Etude de soudabilité d’un acier inoxydable ferritique (19 % Cr, 2 % Mo, Nb) appliqué aux collecteurs d’échappements

Study of a ferritic stainless steel weldability (19 % Cr, 2 % Mo, Nb) applied to the exhaust manifolds

• Auteur / Autrice : Vincent Villaret
• Direction : Gilles Fras, Frédéric Deschaux-Beaume
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Génie civil
• Date : Soutenance le 04/12/2012
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Lours
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyril Bordreuil
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Corinne Arvieu, Pascal Paillard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier ferritique

Automobiles -- Moteurs -- Échappement

Soudage

Mots clés libres

Soudage

Solidification

Acier inoxydable ferritique

Transition colonnaire équiaxe

Welding

Solidification

Ferritic stainless stell

Columnar to equiaxed transition

Résumé

L'objectif de ce travail de thèse, est de développer un matériau d'apport et un mode opératoire de soudage associé permettant d'assembler des tôles d'acier K44X pour la fabrication de collecteurs d'échappement automobiles. Les propriétés de l'acier K44X ayant été optimisées pour répondre au mieux aux contraintes de l'application, les conditions de soudage recherchées devront, dans la mesure du possible, éviter de dégrader les caractéristiques de l'acier, en particulier en termes de tenue mécanique à haute température et de résistance à l'oxydation et à la fatigue thermique. Ce mémoire est divisé en quatre chapitres. Le premier chapitre est consacré à une présentation synthétique des évolutions dans le domaine de la fabrication des collecteurs d'échappement automobiles, et des connaissances actuelles dans les domaines des aciers inoxydables ferritiques et sa soudabilité, des procédés de soudage à l'arc. Le second chapitre présente les caractéristiques de l'acier K44X et la problématique de l'étude, puis décrit le travail d'élaboration des matériaux d'apport de différentes compositions. Ainsi que les résultats d'une caractérisation préliminaire des soudures obtenues avec les différents matériaux. Le chapitre 3 traite de la caractérisation de la tenue en service de l'assemblage retenu à l'issu du chapitre précédent. Les tests d'oxydation, de traction à chaud sur zone fondue des soudures ou sur assemblages complets, et de fatigue thermique, utilisés pour réaliser cette caractérisation sont décrits, et les résultats sont discutés. La fin de ce chapitre est consacrée à la caractérisation des précipités formés dans les zones fondues. Enfin, le dernier chapitre est consacré à la modélisation thermique du soudage et à la modélisation de la solidification, dans le but de tenter de prédire le type de microstructure de zone fondue formée lors d'une opération de soudage, en fonction des paramètres procédés. Cette modélisation, qui s'appuie sur les résultats d'un essai de soudage instrumenté, doit notamment permettre de prédire si les conditions de soudage, pour une composition d'acier donnée, permettent ou non de former une structure de grains équiaxe en zone fondue des soudures.

The objective of this work is to develop a filler metal and an associated welding procedure allowing to join sheets of steels K44X for the manufacturing of exhaust manifolds for automotive. The properties of the steel K44X having been optimized to answer at best the constraints of the application, the welding conditions will have to, as possible, avoid degrading the characteristics of the steel, in particular in terms of mechanical strength with high temperature, oxidation resistance and in thermal fatigue.This report is divided into four chapters.The first chapter is dedicated to a synthetic presentation of the evolutions in the field of the manufacturing of the automotive exhaust manifolds, and current knowledge in the domains of ferritic stainless steels and its weldability, and in arc welding processes.The second chapter presents the characteristics of the steel K44X and the problem of the study, then described the work of elaboration of the filler metals with various compositions. As well as the results of a preliminary characterization of the welds obtained with the various materials.The chapter 3 is about the characterization of the in-service behavior of the assembly stemming from the previous chapter. The tests of oxidation, hot traction on molten zone of the welds or on complete assemblies, and of thermal fatigue, used to realize this characterization are described, and the associated results are discussed. The end of this chapter is dedicated to the characterization of precipitates formed in the molten zones.Finally, the last chapter is dedicated to the thermal modelling of the welding and to the modelling of the solidification, with the aim of trying to predict the type of microstructure of molten zone formed during a welding operation, according to the process parameters. This modelling, based on the results of a instrumented experimental test of welding, has to allow in particular to predict if the welding conditions, for a given composition of steel, allow or not to form a structure of grains equiaxed in molten zone of the welds.