La simulation numérique du soudage est principalement mise en œuvre pour déterminer les contraintes résiduelles et les déformations des structures, ce qui permet, par exemple, de définir les séquences de soudures. Les outils de simulation peuvent apporter d’autres avantages au niveau des procédés eux-mêmes. Et notamment de la fabrication additive, qui redonne une nouvelle jeunesse à la simulation numérique du soudage.
La simulation numérique est mise en œuvre, parfois depuis des décennies, dans de nombreux domaines, tels que la physique, l’électronique, la biologie, voire aussi la météorologie, les risques, la finance. Et évidemment dans le domaine de la mécanique, et en particulier du soudage.
Historiquement, la simulation numérique du soudage est très ancienne, ses débuts remontent aux années 1940 par la simulation des effets thermiques dans la pièce, celle du procédé lui-même étant arrivée bien plus tard.
Cela n’explique toutefois pas le relatif faible déploiement des outils dans les entreprises, la simulation numérique du soudage étant encore considérée comme un marché de niche. Mais avant d’aller plus loin, qu’entend-on par simulation numérique ? Il s’agit, selon le site Internet Wikipédia, de l’exécution d’un programme informatique, qui repose sur la mise en œuvre de modèles théoriques utilisant souvent la technique des éléments finis, en vue de simuler un phénomène physique réel et complexe. L’objectif pour les utilisateurs est d’étudier le fonctionnement et les propriétés d’un système modélisé et d’en prédire son évolution.
Pour Olivier Asserin, chef de laboratoire au Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), « la simulation numérique du soudage est globalement un problème de thermomécanique associé à un problème de métallurgie – on parle de problème TMM (thermomécanique métallurgique). Il faut d’abord résoudre une équation de la chaleur, puis déterminer les transformations de phase qui ont lieu dans le matériau pendant le procédé de soudage et, enfin, les conséquences sur le matériau. »
Si les anglophones parlent plutôt de modélisation, c’est bien le terme de simulation qui est privilégié en français. « Et le bon terme est “déformations”, et non “distorsions”, même si de nombreuses personnes ont recours à cet anglicisme. En soudage, on est souvent confronté à des déformations angulaires, dues au formage ou au vrillage des tôles, et non à des déformation en torsion », insiste Laurent Jubin, expert référent soudage au Centre technique des industries mécaniques (Cetim).
Déterminer les contraintes résiduelles
« Quand on parle de simulation numérique du soudage, il faut bien distinguer la simulation du procédé de soudage de la simulation des effets de soudage, fait remarquer Olivier Asserin (CEA). Avec la simulation du procédé de soudage, on s’intéresse à la modélisation magnéto-hydrodynamique, c’est-à-dire, dans le cas de la simulation du soudage à l’arc électrique, à la prise en compte des mouvements de convection dans le bain, à l’interaction de l’arc avec le bain, à la modélisation de l’arc, etc. La simulation des effets de soudage, elle, est la simulation TMM qui est commune à bien d’autres procédés. »
La simulation des effets de soudage concerne ainsi les contraintes résiduelles et les problèmes que l’on peut rencontrer en cours de fabrication (pièces susceptibles de se déformer, par exemple). « On distingue la simulation des contraintes résiduelles et celle des déformations », résume Fabrice Scandella, Senior Expert Assemblage chez Institut de Soudure. La démarche d’une simulation du procédé de soudage est davantage d’améliorer ce dernier, de définir des paramètres optimisés lors d’une campagne expérimentale, comme on le verra ultérieurement.
« Quand on parle de simulation numérique du soudage, les personnes pensent avant tout à la détermination des contraintes induites par les opérations de soudage et/ou aux déformations. Les premiers travaux se sont en effet intéressés au calcul des contraintes résiduelles générées par un type de joints soudés, dans l’objectif d’expliciter des tenues en service données ou d’aller vers de l’acceptation de défauts en mécanique de rupture », constate Laurent Jubin (Cetim).
