Modélisatio umérique de la teue mécaique des soudures laser avec aciers THR A. MARAKCHI a, S. GAIED b, M. TAINTURIER b, L. CRETTEUR b a. ENSEIRB-MATMECA, Istitut Polytechique de Bordeaux, 1 aveue du Docteur Albert Schweitzer BP 99, 33402 Talece CEDEX. b. ArcelorMittal Global R&D Motataire, Route de Sait Leu, BP30109, 60761 Motataire Cedex. Résumé : Les costructeurs automobiles sot à la recherche de solutios pour réduire le poids des véhicules, les coûts de productio et améliorer les performaces mécaiques. L utilisatio d aciers à Très Haute Résistace (THR) durcis par la présece de martesite (aciers Dual Phase) permet de développer des solutios réduisat la masse des véhicules, tout e garatissat la sécurité des occupats. Cepedat, lors du soudage de ces aciers, il est observé ue baisse de dureté das la zoe affectée thermiquemet par la soudure (ZAT). Cet adoucissemet e ZAT préoccupe les idustriels automobiles. Das cette étude, ous cherchos à modéliser la teue mécaique d ue soudure laser sur des aciers de type Dual Phase sollicités par tractio e ses perpediculaire à la lige de soudure. Ue modélisatio par élémets fiis de l'essai mécaique de tractio a été faite e utilisat le logiciel commercial ABAQUS. La ZAT a été discrétisée e plusieurs zoes avec des caractéristiques mécaiques différetes. Des lois de comportemet différetes ot été affectées à chaque zoe de la ZAT e foctio de la dureté mesurée expérimetalemet. Le comportemet du matériau est décrit par les modèles de Swift ou Swift-Voce. Fialemet, ue étude expérimetale a été réalisée afi de valider la simulatio umérique. Nous cocluos e remarquet qu ue boe corrélatio etre les expérieces et la simulatio umérique a été obteue pour des essais de tractio uiaxiale pour des coditios de soudage variables et pour des dimesios différetes de la ZAT. Abstract: The automotive desigers are searchig for iovative meas of reducig vehicle weight, maufacturig costs ad icreasig mechaical performaces. This goal ca be reached through the use of Advaced High Stregth Steel (AHSS) hardeed by martesite (Dual Phase Steels). Durig weldig of these steels, a drop i hardess is observed i the Heat Affected Zoe (HAZ) of the weld. This local softeig is a trouble for car makers. The aim of the study is to model the mechaical behavior of a laser weld i Dual Phase steels uder tesile test i perpedicular directio i regard with the weldig lie ad takig ito accout the softeig. A fiite elemet model of the mechaical tesile test was developed usig the commercial software ABAQUS. The HAZ was discretized ito several zoes with differet mechaical properties. Differet behavior laws were assiged to each zoe of the HAZ as a fuctio of the measured hardess. The material behavior is described by the models of Swift or Swift-Voce. Fially, a experimetal study was coducted to validate the umerical simulatio. A good correlatio betwee experimets ad umerical simulatio was obtaied for uiaxial tesile tests uder variable weldig coditios ad HAZ sizes. Mots clefs: zoe affectée thermiquemet, adoucissemet, simulatio, microdureté, modélisatio. 1 Itroductio L allègemet des véhicules est u ejeu majeur et ue problématique permaete pour les costructeurs automobiles [1]. Ue des solutios à ce problème est l utilisatio d aciers THR otammet les aciers Dual Phase [2, 3], composés d ue matrice ferritique reforcée par ue proportio plus ou mois importate de martesite comme phase à effet durcissat. Différetes proportios de martesite permettet d obteir des aciers de différets iveaux de teue mécaique e tractio (de 500 à 1200MPa de Rm). D autre part, 1
