfaces de degré mxn (ordre (m +l)x(n+l) ) :We have general properties for surfaces of degree mxn (order (m + 1) x (n + 1)):
•La surface passe par les points de contrôle extrémités POo, Pon, Pmo, Pmn-• The surface passes through the end points P o o, Pon, P m o, Pmn-
•La surface P(u,v) est continue et a des dérivées continues à tous les ordres. «Chaque point de contrôle exerce une attraction sur la portion de la surface proportionnelle aux coefficients bi-variés du polynôme de Bernstein.• The surface P (u, v) is continuous and has continuous derivatives at all orders. "Each control point exerts an attraction on the portion of the surface proportional to the bi-varied coefficients of the Bernstein polynomial.
•La surface est continue dans l'enveloppe convexe de polygone P00, P0n, Pm0, Pmn. «Le contrôle de la surface est global. •La surface de Bézier est indépendante du système d'axes auxquels elle est rapportée.• The surface is continuous in the convex envelope of polygon P 00 , P 0n , P m0 , P mn . "The control of the surface is global. • The Bezier surface is independent of the axis system to which it is attached.
Avec les surfaces de Bézier de degré 3x3 :With Bezier surfaces of degree 3x3:
Piu,v)f∑ 3 |BR"mV(,uΛ)BR"πω(y)P,igj Piu, v) fΣ 3 | B R " m V (, u Λ) B R " π ω (y) P, igj
I = Oj = O ' J I = Oj = O ' J
=P00(l-u)3(l-v)3 + P01(l-u)33v(l-v)2+P02(l-u)33v2(l-v) +P03 (l-u)V + P103u (1-u)2 (l-v)3+Pu3u (l-u)23v(l-v)2+P123u (l-u)23v2 (1-v) +P133u (1-u) 2v3 + P203u2 (1-u) (l-v)3+P213u2 (1-u) 3v(l-v)2+P223u2 (1-u) 3v2 (l-v)+P233u2 (1-u) v3 + P30U3 (1-v) 3+P3iU33v(l-v)2 + P32u33v2 (1-v) +P33U3V3 ou encore mieux de degré 4x3 := P 00 (lu) 3 (lv) 3 + P 01 (lu) 3 3v (lv) 2 + P 02 (lu) 3 3v 2 (lv) + P 03 (lu) V + P 10 3u (1-u) ) 2 (lv) 3 + P u 3u (lu) 2 3v (lv) 2 + P 12 3u (lu) 2 3v 2 (1-v) + P 13 3u (1-u) 2 v 3 + P 20 3u 2 (1-u) (lv) 3 + P 21 3u 2 (1-u) 3v (1v) 2 + P 22 3u 2 (1-u) 3v 2 (lv) + P 23 3u 2 (1-u) v 3 + P 30 U 3 (1-v) 3 + P 3 iU 3 3v (lv) 2 + P 32 u 3 3v 2 (1-v) + P 33 U 3 V 3 or even better of degree 4x3:
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0001
=P00 (1-u) 4 (1-v) 3 + P01 (1-u) 43v (1-v) 2+P02 (1-u) 43v2 (1-v) +P03 (1-u) V + P104u (1-u)3 (l-v)3+P114u (1-u) 33v (l-v)2+P124u (1-u) 33v2 (1-v) +P134u (1-u) 3V3 + P206u2 (1-u) 2 (1-v) 3+P216u2 (1-u) 23v (1-v) 2 + P226u2 (1-u) 23v2 (1-v) +P236u2 (l-u)2v3 + P304u3 (1-u) (l-v)3+P314u3 (1-u) 3v(l-v)2+P02 (1-u) 2+P324u3 (1-u) 3v2 (l-v)+P334u3 (1- u)v3 = P 00 (1-u) 4 (1-v) 3 + P 01 (1-u) 4 3v (1-v) 2 + P 02 (1-u) 4 3v 2 (1-v) + P 03 (1-u) V + P 10 4u (1-u) 3 (1v) 3 + P 11 4u (1-u) 3 3v (1v) 2 + P 12 4u (1-u) 3 3v 2 (1-u) v) + P 13 4u (1-u) 3 V 3 + P 20 6u 2 (1-u) 2 (1-v) 3 + P 21 6u 2 (1-u) 2 3v (1-v) 2 + P 22 6u 2 (1-u) 2 3v 2 (1-v) + P 23 6u 2 (lu) 2 v 3 + P 30 4u 3 (1-u) (lv) 3 + P 31 4u 3 (1-u) u) 3v (lv) 2 + P 02 (1-u) 2 + P 32 4u 3 (1-u) 3v 2 (lv) + P 33 4u 3 (1- u) v 3
+ P40U4 (1-v) 3+P41u43v (1-v) 2+P42u43v2 (1-v) +P43U4V3 + P 40 U 4 (1-v) 3 + P 41 u 4 3v (1-v) 2 + P 42 u 4 3v 2 (1-v) + P 43 U 4 V 3
On peut paramétrer la plupart des bains de fusion en trois dimensions.Most melts can be configured in three dimensions.
Comment on modifie la forme du front de fusion F.How to modify the shape of the fusion front F.