C’est-à-dire de déterminer la taille de défaut, obtenue par CND (contrôle non destructif), admissible par rapport à la sollicitation en service et au niveau de contraintes résiduelles existant dans le joint soudé. En général, les personnes estiment que les contraintes résiduelles dues à un procédé de soudage sont égales à la limite d’élasticité du matériau le plus faible utilisé. Sauf s’il y a eu un traitement thermique et, dans ce cas, on considère que celles-ci sont de l’ordre de 20 % de la limite d’élasticité.
Pour les industriels, la simulation numérique des effets de soudage présente un autre intérêt : « C’est d’obtenir les contraintes résiduelles dans tout le matériau, à mi-épaisseur notamment. La règle qui consiste à prendre les contraintes égales à la limite d’élasticité n’est vraie que dans certaines zones, et cela est rarement vraie à mi-épaisseur, par exemple », constate Laurent Jubin.
Séquence de soudage optimisée, déformations réduites
En plus des contraintes résiduelles, les industriels peuvent mettre en œuvre la simulation numérique du soudage pour estimer les déformations subies par un matériau. « La simulation des déformations fait appel à un calcul thermomécanique. La partie thermique permet de remonter à la ZAT [zone affectée thermiquement, à savoir la zone proche du joint, qui a été portée à haute température, NDR] et, donc, de vérifier les pourcentages de phases, de déterminer les caractéristiques mécaniques finales, les orientations cristallographiques et la taille des grains, grâce à la méthode CAFE [Cellular Automata Finite Element, NDR] qui est implémenté dans notre logiciel », décrit François Frascati, responsable produits Thercast chez Transvalor.
Quant à la partie thermomécanique, elle prend en compte un très grand nombre de paramètres, qui vont des interactions avec les outillages jusqu’au débridage. Connaissant la température à laquelle les outillages seront éventuellement soumis, la simulation numérique permet aux industriels de sélectionner par exemple la nature de l’outillage, pour ne pas brûler l’insert en plastique, les épaisseurs de couche, etc..
« Mais l’estimation des déformations doit se faire avec pleins de bémols. Comme ce sont des phénomènes encore plus complexes que les contraintes résiduelles, il faut en effet intégrer tout ce qui s’est passé dans la vie du matériau. Dans le cas de tôles fines, par exemple, les contraintes de compression compensant les contraintes de traction générées dans la zone proche de la soudure peuvent dépasser la contrainte de flambement admissible, un phénomène qui est très difficile à prévoir », explique Laurent Jubin.
Ce que confirme Fabrice Scandella (Institut de Soudure) : « La simulation numérique du soudage permet de définir la séquence de soudures, dans le cas d’une structure avec plusieurs soudures, de manière à déformer le moins possible ladite structure. Les industriels évitent ainsi de recourir à des opérations ultérieures pour redresser les structures (utilisation de chaudes de retrait, plastification du matériau à certains endroits…). »
Olivier Asserin (CEA) fait remarquer que « si un soudeur expérimenté saura où déposer quels cordons de soudure et dans quel ordre pour réduire un peu les déformations, il ne sera plus capable de gérer seul des dizaines et des dizaines de soudures. » La mise en œuvre de la simulation numérique du soudage prend donc tout son sens dans les secteurs industriels avec des structures sur lesquelles il y a énormément de soudures à faire, à l’instar du nucléaire et de l’aéronautique (aubes de turbine).
Aller jusqu’au choix du procédé de soudage
Mais d’aucuns peuvent aller encore plus loin, vers la mise au point et l’optimisation des procédés de soudage eux-mêmes. « La simulation numérique permet de faire varier l’ensemble des paramètres d’un procédé afin de déterminer les paramètres (intensité, puissance sur l’électrode…) les mieux adaptés pour répondre au cahier des charges. Une fois le procédé optimisé, on peut ensuite déterminer les déformations géométriques induites par les points de soudure et le comportement mécanique de l’assemblage, et ce avant tout essai physique. Cela permet d’éviter les éventuelles mauvaises surprises », explique Mathilde Chabin, Director Manufacturing Product Management d’ESI Group.