l utilisatio de flas raboutés permet u allègemet sigificatif des structures automobiles. Les flas raboutés (Tailor Welded Blaks) sot des pièces automobiles obteues e soudat par laser des produits d épaisseur et de propriétés mécaiques différetes, de faço à optimiser la masse et le comportemet d ue pièce e plaçat les plus fortes épaisseurs ou propriétés mécaiques juste à l edroit écessaire. Cette techique est très utilisée das l idustrie automobile [4]. Lors du soudage des aciers coteat ue forte proportio de martesite, la température atteite das la ZAT provoque u reveu de la martesite. Il e résulte u adoucissemet local. Cette chute de dureté peut se traduire par ue dégradatio des propriétés mécaiques de la pièce ou de l éprouvette coteat la soudure. L objet de cette étude est de développer u modèle de prédictio de la teue des soudures bout-à-bout preat e compte ces phéomèes d adoucissemet localisés. Nous allos, das la première partie, décrire otre méthodologie, les phéomèes mis e jeu aisi que la méthodologie utilisée pour trouver les lois de comportemet élasto-plastique du matériau das la ZAT. Das la secode partie, ous allos expliquer commet appliquer cette méthodologie à otre modèle umérique, décrire les résultats et les comparer aux résultats des essais expérimetaux. 2 Phéomèes mis e jeu lors du soudage Laser Le soudage de deux pièces permet d obteir ue cotiuité par fusio locale. Cette opératio se fait par le biais d u apport de chaleur et évetuellemet d u apport de métal suivi d u refroidissemet aturel ou forcé. Das le cadre du soudage laser de tôles mices bout-à-bout, les cycles thermiques (chauffe puis refroidissemet) sot extrêmemet rapides et très localisés (1-2mm). E première approximatio, pour u matériau doé, la température maximale atteite et la vitesse de refroidissemet coditioet la microstructure fiale du joit soudé et des zoes adjacetes. 2.1 Trasformatio thermique et métallurgique de la ZAT par le soudage La zoe affectée thermiquemet (ZAT) par le soudage est le siège de modificatios métallurgiques du métal de base qui peuvet iduire des fragilités, des baisses de résistace mécaique, des maques de ductilité [5], etc... FIG.1 - Diagramme des chagemets métallurgiques das la ZAT. Ce diagramme motre ue coupe métallographique trasversale de la ZAT d ue soudure aisi que la courbe de température maximale atteite e chaque poit. Le diagramme de phases joit permet de détermier les phases présetes au momet où la température maximale est atteite et, coaissat la vitesse de refroidissemet, d e déduire les trasformatios métallurgiques. La zoe fodue (ZF), après solidificatio, présete ue microstructure de solidificatio facilemet idetifiable. La zoe qui atteit 400-730 C [6], peut subir u reveu de la martesite. Sur ue soudure laser, ces zoes sot très étroites (iférieure au millimètre). Voir figure 2. 2
FIG. 2 - La Zoe affectée thermiquemet. 2.2 Relatio etre les propriétés métallurgiques et propriétés mécaiques Pour faire le lie etre l aspect métallurgique et l aspect mécaique, l étude porte sur 2 matériaux différets de la famille des Dual Phase. Échatillo Rm (MPa) Dureté(Hv) DP600 625 200 DP1180HY 1274 390 Tab. 1 Matériaux utilisés. Les produits cités das le tableau 1 ot été soudés bout-à-bout par u Laser CO 2 : 1. E homogèe : DP1180HY (1mm)/DP1180HY (1mm) 2. E hétérogèe. DP600 (1.6mm)/ DP1180HY (1mm) La soudure a été réalisée avec ue puissace de 5.2 kw sur pièce et ue vitesse de 3m/mi. Les échatillos ot esuite été caractérisés par des tests de tractio uiaxiale suivat la orme EN 10002-1(Juillet 2001) sur u esemble de 4 échatillos chaque fois. Cela ous permet d accéder aux courbes de tractio et d estimer Re, Rm et Ag pour chaque assemblage. Nous avos utilisé des éprouvettes ISO12.5x50. Das les cas où ue soudure est présete das ue éprouvette, celle-ci est située e positio milieu et e ses trasversal. Ue première aalyse a cosisté e la mesure de la microdureté Vickers le log de la sectio de la soudure. Das le cas d ue soudure laser bout-à-bout hétérogèe, etre u DP1180HY et u DP600, la figure 3 motre que : Le DP600 (côté droit de l image) e présete pas d adoucissemet otable e ZAT. Seul u durcissemet est observé das la zoe la plus proche de la zoe fodue, probablemet où le matériau a dépassé la température du poit de trasformatio Ac 1. Le DP1180HY (côté gauche de l image) présete u adoucissemet sigificatif du fait qu il cotiet ue forte proportio de martesite, qui va subir u reveu. Aisi, la dureté miimale das la ZAT est que de 270Hv, cotre 390Hv sur le métal de base. 3
