Simulation multiphysique : comment analyser les interactions entre courant électrique, chaleur et mécanique afin d’optimiser les produits de manière ciblée

Qu’est ce qu’une simulation multiphysique ?

Une simulation multiphysique est une méthode numérique qui combine plusieurs disciplines physiques – comme l’électricité, la thermique et la mécanique – pour analyser de manière réaliste des interactions complexes. Elle fournit des informations précieuses notamment pour des procédés tels que le soudage par résistance, qui vont au delà des calculs classiques.

Lorsque plusieurs domaines physiques s’influencent mutuellement, les méthodes analytiques ne suffisent souvent plus. La simulation multiphysique offre alors de nouvelles perspectives. Elle conduit à une compréhension plus profonde, une optimisation plus fiable et un développement de produits plus efficace.

CADFEM a développé un modèle de simulation qui rend visibles des effets essentiels tels que les distributions de courant, la répartition de la chaleur et les forces mécaniques. Les processus peuvent ainsi être améliorés de manière ciblée, par exemple grâce à des vitesses de refroidissement optimisées pour éviter la fragilisation du joint.

Comment l’électricité, la thermique et la mécanique s’influencent elles dans les processus techniques ?

Quand un courant électrique traverse une pièce, des pertes Joule apparaissent, entraînant son échauffement. Aux interfaces entre deux pièces, les propriétés de contact sous optimales rendent le passage du courant plus difficile. Les pertes et donc l’échauffement y sont plus élevés, ce qui provoque une dilatation thermique. Cette dilatation agit à son tour sur le contact, modifie le courant et donc à nouveau l’échauffement. C’est un cercle fermé. Dans les processus à haute température, il est indispensable de prendre en compte ces interactions.

Quel rôle joue la simulation multiphysique dans le soudage par résistance ?

Les procédés de soudage par résistance constituent un exemple typique de processus à haute température. L’énergie électrique y est convertie en chaleur jusqu’à porter les métaux, normalement solides à température ambiante, dans une zone de changement de phase où ils fondent et créent une liaison métallurgique durable.

De plus, deux géométries de matériaux différents sont souvent assemblées. Le soudage par points présente exactement ces exigences. Grâce à des modèles de simulation conviviaux, ces processus complexes peuvent être configurés et analysés.

Le courant nécessaire à l’échauffement est transmis via des électrodes en cuivre au premier élément à assembler. Il circule ensuite à travers le contact compressé mécaniquement vers le second élément, puis vers une deuxième électrode ou vers le câble de mise à la terre. L’objectif est d’échauffer le point de contact entre les deux éléments de manière à ce que le joint résiste aux efforts mécaniques ultérieurs.

Pourquoi le refroidissement ciblé est il aussi important que le chauffage dans le soudage ?

Alors qu’une quantité importante de chaleur doit être générée entre les pièces à assembler, la température doit rester aussi basse que possible au niveau des électrodes afin d’éviter des soudures parasites. Il ne s’agit donc pas seulement de chauffer, mais aussi de refroidir !

Entre deux soudures, les électrodes doivent dissiper leur chaleur vers l’environnement. Cela demande du temps et réduit la productivité. Les modèles de simulation permettent d’analyser le comportement thermique global, de visualiser les températures des électrodes via des points de mesure virtuels, et de déduire des temps de cycle possibles.

Évolution temporelle de la température maximale des électrodes sur six cycles de soudage. | © CADFEM Germany GmbH

Il est également intéressant d’observer l’évolution temporelle de la température au niveau du point de soudage. Le modèle permet d’évaluer la distribution locale de la température à l’intérieur du matériau, même après l’atteinte du maximum. Le soudage par points est concentré sur une très petite zone. La masse métallique environnante extrait rapidement la chaleur, ce qui peut entraîner un auto‑trempe et donc une fragilisation du joint. La qualité de la soudure s’en trouve réduite.

Influence de l’historique thermique des électrodes sur la qualité du point de soudage et la performance du processus

Pour analyser cette problématique, CADFEM a développé un modèle de simulation multiphysique couplé qui combine effets électriques, thermiques, mécaniques, évolution temporelle et cadences de production.

Distribution de la température et des déformations dans la coupe d’un point de soudage. | © CADFEM Germany GmbH

L’évolution de la température sur plusieurs soudures montre que l’historique thermique des électrodes influence la température au niveau du point de soudage, la dilatation thermique locale et les changements de conductivité thermique et électrique. Cela affecte la performance du soudage.

Les données obtenues permettent en outre d’évaluer l’ampleur des effets :
Quelle quantité de chaleur est transférée des électrodes aux pièces ? Quel est l’impact sur le temps d’échauffement nécessaire ? Elles constituent la base d’améliorations ciblées.

Analyse multiphysique pour de meilleurs résultats de soudage

Les simulations multiphysiques offrent une vision complète des grandeurs physiques telles que densités de courant, taux de génération de chaleur, pressions de contact et températures. Elles prennent en compte des matériaux non linéaires, des déformations structurelles et les effets du temps.

Elles permettent de répondre aux questions clés : Pourquoi est ce que je fais fondre trop de matériau ?
Que dois je modifier pour faire fondre exactement la zone souhaitée ? Le modèle de simulation peut aussi servir à améliorer le processus : Les géométries des électrodes peuvent elles influencer le comportement thermique ? Pour réduire la fragilisation, faut il préchauffer la matière environnante ?

Quels seraient les effets d’autres stratégies de soudage ou d’autres matériaux ? L’analyse de scénarios « What if » offre un potentiel considérable pour améliorer les processus.