La simulation numérique peut également être mise en œuvre plus tard, lorsque le procédé de soudage est déjà en production. « Par exemple, si une ligne s’arrête trop souvent ou si l’on remarque des ruptures de points de soudure sur les pièces finales, les industriels vont pouvoir revenir à la simulation numérique pour analyser ce qu’il se passe et essayer de rendre le procédé plus robuste », poursuit Mathilde Chabin.
Les industriels peuvent même comparer des procédés de soudage – que ce soit des procédés matures entre eux ou avec des procédés en cours de développement – pour savoir lequel assurera le soudage d’une structure donnée avec le moins de déformations possibles. « Les industriels recherchent des outils leur permettant de faire des comparaisons plutôt que des prévisions, l’objectif étant d’accélérer le développement des produits. Cela évite d’effectuer de nombreux essais erreurs : seules les solutions les plus prometteuses font l’objet d’essais, ce qui est particulièrement intéressant avec des matériaux nobles, coûteux et/ou difficiles à approvisionner, par exemple », affirme François Frascati (Transvalor).
Mais quels sont ces industriels qui mettent en œuvre la simulation numérique du soudage ? « Les deux industries sur lesquelles nous nous focalisons sont l’automobile et l’énergie. La précision des modèles dans notre solveur – un point fort de notre logiciel Sysweld – est particulièrement intéressante dans les industries où les exigences en termes de qualité des soudures sont très élevées. Mais nous sommes aussi sollicités par le secteur naval, qui se caractérise par d’autres problématiques (pièces beaucoup plus épaisses à souder, difficultés de fabrication…) », constate Mathilde Chabin (ESI Group).
Et François Frascati (Transvalor) de renchérir : « Toutes les entreprises qui travaillent des matériaux onéreux, qui fabriquent des pièces très chères sont susceptibles d’avoir besoin d’outils de simulation numérique pour être plus efficaces et maîtriser leurs procédés. Que ce soit pour vérifier la bonne tenue de la fonction de la pièce en usage, pour anticiper plus facilement le mode de réparation ou pour repousser les limites du procédé en réduisant la démarche d’essais erreurs. »
Un marché revitalisé par la fabrication additive
La simulation numérique du soudage fut d’abord portée par les industries de l’automobile et du nucléaire, puis par l’aéronautique, pour des problèmes connexes au soudage (effet de foudre sur les aéronefs, par exemple), etc., sans oublier la communauté académique. Et aujourd’hui, d’une part, les soudures dans le domaine nucléaire restent un point problématique et, d’autre part, la simulation numérique du soudage profite grandement de l’arrivée de la fabrication additive.
L’arrivée de nouveaux matériaux remet en cause la connaissance accumulée ces décennies, au travers des nombreux essais et de l’expérience des opérateurs, dans le domaine du soudage et de ses variantes. « Dès que l’on change de matériaux en soudage, de nouvelles problématiques apparaissent. L’engouement pour la simulation numérique du soudage s’explique donc par le gain de temps significatif – les industriels peuvent s’affranchir de nombreux essais expérimentaux – pour recalibrer les procédés aux nombreux matériaux développés pour répondre aux nouvelles exigences environnementales (matériaux recyclés, par exemple). Et même sur les procédés de soudage existants, il y a encore des améliorations à faire avec les matériaux standard », explique Mathilde Chabin (ESI Group).
Non seulement la fabrication additive a remis sur le devant de la scène la simulation numérique du soudage, mais elle s’est aussi accompagnée de financements, ce qui a notamment permis à des chercheurs de s’intéresser de nouveau à la modélisation thermomécanique, et notamment la simulation du soudage multipasses, aux problématiques connexes, comme l’optimisation topologique, le design de matériaux. « En plus de voir la communauté de spécialistes grossir, la fabrication additive apporte une vision plus intégrée (design de matériaux, optimisation par intelligence artificielle, architecture de matériaux, reverse engineering, couplage à des outils de simulation des ondes ultrasonores), qui bénéficiera au soudage », se réjouit Olivier Asserin (CEA).
