Simulation numérique du soudage laser : application à l’assemblage  Ti₆Al₄V / 316L avec insert en vanadium

Rodolphe Bolot¹, Antoine Mannucci¹, Iryna Tomashchuk¹, Alexandre Mathieu¹, Eugen Cicala¹, Cyril Roudeix², Sebastien Lafaye^2
⋆ : rodolphe.bolot@ubfc.fr
¹ ICB équipe LT_m, Université de Bourgogne Franche-Comté
² Laser Rhône-Alpes
Mots clés : soudage laser, source de chaleur intense, mode keyhole
Résumé :

Le soudage au laser d’alliages de titane avec des aciers inoxydables présente un grand intérêt pour les industries chimiques, médicales et aéronautiques. Cependant, l’assemblage par soudage avec fusion directe de l’interface de ce couple de matériaux reste difficile en raison de la formation de phases intermétalliques fragiles tels que  Fe₂Ti,  FeTi et  Cr₇Fe₁₇Ti₅. Une solution efficace pour éviter la fissuration à froid produite par ces phases, consiste à modifier la chimie des zones fondues en introduisant un matériau intermédiaire compatible à la fois avec le titane et l’acier inoxydable. Parmi les matériaux compatibles, le vanadium est certainement le meilleur candidat pour les applications dans lesquelles la biocompatibilité n’est pas concernée (Tomashchuk et Sallamand, 2018). En effet, l’analyse de la littérature disponible (Adomako et al.2019, Adomako et al.2018, Tomashchuk et al.2015) montre que la fragilisation de cette liaison peut être efficacement évitée en réalisant une jonction en deux passes, où l’insert en vanadium est d’abord soudé avec l’alliage de titane puis avec l’acier inoxydable.

Dans ce type d’assemblage, la problématique des contraintes résiduelles reste néanmoins préoccupante, en raison de l’inadéquation existante entre les propriétés thermophysiques des différents matériaux, et de la contraction du matériau fondu pendant son refroidissement après solidification. Les contraintes et déformations indésirables sont encore plus prononcées en cas d’assemblage de tôles minces avec configuration bout à bout (Bajpei et al. 2016).

Au cours des dernières années, la modélisation par éléments finis du comportement thermomécanique lors du soudage par fusion de matériaux dissimilaires s’est activement développé (Bajpei et al. 2016, Abburi Venkata et al. 2016, Hartel et al. 2016). Elle implique un calcul séquentiel du problème thermique (en utilisant une approche de source équivalente), et du problème mécanique (déformations et contraintes) pendant et après l’opération de soudage.

Ce travail a été réalisé en parallèle à la thèse de doctorat de A. Mannucci (Université de Bourgogne Franche-Comté, FR), réalisée en partenariat avec la PME française LRA (Laser Rhône-Alpes). L’objectif technologique principal de ce projet est de définir des conditions de soudage optimisées permettant un assemblage titane / acier à haute tenue mécanique. Comme des phases intermétalliques cassantes se forment en soudage direct (Mannucci et al.2018), un insert intermédiaire en vanadium a donc été utilisé. La modélisation thermo-mécanique des déformations et contraintes associées à l’opération de soudage a ainsi été appliquée en parallèle, pour approfondir la compréhension des phénomènes impliqués dans le processus de soudage et les mécanismes d’adhérence.

Le cas de plaques de 1 mm d’épaisseur avec un insert en vanadium de 2 mm de large a été considéré pour éviter tout contact entre les deux soudures. Un modèle semi-couplé a été développé : le problème thermique tenant compte des sources de chaleur équivalentes est résolu dans un premier temps, et le problème mécanique dans un second temps. Un refroidissement complet de l’ensemble titane / vanadium est réalisé préalablement à la fabrication de la soudure vanadium / acier.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2020-173

PDF : download