Finite element modeling of the heat source during welding of 415 steel joints (13%CR-4% NI) with the robotic FCAW

Tireh Dast, Matin (2015). Finite element modeling of the heat source during welding of 415 steel joints (13%CR-4% NI) with the robotic FCAW. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Residual stress is one of the most known problems through welding process in industry, as it caused the durability of welded part to reduce. Finite element analysis can predict the thermal distribution induced by welding process along the part, thereby calculating the residual stress. Several approaches have been developed to simulate the temperature variation and the residual stresses during welding.

Despite all the efforts carried out by scholars to predict the temperature field within the welding processes, the lack of accuracy still remains an issue in the neighbouring of the heataffected zone. This study was intended to precisely calculate the thermal field within and in the vicinity of the heat affected zone through multi-pass welding using finite element analysis. A developed thermal finite element code at IREQ (Institut de recherche d'Hydro-Québec) was employed to calculate the thermal field within the multi-pass welding process. The program was modified to consider thermal properties of martensitic stainless steel 415 as the base material in order to offer a more reliable simulation of the heat transfer. Then, the capability of the program to predict the temperature distribution was evaluated at given nodes in the plate during multi-pass welding through comparison with the experimentally collected data. Goldak’s moving heat source was applied in the program to consider the induced thermal energy to the part by the welding process into the simulation. Furthermore, the element birth and death method were employed to model the deposition of the filler metal. In order to link the experimental and the numerical results, 20 thermocouples were installed in the plate, and thereby the temperature variation was monitored during welding process.

The map of micro hardness and microstructure of cross-sections were analyzed to compare with the predicted configuration of the heat-affected zone in the simulation. At last in this study, the micro-hardness of small specimens were compared upon experimentally reproduction of the analytically simulated thermal history on the specimen, to the microhardness of the node of the welded part model corresponding to this thermal history.

The comparison of the calculated and the experimentally measured thermal profile through the thermocouples demonstrate that the model can fairly predict the temperature profile during the heating and the cooling processes for the multi-pass welding process. The calculated average error was less than 10°C within the three pass welding, which is negligible compared to welding temperature.

Titre traduit

Modélisation par élément finis de la source de chaleur lors du soudage de l'acier 415 (13%CR-4% NI) avec le procédé robotisé FCAW

Résumé traduit

Les contraintes résiduelles constituent le problème le plus connu durant le processus de soudage en industrie, et a pour conséquence de réduire la durabilité de la partie soudée. Le modèle d’éléments finis peut prédire la distribution thermique le long de la pièce, induite par le processus de soudage et la distribution de contraintes résiduelles. Plusieurs approches ont été développées pour simuler la variation de température et des contraintes résiduelles pendant le soudage.

Malgré tous les efforts faits par les universitaires pour prédire le champ thermique dans le processus de soudage, le manque de précision reste encore un problème dans le voisinage de la zone affectée par la chaleur. Cette étude est menée dans le but de précisément calculer le champ thermique dans et au voisinage de la zone affectée par la chaleur en utilisant la méthode des éléments finis. Un code thermique d’éléments finis, développé à l’IREQ, est utilisé afin d’obtenir le champ thermique au sein du soudage multi-passe. Ce code a été modifié, afin de considérer les propriétés thermiques de l’Acier inoxydable martensitique 415 comme matériau de base, pour obtenir une simulation plus fiable de la transmission de chaleur. Ensuite, la capacité du code à prédire la distribution de température est évaluée aux noeuds donnés sur la plaque, pendant le soudage multi-passe, dans le but de la comparez avec les données expérimentales. Dans notre simulation, le mouvement d'une source de chaleur de Goldak est appliqué dans le code pour prendre en compte l’énergie thermique induite dans la pièce par le processus de soudage. De plus, la méthode naissance des éléments est employée pour modéliser le dépôt du métal d’apport. Afin de relier les résultats expérimentaux et analytiques, 20 thermocouples sont installés sur la plaque pendant le processus du soudage, dans le but de mesurer le changement de la température.

Une cartographie de la micro-dureté et de la microstructure des sections transversales sont analysées pour comparer avec la configuration prédite de la zone affectée par la chaleur. Enfin, la micro-dureté de petits spécimens est comparée à la mesure expérimentale de l’histoire thermique, simulée analytiquement, sur le spécimen, à la micro-dureté d’un nœud pour la même position sur la pièce.

La comparaison des résultats obtenus par le code et expérimentaux, avec les thermocouples, du profil thermique montrent que le modèle peut prédire justement le profil de température durant les processus de chauffage et de refroidissement pour le processus de soudage multipasse. L’erreur moyenne calculée est inférieure à 10°C pour les trois passes de soudure.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Master's thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for [a] master's degree in mechanical engineering". Bibliographie : pages 125-130.
Mots-clés libres:	Acier martensitique Soudage. Chaleur Transmission Modèles mathématiques. Méthode des éléments finis. Contraintes résiduelles. champ, multi-passe, multipasse, soudage, thermique, éléments finis, acier 415
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Champliaud, Henri
Codirecteur:	Codirecteur Lanteigne, Jacques
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	10 nov. 2015 21:49
Dernière modification:	10 déc. 2016 17:04
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1547

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