Une offre (très) limitée de logiciels
Plusieurs personnes interrogées font toutefois remarquer que l’offre de logiciels de simulation numérique du soudage disponibles sur le marché est relativement restreinte. On trouve notamment Sysweld, développé par le Français FramaSoft qui est devenu par la suite ESI Group, TransWeld du Français Transvalor, ou encore Multiphysics du Suédois Comsol, Simulia Abacus du Français Dassault Systèmes, Simufact Welding du Suédois Hexagon, des logiciels propres à des grands groupes. « S’il existe maintenant une offre d’outils de simulation des effets du soudage, ce n’est pas réellement encore le cas pour les logiciels dédiés à la simulation des procédés de soudage. On utilise plutôt des calculs par éléments finis existants », constate Olivier Asserin (CEA).
Fabrice Scandella (Institut de Soudure) avance, comme raisons à cette offre relativement restreinte, « un certain niveau de compétences requis pour les utilisateurs, qui doivent donc être formés aux outils de simulation, aux calculs par éléments finis. Mais ce sont des sujets qui sont aujourd’hui enseignés utilisés dans les écoles d’ingénieurs. Plus généralement, la complexité du soudage, comparé aux autres domaines de la métallurgie (forge, fonderie), explique également pourquoi il n’existe pas de logiciels depuis aussi longtemps que dans les autres domaines. »
« En plus de maîtriser les connaissances sur l’opération de soudure et la modélisation numérique du soudage, les utilisateurs doivent connaître le comportement métallurgique des matériaux, avec toutes les transformations de phase, toutes les propriétés mécaniques en température selon les phases, etc. Cela génère une quantité de données très importante à obtenir, des données qui ne sont de surcroît pas forcément faciles à avoir s’il s’agit de matériaux qui n’ont pas déjà été étudiés », ajoute Laurent Jubin (Cetim).
Mais disposer de données de qualité sur les matériaux – ces informations, qui viennent d’essais expérimentaux ou de base de données, permettent de bâtir les modèles de comportement physique – n’est pas le seul axe d’amélioration des éditeurs de logiciels. Le temps de calcul en est un autre. Tout dépend de ce que l’on veut simuler : s’il s’agit de simuler une traverse automobile, le temps de calcul est de l’ordre de quelques heures, éventuellement de l’ordre de la journée.
« Pour des calculs thermiques, une simulation numérique dure effectivement de quelques heures à la journée (dans le cas d’une modélisation avec de nombreux nœuds, le calcul de l’orientation cristallographique et les répartitions de phases). Pour les calculs mécaniques, les temps de calcul sont plutôt de plusieurs jours, voire même de quelques semaines pour des cas compliqués », ajoute François Frascati (Transvalor). « Il arrive même que, lorsque les modèles sont trop complexes, la simulation numérique ne puisse se faire », affirme Fabrice Scandella (Institut de Soudure).
Améliorer encore le temps de calcul
Pour répondre à ce besoin de puissance de calcul, une première possibilité est de multiplier le nombre de processeurs pour diviser le temps de calcul. « Les constructeurs automobiles et les fournisseurs de rang 1 peuvent, s’ils ne sont pas déjà équipés, investir dans un cluster à plus de 100 cœurs. Cela représente évidemment un coût, mais il s’agit d’un investissement unique. Pour la grande majorité de nos clients qui vont effectuer des analyses standard, un ordinateur portable, doté de 16 cœurs de calcul, est amplement suffisant », affirme Mathilde Chabin (ESI Group).
Les éditeurs de logiciels ont d’autres atouts dans leurs manches. « Il est possible de travailler avec des modèles allégés, sans données expérimentales, mais les calculs sont alors approximatifs », indique Fabrice Scandella (Institut de Soudure). Parmi les autres « astuces », on trouve également le maillage auto-adaptatif. « Il s’agit d’un maillage grossier, qui se raffine uniquement dans la zone de soudage. Et, au fil du calcul, il ne remaille que dans la zone où l’on n’en a besoin, ce qui permet de n’avoir des nœuds que là où il faut et donc des modèles les mieux adaptés en fonction du temps. Tout est automatique, il n’y aucune opération à faire à la main », explique François Frascati (Transvalor).
