Collections de documents électroniques
RECHERCHER

Prédiction des attributs géométriques du joint de soudure dans le cas de soudage au laser par recouvrement de tôles en acier galvanisé : modèle 3D et réseaux de neurones

Téléchargements

Téléchargements par mois depuis la dernière année

Plus de statistiques...

Oussaid, Kamel (2020). Prédiction des attributs géométriques du joint de soudure dans le cas de soudage au laser par recouvrement de tôles en acier galvanisé : modèle 3D et réseaux de neurones. Mémoire. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 119 p.

[thumbnail of Kamel_Oussaid_mai2020.pdf]
Prévisualisation
PDF
Télécharger (1MB) | Prévisualisation

Résumé

RÉSUMÉ: Le soudage au laser est une des techniques d'assemblage qui a révolutionné de nombreux secteurs industriels, y compris le secteur de l'industrie automobile, grâce à sa productivité et à sa flexibilité. En raison de la nature focalisée du faisceau laser et de sa puissance élevée, le soudage au laser se distingue des autres procédés conventionnels par un apport de chaleur, bref et localisé, favorisant la production de soudures étroites profondes et esthétiques avec des vitesses d'exécution pouvant atteindre plusieurs cm/s, une zone affectée par la chaleur très étroite et des distorsions thermiques limitées. Pour faire face aux contraintes de positionnement précis imposé dans le cas de soudage bout à bout et de soudage d'angle, la configuration de soudage par recouvrement s'avère être mieux adaptée pour la fabrication en grande séries. Cependant, le soudage par recouvrement des aciers galvanisés peut être instable et à cause de l'évaporation prématurée du recouvrement du zinc à l'interface des tôles superposées. Des précautions additionnelles sont nécessaires pour mettre en œuvre ce procédé de façon adéquate. Le choix d'un écart optimal entre les tôles à souder combiné à une sélection adéquate des paramètres du laser peuvent résoudre le problème de l'évaporation du zinc et produire des soudures de très grande qualité. Les propriétés mécaniques d'une soudure réalisée au laser découlent généralement de la forme et des dimensions de sa section transversale, qui dépendent elles-mêmes des paramètres du laser et des conditions de soudage telles que la puissance du laser, la vitesse d'avance du faisceau laser, le diamètre focal et l'écart entre les tôles. Pour exploiter efficacement les avantages du procédé, il faut développer une stratégie qui permet de contrôler les paramètres et les conditions de soudage pour obtenir des soudures avec les caractéristiques désirées, sans avoir recours à la lente et couteuse méthode traditionnelle essai-erreur. L'objectif principal de ce projet consiste à développer des modèles prédictifs permettant d'estimer les attributs géométriques du joint de soudure dans le cas de soudage au laser par recouvrement de tôles en acier galvanisé. L'approche proposée combine expérimentation, modélisation numérique, analyse statistique et modélisation par réseau de neurones pour produire le meilleur modèle prédictif possible. Cette approche est structurée en trois phases. La première phase a permis de réaliser une investigation expérimentale du procédé dans le but faire une l'évaluation qualitative et quantitative des effets des paramètres et conditions de soudage sur la variation des caractéristiques géométriques de la soudure. Les expériences ont été réalisées à l'aide d'un laser Nd-YAG 3KW à émission continue selon une planification d'expériences basée sur la méthode Taguchi. La seconde phase a permis de développer un modèle de simulation numérique 3D du procédé de soudage au laser basé sur la méthode des éléments finis dans le but de simuler le comportement du procédé dans des conditions difficiles à réaliser expérimentalement. Le modèle numérique s'appuie sur les équations de transfert thermique en tenant compte des propriétés du matériau dépendant de la température et de l'enthalpie de changement de phase. Le modèle de source de chaleur utilisé a été adapté de manière à modéliser simultanément le soudage en mode conduction et en mode trou de serrure. Les résultats de la première phase ont été utilisés pour la validation du modèle numérique 3D. Dans la troisième phase, on a développé et testé un modèle prédictif en utilisant les réseaux de neurones artificiels. Une large base de données combinant données expérimentales et données de simulation a servi à l'entrainement et à la validation de plusieurs versions de modèles. Plusieurs critères ont été utilisés pour sélectionner le meilleur modèle, pour l'évaluation de la qualité de