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Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma. Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
DESIGN OF AN ASSEMBLY SEQUENCE OF
AERONAUTICAL COMPONENTS USING
NUMERICAL WELDING SIMULATION
7th International EWI/TWI Seminar on Joining Aerospace Materials September 17th-18th 2014
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Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
SCOPE
INTRODUCTION
MULTISCALE MODELING
APPLICATION PART: TURBINE REAR VANE
CONCLUSION
EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT
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INTRODUCTION
Process Simulation Software MORFEO ( Cenaero / GeonX)
Welding process capabilities
Fusion welding
EBW, GTAW, LASER…
Friction Welding
Inertia and direct drive
Software development to reach:
Better comprehension of pehnomena occuring : Support use
Optimized welding sequences
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Multiscale modeling method
/01/
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MULTISCALE MODELING
Needs?
Accurate prediction of stresses, distortions on « small » parts…
Local modeling approach
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Close to process conditions
LOCAL MODELING : FULL TRANSIENT ANALYSIS
CAD + MESH + BOUNDARY
CONDITIONS
HEAT SOURCE
DISTORTIONS AND STRESSES + CONSTITUTIVE LAW
D
Comparaisons Dimensions zones fondues
Numérique Expérimentale
Largeur endroit (mm)
L = 4,7 L= 5 mm
Largeur envers (mm)
l= 4,5 4,2
THERMAL FIELD
CPU TIME ?
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MULTISCALE MODELING
Needs?
Accurate prediction of stresses, distortions on « small » parts…
Estimation tool for distortions on large parts components with many beads… with
reasonable CPU time!
Local approach
Local / global approach
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LOCAL / GLOBAL MODELING:
ESTIMATION TOOL
Ful transient on
representative sample
Extract plastic
deformation tensor
components from zones
of interest
Plastic field mapping
respecting the welding
directions
Static Elastic
resolution of
the EF
problem
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Application part : Turbine Rear Vane
/02/
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TURBINE REAR VANE
Turbine rear Vane
Assembly of 3 components
30 beads
Ni –based Superalloy
Diameter ~ 1m
New design
Welding process? Arc or LASER?
Welding sequence?
Distortions localization and type?
External ring Internal ring
Shroud
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Local modeling
/02-1/
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LOCAL MODELING:
WELDING DIRECTION INFLUENCE
Model based on a part sector
2 directions : (+) clockwise and (-) anti-clockwise
+
Local Model
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Experimental validations
Thermocouples measurement
LOCAL MODELING - THERMOMECHANICAL MODEL
VALIDATION OF THE THERMAL FIELD
Thermal boundary conditions:
Double-ellipsoïd heat source - TIG
Convection - radiation
Tack welding welding
Time (s)
Local Model
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LOCAL MODELING - THERMOMECHANICAL MODEL
VALIDATION OF DISTORTIONS
Distortion measurement
Displacement sensors
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
0.0E+00 2.0E+02 4.0E+02 6.0E+02 8.0E+02 1.0E+03 1.2E+03
Dé
pla
cem
en
ts (m
m)
Temps (s)
Radial_numerique
Radial_experimental
Axial_numerique
Axial_experimental
Tack welding welding
Soudage
Distortion vs time
Local Model
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THERMOMECANICAL MODEL
Distortions
Inter- flange distance and ring diameter shrinking
Welding direction impact?
Anti-clockwise less severe Verified by exp measurements
Anti-clockwise
Clockwise
Upstream flange
Downstream flange Z
X
Distortions x10
Local Model
Software validation:
• Showing impact of process parameters choice such as
welding direction
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Local / Global model
/02-2/
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LOCAL / GLOBAL MODEL
Distortions
magnitude X 25
Preliminary calculation
Distortions calculated
Similar to experimental observations
Distance between flanges diminution
Ring diameter shrinking
Software validation in:
• Providing reliable distortions
estimations
• Calculation time : ~1h
Local / global
Model
Exp / num
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TIG / LASER ?
Distortions TIG vs LASER : x 2
PROCESS CHOICE ?
• Heat source
• Plastic field Local model
GTAW
• Heat source
• Plastic field Local model
LASER
Comparison of
distortions obtained
by
the two processes
Local / global
Model
Process Choice
TIG Welding LASER Welding
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WELDING SEQUENCES IMPACT
2 really different sequences :
Seq 1:inner mixed with outer ring Seq 2: Inner then outer ring
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
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30
28
13
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24 22 14
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3
4 5
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Local / global
Model
Welding seq
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SEQUENCES 1&2 : RESULTS
Comparative analysis:
Less distortions using sequence 2
SEQ 1 SEQ 2 AXIAL DISTORTION X10
Local / global
Model
Welding seq
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SEQUENCES 1&2 : RESULTS
Comparative analysis:
SEQ 1 SEQ 2 RADIAL DISTORTION X10
Software validation in:
• providing help to choose global welding sequence
Local / global
Model
Welding seq
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Conclusions
/04/
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CONCLUSIONS
Welding simulations at different scales
Industrial use of welding simulation to
anticipate distortions modes on new designs
Help choosing welding process and sequences
Distortions calculated similar to experimental results
Short computation time : 1 - 24 hours
Morfeo Welding used in SAFRAN GROUP
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THANK YOU FOR YOUR ATTENTION
Contacts :
EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT