Multiphysics modeling and numerical simulation of weld pool in GTA welding

Au cours de ce travail, un modèle physique et numérique 3D du procédé de soudage à l’arc TIG (Tungsten Inert Gas) a été développé dans l’objectif de prédire, en fonction des paramètres opératoires, les grandeurs utiles au concepteur d’assemblages soudés.Le modèle développé, à l’aide du code de calcul aux éléments finis Cast3M, traite les phénomènes physiques agissant dans la pièce et, plus particulièrement, dans le bain de soudage, l’arc étant traité comme une source. Pour ce faire, les équations non-linéaires de la thermohydraulique couplées à celles de l’électromagnétisme sont résolues en régime stationnaire avec un modèle prenant en compte la surface libre déformable du bain de soudage.Une première étape du développement a porté sur la modélisation des phénomènes électromagnétiques par deux méthodes numériques différentes, à comparer les résultats numériques obtenus avec ceux de la littérature. Ensuite, afin de valider le pouvoir prédictif du modèle, des simulations de différentes configurations de soudage d’intérêt ont été étudiées, en variant la composition chimique du matériau, la vitesse de défilement, la pression d’arc imposée et, plus particulièrement, la position de soudage. Des comparaisons avec des expériences et des modèles numériques de la littérature confirment les bonnes tendances obtenues. Enfin, une approche de la modélisation de l’apport de matière a été abordée et des résultats de cette approche ont été montrés. Notre modèle complet constitue donc une base solide pour le développement de modèles de simulation numérique du soudage (SNS) 3D totalement couplés avec l’arc dans le futur et sera intégré dans le logiciel métier WPROCESS.In this work, we develop a 3D physical and numerical model of the GTA (gas tungsten arc) welding process in order to predict, for given welding parameters, useful quantities for the designer of welded assembly.The model is developed in the Cast3M finite element software and takes into account the main physical phenomena acting in the workpiece and particularly in the weld pool, subject to source terms modeling the arc part of the welding process. A steady solution of this model is thought for and involves the coupling of the nonlinear thermohydaulics and electromagnetic equations together with the displacement of the deformable free surface of the weld pool.A first step in the development consisted in modeling the electromagnetic phenomena with two different numerical methods, in comparing the numerical results obtained with those of the literature. Then, in order to assess the predictive capability of the model, simulations of various welding configurations are performed : variation in the chemical composition of the material, of the welding speed, of the prescribed arc pressure and of the welding positions, which is a focus of this work, are studied. A good agreement is obtained between the results of our model and other experimental and numerical results of the literature. Eventually, a model accounting for metal filling is proposed and its results are discussed. Thus, our complete model can be seen as a solid foundation towards future totally-coupled 3D welding models including the arc and it will be included in the WPROCESS software dedicated to the numerical simulation of welding