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

Modélisation magnéto-thermo-hydrodynamique du soudage TIG : couplage 3D unifié de l’arc plasma et du bain de soudage Ce travail présente le développement et l’analyse des phénomènes physiques du procédé de soudage TIG, ainsi que les approches numériques nécessaires au couplage entre l’arc-plasma et le bain de soudage. Les développements mathématiques, implémentés numériquement via Cast3M couplent un modèle de cathode, d’arc plasma et de bain de soudage de manière robuste. Les modèles de l’arc-plasma et du bain de soudage sont numériquement couplés à travers leur interface. Pour coupler les modèles thermiques, 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. 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. 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 résultats expérimentaux issus de la littérature