Magneto-thermo-hydrodynamic modelling of TIG welding: a 3D unified coupling of the arc-plasma and the weld pool

Autor: Nahed, Christopher
Přispěvatelé: Service d'Etudes Mécaniques et Thermiques (SEMT), Département de Modélisation des Systèmes et Structures (DM2S), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Aix Marseille Université, Marc Medale, Stéphane Gounand (encadrant)
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Chemical and Process Engineering. Aix Marseille Université, 2021. English. ⟨NNT : ⟩
DOI: 10.13140/rg.2.2.24525.97769
Popis: This work presents the development and analysis of both the physical phenomena of the TIG (Tungsten Inert Gas) welding procedure, and the numerical approaches necessary to couple the arc-plasma and the weld pool. The study is designed with the aim to develop a unified 3D model for the prediction of key welding variables as a function of basic process parameters. The mathematical developments, implemented numerically in the finite element method toolbox Cast εM, couple a cathode, arc-plasma and weld pool model in a robust manner. Effectively, a formal derivation of the thermo-hydraulic interface conditions is performed in a manner compatible with both conjugate heat transfer and phase change phenomena. The derivation ensures that the relevant kinematic, dynamic and thermal terms are included in the interface conditions. Next, the arc-plasma and weld pool models are numerically coupled at the interface. Thus, to couple the energy conservation models, a mixed variable algebraic approach is proposed and implemented which allows for the use of domain dependent variables in a monolithic manner. Furthermore, both a partitioned Dirichlet-Neumann and a quasi-monolithic coupling algorithm were implemented to join the mass and momentum conservation models of the arc-plasma and weld pool domains. Their respective numerical performances are analysed and discussed.In order to identify key parameters in the fully coupled model, multiple sensitivity studies were performed and the importance of cathode geometry, inlet current, interface hypothesis and weld pool viscosity are discussed. The significant impact the geometric singularities of the cathode have onto the arc-plasma indicates the importance of the choice of cathode geometry when setting up fully coupled models for simulation.Additionally, the influence the inlet current and the dynamic viscosity have onto the weld pool thermo-hydraulics brings into context the dominance of the interface forces and the Lorentz force when shaping the weld pool.Finally, a verification study for the unified 3D model was set up and discussed. The verified model is then used to simulate a fully-coupled 3D welding configuration with displacement effects, which is compared to experimental results and discussed. Thus, this work sets the stage for an exploitable 3D fully coupled model in the near future.; Ce travail présente le développement et l’analyse des phénomènes physiques du procédé de soudage TIG (Tungsten Inert Gas), ainsi que les approches numériques nécessaires au couplage entre l’arc-plasma et le bain de soudage. L’objectif de l’étude est de développer un modèle 3D unifié pour la prédiction des variables clés de soudage en fonction des paramètres procédé de base. Les développements mathématiques, implémentés numériquement via Cast εM (logiciel de simulation numérique développé par le CEA et basé sur la méthode des éléments finis) couplent un modèle de cathode, d’arc plasma et de bain de soudage de manière robuste. Effectivement, une dérivation formelle des conditions thermo-hydrauliques à l’interface fluide est effectuée de façon à intégrer à la fois le transfert de chaleur de domaines conjugués et le phénomène de changement de phase. Cette étape de dérivation permet de s’assurer que la cinématique, la dynamique et les termes thermiques sont proprement pris en compte au niveau des conditions à l’interface arc-bain. Ensuite, les modèles de l’arc-plasma et du bain de soudage sont numériquement couplés à travers leur interface. Pour coupler les modèles de conservation d’énergie, une approche algébrique de type variables mixtes est proposée et implémentée ce qui permet d’utiliser les variables adaptées à chaque domaine pour résoudre monolithiquement le système thermique. De plus, afin d’unir les modèles de conservation de masse et de quantité de mouvement des domaines de l’arc-plasma et du bain de soudage, un algorithme de Dirichlet-Neumann et un algorithme quasi-monolithique ont été implémentés. Leurs performances numériques sont analysées et discutées. Afin d’identifier les paramètres clés du modèle entièrement couplé, plusieurs études de sensibilité ont été effectuées. Au cours de ces études, l’influence de la géométrie de la cathode, du courant électrique en entrée, des hypothèses d’interfaces et de viscosité du bain sont discutées. Il ressort de ces études que l’arc-plasma est significativement lié aux singularités géométriques de la cathode, ce qui montre l’importance du choix de géométrie pour la mise en place de modèles couplés pour la simulation. Par ailleurs, l’influence du courant électrique et de la viscositédynamique sur la thermo-hydraulique du bain mettent en évidence la prédominance des forces à l’interfacearc-bain et de la force de Lorentz dans la formation du bain de soudage.Finalement, une étude de vérification du modèle 3D est proposée, étudiée et analysée. Le modèle vérifié est ensuite utilisé pour simuler une configuration 3D entièrement couplée qui prend en compte les effets de déplacement. Une étape de comparaison expérimentale est également effectuée en utilisant des résultatsexpérimentaux issus de la littérature. Ce travail constitue donc une base solide pour la mise en place, dans un futur proche, d’un modèle 3D couplé exploitable pour le CEA.
Databáze: OpenAIRE
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