1. Le front de fusion F est interprété par les coordonnées des points de contrôle. On peut écrire F (P0, Pi..., PN) OÙ N est le nombre des paramètres à identifier. On utilise M points de mesure pour identifier N paramètres, alors M≥N. Quand F (P0, Pi..., PN) est connu, on peut obtenir le champ de température dans le solide T (F) en résolvant le problème de transfert de chaleur. Cela veut dire également que le champ de température change quand on modifie la forme de F (P0, Pi, ..., PN) . On introduit maintenant le terme coefficient de sensibilité i.e. la dérivée de la température par rapport aux paramètres à identifier1. The fusion front F is interpreted by the coordinates of the control points. We can write F (P 0 , Pi ..., PN) where N is the number of parameters to identify. We use M measuring points to identify N parameters, then M≥N. When F (P 0 , Pi ..., P N ) is known, the temperature field in the solid T (F) can be obtained by solving the heat transfer problem. It also means that the temperature field changes when we modify the shape of F (P 0 , Pi, ..., P N ). We now introduce the term coefficient of sensitivity ie the derivative of the temperature in relation to the parameters to be identified
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000017_0001
La matrice de sensibilité est définie comme suit :The sensitivity matrix is defined as follows:
Figure imgf000017_0002
Figure imgf000017_0002
2. On fait un essai et on mesure la température à des points de mesure bien définis Ym, m=l , ..., M où M est le nombre des points de mesure (Figure 11 ou Figure 12 pour 3D) ) .2. A test is run and the temperature is measured at well-defined measurement points Y m , m = 1, ..., M where M is the number of measuring points (Figure 11 or Figure 12 for 3D)).
3. Pour débuter le calcul, on se donne des paramètres initiaux c'est-à-dire T0(P™,P"1,...,P™1) , avec F0 on résout le problème de transfert de chaleur dans le solide pour obtenir le champ de température T (F0) . On extrait ensuite la valeur de température à des points de mesure.3. To start the calculation, we give ourselves initial parameters that is to say T 0 (P ™, P " 1 , ..., P ™ 1 ), with F 0 we solve the problem of heat transfer in the solid to obtain the temperature field T (F 0 ) The temperature value is then extracted at measurement points.
4. On calcule la fonction4. The function is calculated
Figure imgf000017_0003
ou la fonction
Figure imgf000018_0001
en 3D.
Figure imgf000017_0003
or the function
Figure imgf000018_0001
In 3D.
5. Si S(Fo)>ε on modifie la forme du front de fusion T1=T0 +[(J(T0)YJ(ro)\\j(ro)f[Y-T(T0)] (Méthode de5. If S (Fo)> ε we modify the shape of the melting front T 1 = T 0 + [(J (T 0 ) YJ (r o ) \\ j (r o ) f [YT (T 0 )] (Method of
Gauss)Gauss)
On peut également utiliser la méthode de Levenberg MarquardtWe can also use the method of Levenberg Marquardt
T1=T0 +[(J(T0)YJ(T0)+(P0Q0Y(J(T0)Y[Y-T(T0)] où μo est un scalaire positif nommé paramètre d'amortissement et Ωo est une matrice diagonale. L'objectif du terme μoΩo est d'amortir les oscillations et les instabilités dues au caractère mal posé du problème. Le paramètre d'amortissement μo est choisi grand au début de la procédure itérative (la méthode est alors proche de la méthode de la plus forte pente) puis, est réduit lorsque l'on se rapproche de la solution (la méthode rejoint la méthode de Gauss) .T 1 = T 0 + [(J (T 0) YJ (T 0) + (P 0 Q 0 Y (J (T 0) Y [YT (T 0)] where μo is a positive scalar appointed damping parameter and Ω o is a diagonal matrix The objective of the term μoΩ o is to dampen the oscillations and instabilities due to the misplaced nature of the problem.The damping parameter μo is chosen large at the beginning of the iterative procedure (the method is then close to the method of the steepest slope) then, is reduced when one approaches the solution (the method joins the method of Gauss).
6. On reboucle le calcul jusqu'à la convergence. 6. Loop the calculation until convergence.
EXEMPLESEXAMPLES
Exemple 1 : front de fusion bidimensionnel . On souhaite souder bout à bout deux plaques 2,4. Chacune des plaques a une largeur Ly, une longueur 2Lx et une épaisseur e. Une torche 6 génère un arc électrique possédant une intensité suffisante pour fondre le métal et former un bain de fusion 8. Elle se déplace avec une vitesse constante u le long de l'axe x sur le bord des deux plaques 2 et 4. Le bain de fusion 8 se déplace à la même vitesse que la torche 6. Une zone de fusion 10 est formée en arrière du déplacement du bain de fusion 8. L'objectif est de retrouver par la méthode inverse la forme du bain et le champ de température dans la région solide avec le minimum de paramètres à identifier.Example 1: two-dimensional fusion front. It is desired to weld two plates 2.4 end to end. Each of the plates has a width L y , a length 2L x and a thickness e. A torch 6 generates an electric arc having sufficient intensity to melt the metal and form a melt 8. It travels with a constant speed u along the x-axis on the edge of the two plates 2 and 4. The bath 8 melting zone is moved at the same speed as the torch 6. A melting zone 10 is formed behind the displacement of the melt 8. The objective is to find by the inverse method the shape of the bath and the temperature field in the solid region with the minimum of parameters to identify.
Les hypothèses prises pour définir ce problème sont les suivantes :The assumptions made to define this problem are as follows:
• A vitesse de torche u constante, les transferts sont non stationnaires dans un référentiel lié à la plaque. Toutefois en utilisant un repère lié à la torche on obtient un régime quasi-stationnaire : la forme du bain fondu reste constante dans ce repère pendant que la matière entre et sort du domaine d'étude. Le référentiel mobile de la torche est donc utilisé pour l'analyse du problème inverse.• At torch speed u constant, the transfers are non-stationary in a reference linked to the plate. However, by using a reference linked to the torch, a quasi-steady state is obtained: the shape of the molten bath remains constant in this frame while the material enters and leaves the field of study. The mobile repository of the torch is therefore used for the analysis of the inverse problem.