ue Rm d eviro 1150 MPa est obteue. L explicatio de l écart observé pourrait aller au-delà d ue corrélatio uiquemet avec l adoucissemet observé. E effet l aalyse statistique de la base de doées produit d ArcelorMittal permet d établir des abaques de corrélatio, pour les d aciers DP, etre la dureté d u acier et ses propriétés mécaiques (Re, Rm, Ag) (figure 4). Il apparaît que le miimum de dureté e ZAT pour l acier DP1180HY (270 Hv) correspodrait plutôt à ue valeur de Rm d eviro 850MPa, sigificativemet iférieure à celle observé expérimetalemet (au-delà de la dispersio de la corrélatio). Deux questios se poset alors : pourquoi ue chute d eviro 120Hv das la ZAT a pas impacté de faço plus importate la résistace globale de l assemblage? Das le cas d u assemblage hétérogèe, commet la variatio de caractéristiques mécaiques, das la ZAT, modifie-t-elle le comportemet des flas assemblés laser. FIG. 4 Courbe de corrélatio etre la micro dureté Vickers et les caractéristiques mécaiques (base de doées ArcelorMittal). 3 Modèle umérique 3.1 Modélisatio géométrique L idée est d effectuer l approximatio cosistat e la découpe de la ZAT e plusieurs traches et d affecter à chaque trache des propriétés différetes (figure 5). La dimesio de chaque trache est équivalete au pas du profil de microdureté (ici 0.15mm). A partir des corrélatios présetées das la figure 4, ue valeur représetative de «caractéristiques mécaiques» peut être affectée à chaque partie de la ZAT. FIG. 5 Modélisatio géométrique de l assemblage. 3.2 Modélisatio des lois élasto-plastiques Après avoir comparé plusieurs lois de comportemet (figure 6), ous avos choisi la loi de Swift-Voce (équatio 1), pour modéliser le comportemet élasto-plastique des métaux de base, hors ZAT, car elle est la plus proche des doées expérimetales de otre étude. La loi de Swift-Voce suit la formule suivate : mε pl ( σ ( σ σ e ) σ = α ε ε α ) ( 1 ) k ( pl + 0 ) + sat sat 0 (1) FIG. 6 - Comparaiso de lois comportemet avec l expérimetal. 4
Cocerat la loi de comportemet de la ZAT, ous avos adopté ue autre méthodologie. E effet, l idetificatio des paramètres de la loi Swift-Voce écessite des doées expérimetales multiples issues d u test de tractio stadardisé. La largeur de la ZAT état très faible ous e pouvos pas caractériser cette zoe via des essais mécaiques d où le choix d ue autre loi de comportemet. A partir des mesures de dureté das la sectio de la soudure, ous pouvos estimer les caractéristiques mécaiques pricipales (Re, Rm, Ag) de chaque trache (figure 4) : aisi ue loi de comportemet peut être affectée pour chaque partie (figure 7). La loi utilisée pour le comportemet plastique est celle de Swift, (équatio 2). Avec : k σ = k + ) ( ε pl ε 0 = l( 1 + ( Ag )) ε k 1 / 0 = (Re/ ) = Rm * exp( * (1 l( )) (2) FIG. 7 Courbes d écrouissages des differetes traches de la ZAT La zoe fodue est cosidérée comme u matériau 100% martesitique. E effet les mesures motret, après refroidissemet, des valeurs de microdureté correspodat à ue microstructure de type martesitique. Nous lui avos affecté ue loi de comportemet type Swift-Voce. 4 Validatio du modèle umérique Les essais de tractio uiaxiale ot été simulés umériquemet, via le logiciel commercial ABAQUS. Les simulatios ot pour but de prédire la positio de la rupture aisi que la courbe de tractio de l assemblage soudé. Le modèle umérique permet égalemet de prédire si la rupture a lieu au sei de la ZAT ou das le métal de base. Les résultats sot cohérets avec l expériece. FIG. 8 Assemblage hétérogèe DP1180HY + DP600 FIG. 9 Assemblage homogèe DP1180HY Notre modèle présete ue boe corrélatio avec les essais expérimetaux, ous avos pu détermier les propriétés mécaiques de l assemblage (Rm et Ag) et ue boe prédictio de la zoe de rupture das les cas homogèes et hétérogèes (figures 8-9). 5
