Contribution in comprehension of hybrid laser welding : equivalent heat source approach and phenomenological approach

Les travaux présentés concernent l’étude du soudage hybride laser/MIG d’aciers de fortes épaisseurs pour deux configurations différentes : soudage monopasse d’acier inoxydable superduplex en chanfrein « Y » et soudage multipasse d’acier ferritique en chanfrein étroit. Une étude expérimentale a été réalisée visant la compréhension et l’investigation des mécanismes régis par le procédé, ainsi que la validation des résultats numériques des modèles développés (caractérisation du bain fondu et obtention de thermogrammes). Une recherche paramétrique a permis de déterminer les paramètres optimaux de soudage pour la configuration en chanfrein « Y ». L’étude numérique menée a pour objectif de déterminer l’histoire thermique des pièces soudées. Ses simulations numériques basées sur deux approches différentes ont été développées à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics. La première, dite approche par sources équivalentes, repose sur un calcul purement thermique, et la deuxième est basée sur un calcul thermohydraulique des écoulements dans le bain fondu avec prise en compte de la convection naturelle et de la thermocapillarité. La méthode des plans d’expériences numériques a été utilisée pour déterminer les paramètres analytiques des sources de chaleur équivalentes ainsi que des paramètres inconnus tels que les rendements des sources et les propriétés thermophysiques de la phase liquide intervenant dans le modèle multiphysique. L’analyse comparative entre résultats expérimentaux et numériques permettant de juger la qualité des modèles à reproduire les dimensions et la forme de la zone fondue et de valider le choix des hypothèses formulées, a fourni des résultats satisfaisants.The present study is dedicated to hybrid laser/MIG welding of high thickness steels for two different configurations: one hybrid single pass welding of superduplex steel UR2507Cu with Y-shaped chamfer geometry and a multipass hybrid welding of ferritic steel 18MND5 in narrow gap. An experimental study was carried for understanding and investigation of mechanisms governed by the process and validation of numerical models results (characterization of the weld pool and thermocouples measurements). A parametric research allows the determination of the optimal welding parameters for the Y-shaped chamfer configuration. The numerical study aims to determine the thermal history in the solid part of the work piece. Those numerical simulations which are based on two different approaches were developed using the COMSOL Multiphysics software. The first, called equivalent heat sources approach, consists only in the resolution of the heat transfer problem, and the second one, is based on the resolution of heat transfer and fluid flow problem in the weld pool by taking into account the natural convection and thermocapillarity effect. A numerical exploratory designs method is used to identify the equivalent heat sources parameters as well as some unknown parameters such as the thermophysical properties of the metal liquid and the thermal efficiency involved in the thermohydraulic models. The comparative analysis between experimental and numerical results, which permits judging the models quality to reproduce the melted zone size and shape and to validate the assumptions choice, has provided satisfying results