• Les variations de température dans la direction Oz sont supposées négligeables par rapport à celles dans le plan (Ox, Oy) , et le problème de transfert est ainsi considéré comme bidimensionnel. • La forme de l'interface liquide-solide F est paramétrée par une courbe de Bézier.• The temperature variations in the Oz direction are assumed to be negligible compared to those in the plane (Ox, Oy), and the transfer problem is thus considered two-dimensional. • The shape of the liquid-solid interface F is parameterized by a Bézier curve.
• La position des points de mesure dans le domaine solide est constante dans le référentiel de la torche.• The position of the measuring points in the solid domain is constant in the torch reference system.
En régime quasi-stationnaire, le champ thermique dans le solide est déterminé en considérant la température imposée à l'interface liquide-solide, égale à la température de fusion Tf. Mise en œuvre du procédéIn quasi-stationary mode, the thermal field in the solid is determined by considering the temperature imposed on the liquid-solid interface, equal to the melting temperature T f . Implementation of the process
- Etape 1- Step 1
On choisit une forme de Fo du bain de fusion et sa paramétrisation par une courbe de Bézier d'ordreOne chooses a form of Fo of the melt and its parametrization by a Bézier curve of order
4 (ou de degré 3) . Cette courbe se base sur quatre points de contrôle Po, Pi, P2 et P3 (c'est-à-dire huit coordonnées en cas bidimensionnel) , et a pour formule :4 (or degree 3). This curve is based on four control points Po, Pi, P2 and P3 (that is to say eight coordinates in two-dimensional case), and has the formula:
P(t) = (l-t)3P0+3 (l-t)2tPi+3 (1-t) t2P2+t3P3 O≤t≤lP (t) = (lt) 3 P 0 + 3 (lt) 2tPi + 3 (1-t) t 2 P 2 + t 3 P 3 O≤t≤l
Cette approche a plusieurs avantages : d'une part la courbe de Bézier assure la régularité de la forme, d'autre part la taille du vecteur paramètresThis approach has several advantages: on the one hand the Bézier curve ensures regularity of the shape, on the other hand the size of the vector parameters
X à identifier reste limitée. De plus, certaines coordonnées des points de contrôle peuvent être contraintes a priori par la nature physique du problème. Dans le cas étudié ici, les coordonnées de P3 sont connues, de plus grâce à la condition de symétrie par rapport à l'axe « Oy » P0x - P1x, P2x - P3x , la dimension du vecteur paramètres X, i.e le nombre de paramètres à identifier est ainsi limitée à trois : dim(X)=3 avec X=(P0x, Piy, P2Y) • le vecteur paramètre X initial est : χimPut=(0.5,0.5,0.5) . Etape 2X to identify remains limited. In addition, some coordinates of the control points may be constrained a priori by the physical nature of the problem. In the case studied here, the coordinates of P3 are known, moreover thanks to the condition of symmetry with respect to the axis "Oy" P 0x -P 1x , P 2x -P 3x , the dimension of the vector parameters X, ie the number of parameters to be identified is thus limited to three: dim (X) = 3 with X = (P 0x , Pi y , P2 Y ) • the initial parameter vector X is: χ imPut = (0.5,0.5,0.5). 2nd step
La forme du bain de fusion étant donnée à l'étape 1 et donc le vecteur X initial, on résout le système d'équations décrivant le champ de température dans le domaine solide en régime quasi-stationnaire pour ce bain : pscsu dTÀ^y) = V[λsVTs(x,y)]-^-(Ts-Tιmp)(x,y) ε Ωs (1) ox SThe shape of the melt being given in step 1 and thus the initial vector X, we solve the system of equations describing the temperature field in the solid domain in quasi-stationary regime for this bath: p s c s u dTλ ^ y) = V [λ s VT s (x, y)] - ^ - (T s -T ιmp ) (x, y) ε Ω s (1) ox S
T ;; . 00eennxx == --LLιιeett —— - - = 0 en y = 0
Figure imgf000021_0001
T ;; . 00eennxx == --LL ιι eett - - - = 0 in y = 0
Figure imgf000021_0001
T=Timp en x=+L2, T(x,y)=Tf (x,y) eT (3)T = T imp in x = + L 2 , T (x, y) = T f (x, y) eT (3)
Avec :With:
λs Conductivité du solide, Ts Température dans leλ s Conductivity of the solid, T s Temperature in the
Wm-1K"1 solide, 0C ps Masse volumique du τe Température extérieure, solide, kg m ^Wm -1 K "1 solid, 0 C p s Density of τ e External temperature, solid, kg m ^
C Capacité thermique Timp Température Imposée, 0C massique, J kg^KT1 u Vitesse de la torche, m Tf Température de fusion, s"1 °CC Thermal capacity T imp Required temperature, 0 C mass, J kg ^ KT 1 u Torch speed, m T f Melting temperature, s "1 ° C
F Interface Liquide-Solide Ωs Domaine solide h Coefficient d'échange α émissivitéF Liquid-Solid Interface Ω s Solid domain h Coefficient of exchange α emissivity
ps=7200 kg.m , pscp=4000000 J. m" .K"1, λs=50 W. m"1. K1, Tf=1450°C, Timp=20°C, u=10mm.s"1, Ly=50 mm, Lx=300 mm, Li=540 mm, L2=60 mm,
Figure imgf000022_0001
α = 0.9 (émissivité) .
p s = 7200 kg.m, s p c p = 4000000 J. m ".K" 1, λ s = 50 W m "1. K 1, T f = 1450 ° C, T imp = 20 ° C, u = 10 mm.s -1 , L y = 50 mm, L x = 300 mm, Li = 540 mm, L 2 = 60 mm,
Figure imgf000022_0001
α = 0.9 (emissivity).
