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RÉSUMÉ
Les trains arrières des véhicules des gammes citadines et compactes recourent de plus en plus à l'emploi de traverses dites déformables, intégrant de nombreuses fonctions liées au comportement du véhicule. Les composants de ces traverses sont obtenus par assemblage de nombreuses pièces soudées entre elles par le procédé MAG (Metal Active Gas). Compte tenu de l'importance du procédé de soudage vis-à-vis du cahier des charges du composant et des difficultés de mise au point de celui-ci, l'utilisation de la simulation numérique comme outil d'analyse et d'aide à la décision s'impose progressivement. L'application de la simulation numérique du soudage chez PSA Peugeot Citroën, dans le cas de la Citroën C3 de deuxième génération, est présentée dans cet article. Un effort important a été consacré au développement d'une méthodologie adaptée aux objectifs et simple dans sa mise en œuvre, permettant aujourd'hui à la simulation numérique d'apporter une réelle valeur ajoutée aux projets concernés par les procédés de soudage.
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Philippe BRISTIEL : Docteur ENSAM - Pilote Simulation des procédés de soudage et traitements thermiques chez PSA Peugeot-Citroën
INTRODUCTION
La traverse arrière est un composant essentiel du châssis d'une automobile, intégrant de nombreuses fonctions liées au comportement du véhicule. Sur la Citroën C3 de deuxième génération, cette traverse, de type déformable, est constituée de nombreuses pièces en tôles embouties et assemblées par soudage à l'arc. L'impact du procédé de soudage sur la géométrie et la tenue finale de la pièce complique lourdement la phase de mise au point du procédé et peut nécessiter plusieurs itérations avec le travail de conception. Les objectifs du groupe PSA Peugeot Citroën, en termes de réduction des délais et des coûts et d'augmentation de la qualité, plaident donc en faveur d'une approche numérique du procédé de soudage. Même si les logiciels ne permettent pas encore de modéliser toute la physique du procédé, la précision atteinte avec les approches simplifiées appliquées aujourd'hui s'avère déjà tout à fait satisfaisante, et la simulation numérique du soudage apparaît donc plus que jamais comme un outil précieux pour concilier et atteindre ces différents objectifs.
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Application à la traverse C3
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2. Méthodologie de simulation numérique du procédé de soudage MAG
2.1 Rappels sur le procédé de soudage MAG
Le procédé de soudage MAG (Metal Active Gas) fait partie, avec le procédé MIG (Metal Inert Gas), des procédés de soudage par arc électrique avec métal d'apport combiné à l'action d'un gaz qui assure la protection du bain de fusion. Ces procédés, également appelés GMAW (Gaz Metal Arc Welding), utilisent comme électrode un fil fusible continu qui sert de métal d'apport (figure 2).
Le procédé de soudage MAG recourt à des mélanges de gaz composés d'argon ou d'hélium avec adjonction de dioxyde de carbone ou d'oxygène. Le mélange gazeux, qui a d'abord pour fonction de protéger le bain de fusion de l'atmosphère, a une influence sur le mode de transfert du métal d'apport, la stabilité de l'arc, ainsi que sur la pénétration, la fluidité et le mouillage latéral de la zone fondue.
En mettant de côté l'influence de la configuration locale des pièces à assembler (épaisseurs et orientation des tôles, jeux), nous pouvons résumer ainsi les phénomènes particuliers au procédé MAG dont vont dépendre les résultats du soudage en termes de distorsions, contraintes résiduelles et métallurgie :
-
un mode de chauffage par arc électrique, qui implique à la fois un métal d'apport qui arrive en fusion sur les composants à souder, et des composants qui sont eux-mêmes chauffés localement par l'arc électrique ;
-
une zone fondue (ZF) dont la forme dépend des nombreux paramètres du procédé (position, orientation et vitesse de déplacement de la torche, diamètre, composition et vitesse de déroulement du fil, tension et courant électriques, composition et débit du gaz…). D'autre part, la composition chimique de cette zone dépend de celle des composants soudés et du métal d'apport ;
-
une zone affectée thermiquement (ZAT) qui dépend de la zone fondue, mais aussi des paramètres du procédé puisque les composants sont également chauffés par l'arc électrique.
2.2 Phénomènes physiques mis en jeu et leur modélisation
Du point de vue des...
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Méthodologie de simulation numérique du procédé de soudage MAG
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - TOUPET (S.) - Démarche de conception d'un train semi-déformable en avant-projet afin d'optimiser le compromis guidage-filtrage. - Revue Ingénieurs de l'automobile, no 763, p. 51-55, sept. 2003.
-
(2) - DUAN (Y.), BOITOUT (F.), LEBLOND (J.), BERGHEAU (J.-M.) - Simulation numérique du soudage de grandes structures par une approche locale/globale. - Revue Mécanique et Industries, no 9, p. 97-102 (2008).
-
(3) - DARCOURT (C.), ROELANDT (J.-M.), RACHIK (M.), DELOISON (D.), JOURNET (B.) - Simulation du soudage laser de structures aéronautiques. - Colloque National en calcul des structures, mai 2005 http://www.utc.fr/lrm/giens05/.
-
(4) - DENIS (S.), ARCHAMBAULT (P.), AUBRY (C.), MEY (A.), LOUIN (J.C.), SIMON (A.) - Modelling of phase transformation kinetics in steels and coupling with heat treatment residual stress predictions. - J. Phys. France, 9, p. 323-332 (1999).
-
(5) - GOLDAK (J.), CHAKRAVARTI (A.), BIBBY (M.) - A new finite element model for welding heat source. - Revue Metallurgical and Materials Transactions B, vol. 15, no 2, p. 97-102, juin...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
JMatPro : logiciel de calcul de propriétés (thermiques, métallurgiques, mécaniques…) des aciers, fontes, alliages d'aluminium, titane… Site Internet de l'éditeur, Sente Software http://www.sentesoftware.co.uk/jmatpro.aspx
DANTE : librairie de routines couplées à ABAQUS pour la prise en compte des phénomènes métallurgiques http://www.deformationcontrol.com/dante_slide.htm
HAUT DE PAGE
http://hts.asminternational.org : site de l'ASM International/Heat Treating Society, avec livres, articles et informations diverses sur les traitements thermiques, les aciers et le soudage.
http://pastel.paristech.org/ : bibliothèque virtuelle des thèses soutenues dans les grandes écoles de Paris. Plusieurs thèses sur la simulation du soudage sont disponibles en téléchargement.
http://www.matweb.com : base de données en ligne sur les propriétés des matériaux.
http://mits.nims.go.jp/db_top_eng.htm : base de données en ligne sur les propriétés des matériaux, dont diagrammes TRC pour aciers soudage.
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