L’éditeur a par ailleurs ajouté l’ajustement de la gestion du time step (pas temporel), ce qui a permis de conserver une certaine qualité des résultats. « Au-delà des astuces numériques telles que l’optimisation des temps d’ouverture et de fermeture, nous travaillons sur des pistes d’amélioration faisant intervenir l’intelligence artificielle (IA), poursuit François Frascati. Mais il ne faut pas regarder que le temps de calcul, il faut s’intéresser au temps global nécessaire pour réaliser une simulation numérique du soudage. »
Ne pas négliger le temps de mise en œuvre
Ce que confirme Olivier Asserin (CEA) : « Il ne faut en effet pas négliger la mise en œuvre de la simulation numérique, à savoir la modélisation de la pièce, l’écriture de la séquence de soudage, etc. Si le calcul peut être relativement rapide, la mise en œuvre peut être beaucoup plus longue à effectuer, en particulier dans le nucléaire, où des centaines de passes sont faites, sur des pièces très grandes, ou encore en simulation multiphysique. Mais les éditeurs de logiciels ont fait d’énormes progrès ces dernières années. »
Les éditeurs interrogés travaillent sur d’autres développements encore. « La force d’ESI Group est de proposer une chaîne numérique complète, de la fabrication des pièces unitaires, à leurs assemblages par soudage ou autres procédés, tels le clinchage, le rivetage, etc., jusqu’au comportement en crash, assurant ainsi la prise en compte de l’historique des matériaux. Nous travaillons également sur les jumeaux numériques, que nous appelons Hybrid Twin, pour le contrôle en ligne de procédés déjà en production », indique Mathilde Chabin (ESI Group). Du côté de Transvalor, « nous arrivons déjà à chaîner certains de nos procédés, et l’objectif est de réussir à chaîner le maximum d’opérations, depuis la coulée continue ou de lingots jusqu’à l’utilisation en service. Dans le cadre de l’industrie 4.0 et des jumeaux numériques, les industriels veulent faire une gamme de fabrication entière pour anticiper les contraintes, les déformations et les éventuels défauts en fin de la fabrication, et, ainsi, anticiper ce qui pourrait se passer dans le cycle de vie de leurs pièces », explique François Frascati.
Par Cédric Lardière
Vers une norme pour la simulation numérique du soudage
Il n’existe pas de normes dans le domaine de la simulation numérique du soudage. En tout cas, pour l’instant. « Les acteurs du soudage peuvent s’appuyer sur la spécification technique ISO/TS 18166:2016, initiée à la demande de l’industrie automobile allemande et rédigée en mai 2016. Avec l’appui de la filière nucléaire, nous avons lancé, en 2022, la révision de cette spécification pour, d’une part, la rendre plus complète et compatible avec les méthodes de simulation actuelles, et notamment celles mises en œuvre dans l’industrie nucléaire (guide ASN n°28, par exemple), et, d’autre part, la faire évoluer vers une norme », résume Olivier Asserin, chef de laboratoire au Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) et qui pilote le projet de révision. Contrairement à la spécification technique actuelle, la future norme portera sur la simulation thermique et mécanique, avec des codes de calcul utilisant la méthode par éléments finis, et sur les procédés de soudage par fusion. « Nous voulons rédiger la future norme comme un guide, non pas pour des débutants, mais pour permettre aux utilisateurs de réaliser des simulations de manière correcte et améliorée. Nous travaillons en particulier sur les aspects V&V [vérification et validation, NDR] afin d’améliorer la qualité des résultats et le traitement des incertitudes dans la méthodologie de simulation », explique Olivier Asserin. La norme, qui devrait être publiée en 2025/2026, ou un an plus tôt si elle reste une spécification technique, apportera un cadre et une unification des pratiques, en imposant notamment plus d’échanges entre les différentes communautés de soudeurs. « Par exemple, la validation des calculs pourraient s’appuyer sur des jugements d’experts, des comparaisons à d’autres outils de calcul ou des expériences réalisées par d’autres personnes, et non plus uniquement sur des expériences », indique Olivier Asserin.