Le deuxième terme à droite dans l'équationThe second term right in the equation
(1) sert à exprimer les pertes thermiques, S est l'aire de la section de la pièce et p son périmètre. Des conditions adiabatiques (2) sont considérées sur les bords du domaine de calcul sans perte de généralité. La température est imposée (3) sur le front de fusion ainsi qu'au bord x=+L2, voir figure 11. Les hachures représentent les parties de la pièce qui sont suffisamment loin du bain fondu. Il n'y a donc pas de flux thermique et de température imposés.(1) is used to express heat losses, S is the area of the room section and p its perimeter. Adiabatic conditions (2) are considered on the edges of the computational domain without loss of generality. The temperature is imposed (3) on the melting front as well as at the edge x = + L 2 , see Figure 11. The hatches represent the parts of the part that are sufficiently far from the molten bath. There is therefore no heat flow and temperature imposed.
On accède ainsi au champ de température T(x,y ;F) dans le solide pour la forme du bain de fusion de l'étape 1.Thus, the temperature field T (x, y; F) in the solid is accessed for the form of the melt of step 1.
Etape 3Step 3
On mesure alors, par exemple à l'aide d'un thermocouple situé à une distance ytc du bord de la plaque ou d'une caméra infrarouge, la température Ym dans le solide en un nombre de M points de mesure 12 au moins égal au nombre de paramètres à identifier (3 comme on l'a vu plus haut) . Dans notre exemple, on choisit M=5 (ie on effectue 5 mesures de températures à l'aide d'un seul thermocouple) . On n'a besoin que d'un seul thermocouple pour avoir plusieurs points de mesure. En quasi stationnaire, les différentes positions xm correspondent à différents temps d' enregistrement xm -uxtm , donc, on peut avoir plusieurs points de mesure en utilisant un seul thermocouple. On calcule la fonctionThen, for example using a thermocouple located at a distance y tc from the edge of the plate or from an infrared camera, the temperature Y m in the solid is measured in a number of M measuring points 12 at least equal to the number of parameters to be identified (3 as we have seen above). In our example, M = 5 is chosen (ie 5 temperature measurements are made using a single thermocouple). Only one thermocouple is needed to have multiple measurement points. In quasi stationary, the different positions x m correspond to different recording times x m -uxt m , therefore, one can have several measurement points using a single thermocouple. We calculate the function
Figure imgf000023_0001
Figure imgf000023_0001
On obtient alors les résultats suivants après 15 itérations :The following results are then obtained after 15 iterations:
Figure imgf000023_0002
Figure imgf000023_0002
Sans s'intéresser à ce qui se passe dans la partie liquide, on arrive donc de façon satisfaisante à décrire la forme du bain de fusion et on accède ainsi au chargement thermique du procédé.Without being interested in what happens in the liquid part, we thus arrive satisfactorily to describe the shape of the melt and thus access to the thermal loading of the process.
Exemple 2 : Cas 3D débouchant. Comme dans le cas de l'exemple bidimensionnel, on souhaite souder bout à bout deux plaques .Example 2: 3D case opening. As in the case of the two-dimensional example, it is desired to weld two plates end to end.
Chacune des plaques a une largeur Ly, une longueur 2Lx et une épaisseur e (voir figure 12) .Each of the plates has a width L y , a length 2L x and a thickness e (see Figure 12).
Le problème est défini physiquement comme suit : un arc électrique possédant une intensité suffisante se déplace avec une vitesse constante le long de l'axe x et s'applique sur le bord de deux plaques en métal. Un bain de fusion est formé et se déplace à la même vitesse que l'arc électrique. Les hypothèse prises pour définir ce problème sont les suivants : • A vitesse de torche u constante, les transferts sont non stationnaires dans un référentiel lié à la plaque. Toutefois en utilisant un repère lié à la torche on obtient un régime quasi-stationnaire : la forme du bain fondu reste constante dans ce repère pendant que la matière entre et sort du domaine d'étude. Le référentiel mobile de la torche est donc utilisé pour l'analyse du problème inverse.The problem is physically defined as follows: an electric arc of sufficient intensity moves with a constant speed along the x-axis and is applied to the edge of two metal plates. A melt is formed and moves at the same speed as the electric arc. The assumptions made to define this problem are as follows: • At torch speed u constant, the transfers are non-stationary in a reference linked to the plate. However, by using a reference linked to the torch, a quasi-steady state is obtained: the shape of the molten bath remains constant in this frame while the material enters and leaves the field of study. The mobile repository of the torch is therefore used for the analysis of the inverse problem.
• La forme de l'interface liquide-solide F est paramétrée par une surface de Bézier.• The shape of the liquid-solid interface F is parameterized by a Bézier surface.
• La position des points de mesure dans le domaine solide est constante dans le référentiel de la torche .• The position of the measuring points in the solid domain is constant in the torch reference system.
En régime quasi-stationnaire, le champ thermique dans le solide est déterminé en considérant la température imposée à l'interface liquide-solide, égale à la température de fusion Tf.In quasi-stationary mode, the thermal field in the solid is determined by considering the temperature imposed on the liquid-solid interface, equal to the melting temperature T f .