ses prédictions et sa capacité de généralisation. Les résultats montrent que le modèle obtenu est un modèle de prédiction rapide et robuste présentant des prédictions compat bles avec les mesures expérimentales générant une erreur de prédiction moyenne ne dépassant pas les 7%. -- Mot(s) clé(s) en français : Soudage au laser par recouvrement, laser Nd-YAG, acier galvanisé à faible teneur en carbone, modèles prédictifs, planification d'expériences, méthode des éléments finis, réseau de neurones. -- ABSTRACT: Laser welding becomes more and more popular in many industrial fields, including the automotive industry, thanks to its high productivity and flexibility. Due to the focused nature of the laser beam and its high incident power, laser welding is well-known for its high and fast heat input, localized in a very small area, thus promoting the production of deep narrow and aesthetic welds with speeds of up to several cm /s, a very narrow heat affected zone and limited thermal distortions. To deal with the positioning constraints imposed on butt welding and fillet welding, the overlap welding configuration is best suited for large-scale fabrication, but the welding of galvanized steels in this configuration becomes unstable and requires additional precautions, because of the premature vaporization of the zinc coating at the interface of the overlapped parts. An optimal gap between the parts and a better combination of laser parameters can overcome this situation and produce defect free welds. The mechanical properties of a laser weld seam depend on the shape and dimensions of its cross-section, which themselves depend on the laser parameters and the welding conditions, namely laser power, welding speed, focal diameter and gap. To effectively exploit the benefits of the process, a strategy must be developed to control welding parameters and conditions to achieve welds with desired characteristics, avoiding the slow and expensive traditional test-fail method. The main purpose of this dissertation is to provide a deep understanding of the dependency relationships between welding parameters and weld characteristics. To be able to predict accurately and instantly these characteristics, a three-phase approach is adopted. The first phase is an experimental investigation of the process, its objective is the qualitative and quantitative evaluation of laser welding parameters effect on the variation of the weld geometry. The experiments are planned according to Taguchi method and conducted using a 3KW continuous Nd-YAG laser on specimens of overlapped galvanized steel sheets. The second phase is the modeling of laser welding process using finite element method, to simulate the process behavior under conditions difficult to perform experimentally. The developed model is based on heat transfer equations and considers temperature-dependent properties of the material and phase change enthalpy. A heat source model is adapted to simulate both laser welding in conduction mode and in keyhole mode. The experimental results are used to validate the 3D finite element model. In the third phase, a large database consisting of experimental results and simulation results is used to train and test a predictive model based on artificial neural networks. Several criteria are used to evaluate the prediction quality of the model and its capacity for future predictions. The obtained results showed a perfect agreement with the experimental measurements, the average prediction error observed is less than 7%. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Overlap laser welding, Nd-YAG laser, low carbon galvanized steed, predictive modelling, design of experiments, finite elements method, neural networks.

Type de document : Thèse ou Mémoire (Mémoire)
Directeur(trice) de mémoire/thèse : El Ouafi, Abderrazak
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse : Chebak, Ahmed
Information complémentaire : Mémoire présenté dans le cadre du programme de maîtrise en ingénierie en vue de l'obtention du grade de maître ès sciences appliquées (M.Sc.A.).
Mots-clés : Soudage laser Soudage laser par recouvrement Acier galvanisé Tôle d'acier Tôle d'acier galvanisé Modèles prédictifs Géométrie Attributs géométriques
Départements et unités départementales : Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Déposé par : DIUQAR UQAR
Date de dépôt : 19 août 2021 14:27
Dernière modification : 20 août 2021 12:38
URI : http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/1877

Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt Dernière vérification avant le dépôt