0 /

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

Francois.pichot@snecma.fr

7th International EWI/TWI Seminar on Joining Aerospace Materials September 17th-18th 2014

1 /

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

2 /

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.

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

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

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.

3 /

Multiscale modeling method

/01/

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

4 /

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.

MULTISCALE MODELING

Needs?

Accurate prediction of stresses, distortions on « small » parts…

Local modeling approach

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

5 /

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.

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 ?

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

6 /

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.

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

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

7 /

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.

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

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

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.

8 /

Application part : Turbine Rear Vane

/02/

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

9 /

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.

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

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

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.

10 /

Local modeling

/02-1/

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

11 /

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.

LOCAL MODELING:

WELDING DIRECTION INFLUENCE

Model based on a part sector

2 directions : (+) clockwise and (-) anti-clockwise

+

Local Model

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

12 /

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.

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

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

13 /

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.

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

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

14 /

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.

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

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

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.

15 /

Local / Global model

/02-2/

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

16 /

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.

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

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

17 /

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.

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

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

18 /

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.

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

18

20

11

27

25

17

19

12

26

30

28

13

15

24 22 14

29

16

23

21

1

2

3

4 5

6

7

8

9

10

11

12

13

15 14

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Local / global

Model

Welding seq

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

19 /

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.

SEQUENCES 1&2 : RESULTS

Comparative analysis:

Less distortions using sequence 2

SEQ 1 SEQ 2 AXIAL DISTORTION X10

Local / global

Model

Welding seq

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

20 /

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.

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

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

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.

21 /

Conclusions

/04/

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

22 /

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.

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

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT

23 /

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.

THANK YOU FOR YOUR ATTENTION

Contacts :

Francois.pichot@snecma.fr

EWI-TWI 7th Seminar – Joining aerospace materials – SNECMA SAFRAN GROUP – F.PICHOT