Mise en œuvre du procédéImplementation of the process
Etape 1 :Step 1 :
On choisit une forme F0 du bain de fusion et sa paramétrisation par une surface de Bézier d'ordre 4x3 (ou de degré 3x2) . Cette surface se base sur douze points de contrôle Po,Pi,P2, , P12 (Figure 13) (c'est-à- dire trente six coordonnées en cas tridimensionnel), et a pour formule :We choose a form F 0 of the melt and its parameterization by a Bezier surface of order 4x3 (or degree 3x2). This surface is based on twelve control points Po, Pi, P2,, P12 (Figure 13) (that is to say thirty six coordinates in three-dimensional case), and has the formula:
Figure imgf000024_0001
Figure imgf000024_0001
=P00(l-u)2 (l-v)3+P01 (l-u)23v(l-v)2+P02 (1-u) 23v2 ( 1-v) +P03 (l-u)V + PiO2u(l-u) (1-V)3 + P112U(1-U) 3V(1-V)2+P122U(1-U) 3V2(1-V)+P132U(1-U)V3 +P20U2 (1-v) 3+P21u2 (1-v) 2+P22u23v2 (1-v) +P23U2V3 ue[0,l ; ve [0,1]= P 00 (lu) 2 (lv) 3 + P 01 (lu) 2 3v (lv) 2 + P 02 (1-u) 2 3v 2 (1-v) + P 03 (read) V + Pi O 2u (lu) (1-V) 3 + P 11 2U (1-U) 3V (1-V) 2 + P 12 2U (1-U) 3V 2 (1-V) + P 13 2U (1-U) V 3 + P 20 U 2 (1-v) 3 + P 21 u 2 (1-v) 2 + P 22 u 2 3v 2 (1-v) + P 23 U 2 V 3 ue [0, 1; ve [0,1]
Cette approche a plusieurs avantages : d'une part la surface de Bézier assure la régularité de la forme, d'autre part la taille du vecteur paramètres X à identifier reste limitée. De plus certaines coordonnées des points de contrôle peuvent être contraintes a priori par la nature physique du problème. Dans le cas étudié ici, les coordonnées deThis approach has several advantages: on the one hand the surface of Bézier assures the regularity of the shape, on the other hand the size of the vector X parameters to be identified remains limited. In addition, some coordinates of the control points may be constrained a priori by the physical nature of the problem. In the case studied here, the coordinates of
P20, P23, Poo, P03 sont connues, de plus grâce aux conditions de symétrie par rapport à l'axe « y » on a :P20, P23, Poo, P03 are known, moreover, thanks to the conditions of symmetry with respect to the "y" axis, we have:
P21x= P20x/
Figure imgf000025_0001
PlOx/ Pl2x= Pl3x
P21x = P20x /
Figure imgf000025_0001
PlOx / Pl2x = Pl3x
On impose PiOz= PiIz= Pi2z= Pi3z/ alors la dimension du vecteur paramètres X, ie le nombre de paramètres à identifier est ainsi limitée à neuf : dim(X)=9 avecWe impose PiOz = PiIz = Pi2z = Pi3z / then the dimension of the parameter vector X, ie the number of parameters to be identified is thus limited to nine: dim (X) = 9 with
X=[PuIy, Pθ2y, PlOx, Pl3x, PlIy, Pl2y, PlOz, ?21y ?22y]X = [PuIy, Pθ2y, PlOx, Pl3x, PlIy, Pl2y, PlO2,? 21y? 22y]
Le vecteur paramètre X initial est : χinPut= ( 0.2 , 0.2, 0.2, 0.2, 0.2, 0.2, 0.2, 0.2, 0.2)The initial X parameter vector is: χ inPut = (0.2, 0.2, 0.2, 0.2, 0.2, 0.2, 0.2, 0.2, 0.2)
Etape 22nd step
La forme du bain de fusion étant donnée à l'étape 1 et donc le vecteur X initial, on résout le système d'équations décrivant le champ de température dans le domaine solide en régime quasi-stationnaire pour ce bain :The shape of the melt being given in step 1 and thus the initial vector X, the system of equations describing the temperature field in the solid domain in quasi-stationary regime for this bath is solved:
PscsudTΛx^Z) =V[λsVTs(x,y,z)] (x,y,z)eΩs (1) Ps u c s dTΛx ^ Z) = V [VT λ s s (x, y, z)] (x, y, z) eΩ s (1)
dT dT dTdT dT dT
L = O en y = L ; — '- = 0 en x = -Lx et — L = 0 en y = 0 (2) dy dx dy dT(x,y,zQ)- L = O at y = L; - '- = 0 in x = -L x and - L = 0 in y = 0 (2) dy dx dy dT (x, y, z Q )
-λ. hT(x,y,Z()) = hT en Z-Zn-O [3) dz-λ. hT (x, y, Z () ) = hT in ZZ n -O [3) dz
dT{x,y,zeD)dT {x, y, z eD )
+ " ' h"T \(^x,,yy,,^zeepD)) - = hTe enz = z "eep=e (4) dz+ "'h" T \ (^ x ,, yy ,, ^ z eepD) ) - = hT e enz = z "e e p = e (4) dz
T=Timp en x=+L2, T(x,y,z)=Tf en (x,y,z)eT (5)T = T imp in x = + L 2 , T (x, y, z) = T f in (x, y, z) eT (5)
Avec : λs Conductivité du solide, Ts Température dans leWith: λ s Conductivity of the solid, T s Temperature in the
Wm-1K"1 solide, 0C ps Masse volumique du Te Température extérieure, solide, kg m u Wm -1 K "1 solid, 0 C p s Density of T e Outside temperature, solid, kg m u
C Capacité thermique Timp Température Imposée, 0C massique, J kg^KT1 u Vitesse de la torche, m Tf Température de fusion, s"1 °CC Thermal capacity T imp Required temperature, 0 C mass, J kg ^ KT 1 u Torch speed, m T f Melting temperature, s "1 ° C
F Interface Liquide-Solide Ωs Domaine solide h Coefficient d'échange α émissivitéF Liquid-Solid Interface Ω s Solid domain h Coefficient of exchange α emissivity
ps=7200 kg. m"3, pscp=4000000 J. m"3. K"1, λc-SOW.m"1. K1, Tf=1450°C, Timp=20°C, u=10mm.s"1.p s = 7200 kg. m "3, c p s p = 4000000 J. m" 3. K "1 , λc-SOW.m " 1 . K 1 , T f = 1450 ° C, T imp = 20 ° C, u = 10 mm.s "1 .
