Finite element modeling of the linear friction welding process

Bertrand, Samuel (2019). Finite element modeling of the linear friction welding process. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Linear Friction Welding (LFW) is a solid-state joining process used in high-added-value assemblies such as Blade Integrated Disk in the aeronautic industry. Four phases compose the LFW process: Initial, Transition, Equilibrium and Deceleration phases. It is a complex thermomechanical process with severe deformation that results in significant grain refinement. In the present research, a chained numerical model is proposed characterized by low computational calculation time for each phase along with specific outputs such as microstructural evolution. Ti-6Al-4V alloy was used as a case study to validate the reliability of the developed model.

A thermo-mechanical analysis is carried out to define the transition between the Initial and the Transition phases. Two thresholds were defined depending on the approach used to simulate the Initial phase: Thermo-Mechanical Analysis (TMA) or Heat Transfer Analysis (HTA). Under a TMA approach, it has been shown that the Initial phase shall stop when the equivalent Von Mises stress at the edges reaches the yield stress to comply with the literature definition. It provides an accurate definition for numerical implementation and phase separation. Based on this analysis, a thermal threshold of 975 °C at the edges was proposed as an end phase criterion for the Initial phase simulated under a HTA approach.

Three numerical models were built in this study. Two models are made to simulate the Initial phase with, on the one hand, a TMA approach and, on the other hand, a stationary TMA approach to identify the most efficient one. A subroutine was used in the stationary TMA approach to account for the heat generated by the oscillations. After comparison with experimental data from the literature, it was determined that the stationary TMA approach reduces the computational run time up to 99% with equivalent results to the TMA approach. The third model simulates the Transition and Equilibrium phases using a Single Body (SB) modeling approach to guarantee the axial shortening continuity. Furthermore, a subroutine was added to the SB to include microstructure transformation in the simulation. Considering the lack of information in numerical models about deformation parameters during the LFW, the JMAK equation was introduced as a microstructural transformation indicator. The latter counts the number of times that the recrystallized volume fraction reaches 0.99 , a value for which it is assumed that a grain is fully recrystallized. The material is then considered in an annealed state and is able to recrystallize again if further deformation occurs. The microstructure transformation indicator agrees with experimental metallography observations and helps to identify regions with high probability of strong transformation.

Titre traduit

Modélisation par éléments finis du procédé de soudure linéaire par friction

Résumé traduit

La Soudure Linéaire par Friction (SLF) est un procédé de brasage à l’état solide utilisé pour les assemblages à haute valeur ajoutée tel que les disques aubagés monobloc. Quatre phases composent le procédé de SLF: Initiale, Transition, Équilibre et Décélération. C’est une technique thermomécanique complexe avec d’intenses déformations qui engendrent une diminution de la taille de grain. Un modèle numérique chainé est développé pour combiner des modèles spécifiques favorisant l’efficacité d’exécution et incluant la génération de paramètres spécifiques tels que l’évolution de la microstructure. Cette étude utilise l’alliage de Ti-6Al-4V comme cas d’étude puisqu’il a fait l’objet de plusieurs études dans la littérature.

Une analyse thermodynamique a été menée pour définir la condition de transition entre les phases Initials et Transition. Deux limites ont été définies en fonction de l’approche suivie pour simuler la phase Initiale, soit par analyse thermomécanique, soit par analyse thermique. Par analyse thermomécanique, il a été montré que la phase Initiale doit s’arrêter quand la contrainte équivalente de Von Mises aux extrémités de la ligne de soudure atteint la contrainte d’écoulement afin de suivre la définition donnée dans la littérature. Cela fournit une définition précise pour l’implémentation numérique ainsi que pour séparer les phases. De cette analyse, une limite thermique de 975 °C aux extrémités de la ligne de soudure est proposée comme critère de fin de la phase Initiale par analyse thermique.

Trois modèles numériques sont établis par cette étude. Deux d’entre eux simulent la phase Initiale soit par analyse thermomécanique, soit par analyse thermomécanique stationnaire pour identifier l’approche la plus efficace. Une subroutine a été utilisée dans l’analyse thermomécanique stationnaire pour tenir compte de la chaleur générée par les oscillations. Après une comparaison avec des mesures de thermocouple issue de la littérature, il a été établi que la simulation par analyse thermomécanique stationnaire réduit le temps de simulation de 99% avec des résultats équivalents à l’analyse thermomécanique. Le troisième modèle simule les phases Transition et Équilibre avec un modèle de corps unique pour garantir la continuité du raccourcissement axial.

Une subroutine a été ajoutée au troisième modèle pour inclure la transformation microstructurale dans la simulation. A la vue du manque de modélisation numérique des paramètres de déformation pendant la SLF, l’équation JMAK a été introduite comme indicateur de transformation microstructurale. Ce dernier compte le nombre de fois que la fraction volumique de recristallisation atteint 0.99 , signifiant une recristallisation complète du métal. Ce dernier est alors considéré comme à l’état d’équilibre et est capable de recristalliser à nouveau si la déformation continue. L’indicateur de transformation microstructural coïncide avec les observations de métallographies et identifie les régions avec une forte probabilité de subir une transformation.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in aerospace engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 133-137).
Mots-clés libres:	soudure lnéaire par fiction, Ti-6Al-4V, modélisation par éléments finis, microstructure, raffinement de grain, recristallisation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Jahazi, Mohammad
Codirecteur:	Codirecteur Champliaud, Henri
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	13 nov. 2019 21:53
Dernière modification:	13 nov. 2019 21:53
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2380

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