Modèle pour soudage hétérogèe Modèle pour soudage homogèe Doées Doées Doées Doées expérimetales umériques expérimetales umériques Ag 10.3% (σ=0,36) 10.1% 4.2% (σ =0,23) 4.01% Rm 632MPa (σ =5.1) 630MPa 1153Mpa (σ =16.81) 1140MPa Positio de la Rupture DP600 DP600 ZAT ZAT Tab 2 Comparaiso des résultats umériques et expérimetaux 5 Coclusio Lors du soudage des aciers THR de type Dual Phase, il peut se préseter u effet de reveu de la martesite etraîat u adoucissemet local au voisiage de la soudure et peut avoir des coséqueces sur les propriétés mécaiques macroscopiques de l assemblage. Das ce cas, les essais de tractio uiaxiale d éprouvettes coteat ue soudure laser bout-à-bout motret l effet importat de la Zoe Affectée Thermiquemet sur l assemblage soudé, la zoe adoucie état le maillo faible de l assemblage. Cepedat, la réductio de la limite de rupture de l assemblage e pourrait pas être reliée à la résistace mécaique la plus faible mesurée das la ZAT de très faible largeur. E effet, la rupture de ce type d assemblage écessite l apparitio d ue bade de localisatio de déformatio d ue largeur beaucoup plus grade que la largeur de ZAT. Nous avos modélisé le comportemet mécaique des soudures e décomposat la ZAT e plusieurs traches. Les caractéristiques mécaiques de chaque trache de la ZAT ot été obteues par des corrélatios avec la microdureté mesurée le log de l éprouvette. A partir de ces caractéristiques, il a été possible de recostruire des lois d écrouissage de type Swift, le métal de base état lui défii par des lois plus complexes de type Swift-Voce. Cette modélisatio a été implémetée das le logiciel commercial ABAQUS. Ue cofrotatio des résultats de ce modèle avec les essais expérimetaux ous motre ue boe corrélatio etre les résultats expérimetaux et umériques. E effet, ce modèle ous a permis de prédire l edroit de la rupture et les propriétés mécaiques de l assemblage. Ceci motre qu il est possible d obteir ue boe prédictio de la teue mécaique des assemblages e teat compte de la complexité du comportemet mécaique de l esemble de la ZAT. Nous l avos fait e cosidérat la dureté et la loi de comportemet local de chaque poit. Cette méthode de modélisatio fie du comportemet local de la ZAT sera étedue das des travaux ultérieurs à d autres types de soudage (soudage par poit), d autre type d assemblages (assemblage par recouvremet) et d autres tests de caractérisatio (test de tractio plae, tractio e croix et tractio cisaillemet) sur ces mêmes produits Dual-Phase. Référeces [1] Gaied S., Roeladt J., Piard F., Schmit F., Balabae M., Experimetal ad umerical assessmet of TailoredWelded Blaks formability, Joural of Materials Processig Techology,2008 [2] Rashid MS., Dual phase steels. Au Rev Mater Sci, 66, 11-245 66, 1981 [3] Llewelly DT., Hillis DJ., Dual phase steels. Iromak Steelmak, 8, 23-471, 1996. [4] Gaied S., Roeladt J., Piard F., Schmit F., Balabae M., Numerical ad experimetal ivestigatios itotailored welded Blaks formability, America Istitute of Physiques,Volume 908, 2007 [5] Biro E., Jiag C., Lyttle K., Sheet Metal Weldig Coferece XIII, May 14-16, Livoia, MI, paper 4-4,2008 [6] Easterlig K, Itroductio to the physical metallurgy of weldig, Secod editio, Butterworth Heiema, 126, 1992. 6