L^ — 300 mm , L — 60 mm , L1 — 540 mm , L2 — 60 mm , e — 3 mm , h = 24AxW4CcT161 W. m'2. IC1, a = 0.9 (émissivité) .L ^ - 300 mm, L - 60 mm, L 1 - 540 mm, L 2 - 60 mm, e - 3 mm, h = 161 W. CTC 24AxW 4 m 2. IC 1 , a = 0.9 (emissivity).
S est l'aire de la section de la pièce et p son .périmètre Des conditions adiabatiques (2) sont considérées sur les bords du domaine de calcul sans perte de généralité. La température est imposée (5)S is the area of the section of the room and its perimeter Adiabatic conditions (2) are considered on the edges of the computational domain without loss of generality. The temperature is imposed (5)
(Dans le problème 3D, c'est sur l'équation (5) qu'on sur le front de fusion ainsi qu'au bord x=+L2, voir figure 12.(In the 3D problem, it is on equation (5) that on the fusion front and at the edge x = + L 2 , see Figure 12.
On accède ainsi au champ de températures T(x,y, z ;F) dans le solide pour la forme du bain de fusion de l'étape 1. On a représenté ce champ estimé sur la figure 14.Thus, the temperature field T (x, y, z; F) in the solid is accessed for the melt form of step 1. This estimated field is represented in FIG. 14.
Etape 3Step 3
On mesure alors, par exemple à l'aide d'un ou plusieurs thermocouples, la température Ym dans le solide en un nombre de points M au moins égal au nombre de paramètres à identifier (9 comme on l'a vu plus haut) . Dans notre exemple, on choisit M=IO (i.e on effectue 10 mesures de températures à l'aide d'un seul thermocouple). On n'a besoin que d'un seul thermocouple pour avoir plusieurs points de mesure. En quasi stationnaire, les différentes positions xm correspondent à différents temps d' enregistrement xm -uxtm , donc, on peut avoir plusieurs points de mesure en utilisant un seul thermocouple.One then measures, for example using one or more thermocouples, the temperature Y m in the solid in a number of points M at least equal to the number of parameters to be identified (9 as has been seen above) . In our example, M = 10 is chosen (ie 10 temperature measurements are made using a single thermocouple). Only one thermocouple is needed to have multiple measurement points. In quasi stationary, the different positions xm correspond to different recording times x m -uxt m , therefore, one can have several measurement points using a single thermocouple.
On calcule la fonctionWe calculate the function
Figure imgf000027_0001
Figure imgf000027_0001
On obtient alors les résultats suivants après 25 itérations : yirnput Nombre Erreur estimée en (%)The following results are then obtained after 25 iterations: yirnput Estimated error number in (%)
(Pθly t Pθ2γ t PlOx/ Pl3x/ PlIy/ d' itérations Pl2γ/ PlOz/ P∑ly/ P 22γ/ IMI i )2 (Pθly t Pθ2γ t PlOx / Pl3x / PlIy / iterations Pl2γ / PlOz / PΣly / P 22γ / IMI i) 2
Ψ\\Ψ \\
(0.2 O ? , 0.2, 0.2, 0.2, 2.985 25 7.8(0.2 O?, 0.2, 0.2, 0.2, 2.985 25 7.8
0.2, 0.2 , 0.2 ,0.2 )0.2, 0.2, 0.2, 0.2)
Sans s'intéresser donc à ce qui se passe dans la partie liquide, on arrive donc de façon satisfaisante à décrire la forme du bain de fusion et donc on accède ainsi au chargement thermique du procédé . Without therefore being interested in what happens in the liquid part, we thus arrive satisfactorily in describing the shape of the melt and thus access to the thermal loading of the process.
REFERENCESREFERENCES
[1] Necati "Ozisik et Helcio R. B. Orlande, Inverse Heat Transfer Fundamentals and Application" pages 37-45, Editions Taylor & Francis, New York, 2000.[1] Necati "Ozisik and Helcio R. B. Orlande, Inverse Heat Transfer Fundamentals and Application" pages 37-45, Taylor & Francis Publishing, New York, 2000.
[2] Virginie Hamel, Caractérisation de l'Apport de Chaleur lors du soudage TIG d'une Tôle en[2] Virginie Hamel, Characterization of the Heat Supply during TIG Welding of a Sheet Metal
Acier Inoxydable (321& 304L) , Mémoire de DRT (Diplôme de Recherche Technologique) , Université de Nantes, France 2003.Stainless Steel (321 & 304L), Memory of DRT (Technological Research Diploma), University of Nantes, France 2003.
[3] Jialin Guo, Estimation de la[3] Jialin Guo, Estimate of the
Distribution Energétique induite par un faisceau d'électrons dans un matériau métallique-Application au cas du soudage d'un acier, Mémoire de Thèse, Université de Bretagne du Sud, France 2005. Energy distribution induced by an electron beam in a metallic material-Application to the case of welding a steel, thesis dissertation, University of Southern Brittany, France 2005.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détermination de la forme d'un bain de fusion de métal liquide apparaissant lors de la mise en œuvre d'un procédé de soudage d'une première pièce et d'une seconde pièce, dans lequel : a) on choisit un procédé de soudage ; b) on choisit une forme bidimensionnelle ou tridimensionnelle de bain virtuel en fonction du procédé de soudage choisi à l'étape (a) ; c) on modélise la forme du bain de fusion virtuel par une fonction mathématique qui contient des paramètres à identifier ; d) on calcule le champ de température dans un solide virtuel entourant le bain de fusion en imposant des conditions aux limites ; e) on fabrique un exemplaire réel de la première et de la seconde pièces (2, 4) ; f) on les soude au moyen du procédé choisi à l'étape (a), ce qui fait apparaître un bain de fusionA method for determining the shape of a liquid metal melt occurring during the implementation of a method of welding a first piece and a second piece, wherein: a) selecting a welding process; b) a two-dimensional or three-dimensional virtual bath shape is chosen according to the welding method chosen in step (a); c) model the shape of the virtual melt by a mathematical function that contains parameters to identify; d) calculating the temperature field in a virtual solid surrounding the melt by imposing boundary conditions; e) producing a real copy of the first and second pieces (2, 4); f) they are welded using the process chosen in step (a), which reveals a melt
(8) et une zone solide réels ; g) on mesure la température en M points de la zone solide réelle, M étant au moins égal au nombre de paramètres à identifier ; h) on compare les températures mesurées à l'étape (g) aux températures calculées, aux mêmes points, à l'étape (d) en calculant la fonction(8) and a real solid area; g) measuring the temperature in M points of the real solid zone, M being at least equal to the number of parameters to be identified; h) comparing the temperatures measured in step (g) with the calculated temperatures at the same points in step (d) by calculating the function
S(Y) en deux dimensions
Figure imgf000030_0001
1 M 2 ou la fonction S(Y) =—∑[τ(xm,ym,zm;Y)-Ym] en
S (Y) in two dimensions
Figure imgf000030_0001
1 M 2 or the function S (Y) = -Σ [τ (x m , y m , z m ; Y) -Y m ] in
IVl m_] trois dimensions i) on compare S (F) à une valeur prédéfinie ; j) si S (F) est supérieur à la valeur prédéfinie, on choisit une autre forme de bain virtuel et on réitère les étapes (c) à (h) jusqu'à ce que S (F) soit inférieur à la valeur prédéfinie ; k) si ou lorsque S (F) est inférieur à la valeur prédéfinie, on accepte la forme du bain de fusion virtuel qui a permis de calculer S (F) comme valeur réelle et on accepte le champ de température calculé à partir de cette forme comme le champ de température réel.IV i m _ ] three dimensions i) S (F) is compared to a predefined value; j) if S (F) is greater than the predefined value, another form of virtual bath is chosen and steps (c) to (h) are repeated until S (F) is less than the predefined value; k) if or when S (F) is less than the predefined value, we accept the shape of the virtual melt which made it possible to calculate S (F) as real value and we accept the temperature field calculated from this form like the actual temperature field.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonction mathématique qui contient des paramètres à identifier est une courbe ou une surface de Bézier.2. Method according to claim 1, characterized in that the mathematical function which contains parameters to be identified is a curve or a Bézier surface.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fonction mathématique qui contient des paramètres à identifier est une courbe de Bézier définie par l'équation :3. Method according to claim 2, characterized in that the mathematical function which contains parameters to be identified is a Bezier curve defined by the equation:
P(t) = ∑Bn(t)P où Bn(t) = Cnt'(l-tγ-',Cn= "l avec i = \,..n;N = n+\P (t) = ΣB n (t) P where B n (t) = C n t '(l-tγ -', C n = " l with i = \, .. n; N = n + \
où P(t) passe par tous les points de la courbe de Bézier, où P1 est le point de contrôle, n le degré de la courbe de Bézier, N=n+1 le nombre de points n de contrôle P, te [0,1] et B (t) sont des polynômes de iwhere P (t) passes through all points of the Bézier curve, where P 1 is the control point, n the degree of the Bézier curve, N = n + 1 the number of points n of control P, te [0,1] and B (t) are polynomials of i
Bernstein .Bernstein.
4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fonction mathématique qui contient des paramètres à identifier est une surface de Bézier définie par l'équation : m " m n P(μ,v) = ∑∑# . (μ)B (v)Pg avec u e [0,1], v e [0,1]4. Method according to claim 2, characterized in that the mathematical function which contains parameters to be identified is a Bézier surface defined by the equation: m "mn P (μ, v) = ΣΣ #. (Μ) B (v) P g with ue [0,1], ve [0,1]
I =O j = O I J I = O j = OIJ
Bm{u) = — — u'Q - uY i i\(m - i)\B m {u) = - - u'Q - uY ii \ (m - i) \
n . . n\not . . n
B (v) = - n-jB (v) = - n-j
TT^ (I - V) J β(n - j)lTT ^ (I - V) J β (n - j) l
où P (u, v) passe par tous les points de la surface de Bézier, P13 est le point de contrôle, (mxn) est le degré de la surface de Bézier, il y a (m+l)x(n+l) points de contrôle dont (m+1) points dans la direction « i » et (n+1) points dans la direction m n « j » ; B (u),B (y) sont des polynômes de Bernstein. i Jwhere P (u, v) passes through all points of the Bézier surface, P 13 is the control point, (mxn) is the degree of the Bézier surface, there is (m + l) x (n + l) control points including (m + 1) points in the direction "i" and (n + 1) points in the direction mn "j"; B (u), B (y) are Bernstein polynomials. i J
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que , à l'étape (j), on utilise l'algorithme de Levenberg-Marquardt pour choisir une autre forme de bain virtuel. 5. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that, in step (j), the Levenberg-Marquardt algorithm is used to choose another form of virtual bath.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que en cas de bain de fusion bidimensionnel , à l'étape (d) , on calcule le champ de température dans un solide virtuel entourant le bain de fusion en résolvant le système d'équation suivant :6. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that in case of two-dimensional melt, in step (d), the temperature field is calculated in a virtual solid surrounding the melt by solving the following equation system:
Pscsu^^--VμsVTs(x,y)]-lf(Ts-Tιmp) (x,y)eΩs (1) Ps u c s ^^ - VT Vμ s s (x, y)] - l f (T s -T ιmp) (x, y) eΩ s (1)
Figure imgf000033_0001
Figure imgf000033_0001
T=Timp en x=+L2, T(x,y)=Tf (x,y)eF (3)T = T imp in x = + L 2 , T (x, y) = T f (x, y) eF (3)
avec : λs Conductivité du solide, Ts Température dans le Wm-1K"1 solide, 0C ps Masse volumique du solide, Te Température extérieure, kg m"3 0C c Capacité thermique Timp Température imposée, massique, J kg"1 K"1 °Q u Vitesse du moyen de Tf Température de fusion, soudage, m s"1 °çwith: λ s Conductivity of the solid, T s Temperature in the Wm -1 K "1 solid, 0 C p s Density of the solid, T e Outside temperature, kg m " 3 0 C c Thermal capacity T imp Required temperature, mass , J kg "1 K " 1 ° Q u Speed of the medium of T f Melting temperature, welding, ms "1 ° ç
F Interface Liquide-Solide Ωs Domaine solide h Coefficient d'échange α émissivité.F Liquid-Solid Interface Ω s Solid domain h Coefficient of exchange α emissivity.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que en cas de bain de fusion tridimensionnel, à l'étape (d) , on calcule le champ de température dans un solide virtuel entourant le bain de fusion en résolvant le système d'équation suivant : PMdTΛX£'Z) =V[λ,VT,(x,y,z)] (x,y,z)≡Ωs :D7. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that in case of three-dimensional melt, in step (d), the temperature field is calculated in a virtual solid surrounding the melt by solving the following equation system: P M dTΛX ' Z) = V [λ, VT, (x, y, z)] (x, y, z) ≡Ω s : D
_L = O en y = L ;— s- = 0 en x = -Lx et -^ = O en j = 0 (2) ôy y dx dy_ L = O y = L - s - = 0 in x = -L and x - ^ = O j = 0 (2) Oy y dxdy
dT(x, V-Zn) ~λs — QZ ° +hT(x,y,zQ) = hTe enz = zQ=0 (3)dT (x, VZ n ) ~ λ s - Q Z ° + hT (x, y, z Q ) = hT e enz = z Q = 0 (3)
dT(x,y,zep)dT (x, y, z ep )
K — + hT(x,y,zep) = hTe enz = z =e (4,K - + hT (x, y, z ep) = hT enz e = e z = (4,
T=Timp en x=+L2, T(x,y,z)=Tf en (x,y,z)eT (5)T = T imp in x = + L 2 , T (x, y, z) = T f in (x, y, z) eT (5)
avec : λs Conductivité du solide, Ts Température dans lewith: λ s Conductivity of the solid, T s Temperature in the
Wm-1K"1 solide, 0C ps Masse volumique du solide, Te Température extérieure, kg m"3 0C c Capacité thermique Timp Température imposée, massique, J kg"1 K"1 °Q u Vitesse du moyen de Tf Température de fusion, soudage, m s"1 °çWm -1 K "1 solid, 0 C p s Solid density, T e Outside temperature, kg m " 3 0 C c Thermal capacity T imp Required temperature, mass, J kg "1 K " 1 ° Q u Speed of average of T f Melting temperature, welding, ms "1 ° ç
F Interface Liquide-Solide Ωs Domaine solide h Coefficient d'échange α émissivitéF Liquid-Solid Interface Ω s Solid domain h Coefficient of exchange α emissivity
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le procédé de soudage est choisi dans le groupe comprenant les procédés de soudage TIG, MIG/MAG, par faisceau d'électrons, plasma, laser, hybride. 8. Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the welding process is selected from the group comprising TIG, MIG / MAG welding, electron beam, plasma, laser, hybrid.
9. Procédé selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le degré de la courbe de Bézier est égal à 3 ou 4 en deux dimensions.9. Method according to one of claims 2 to 7, characterized in that the degree of the Bézier curve is equal to 3 or 4 in two dimensions.
10. Procédé selon l'une des revendications10. Method according to one of the claims
2 à 7, caractérisé en ce que le degré de la surface de Bézier est compris entre 2x3 et 4x3 en trois dimensions . 2-7, characterized in that the degree of the Bezier surface is between 2x3 and 4x3 in three dimensions.
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