Etudes expérimentale et par simulation du comportement d’un acier laminé thermomécaniquement lors du soudage hybride laser-arc monocathode et bicathodes

Experimental and numerical study of the behavior of a thermo-mechanically controlled process steel during mono and dual GMAW hybrid laser-arc welding

• Auteur / Autrice : Fabrice Chaussé
• Direction : Pascal Paillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux, métallurgie
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Paillard, Frédéric Deschaux-Beaume, Patrice Peyre, Patrice Peyre, Guillaume Rückert, Wolfgang Knapp, Muriel Carin, Emmanuel Bertrand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Deschaux-Beaume, Patrice Peyre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Laminage

Métaux -- Traitement thermomécanique

Soudage laser-arc

Résumé

Le procédé hybride laser-MAG est commercialement compétitif depuis quelques années grâce aux récentes améliorations des technologies laser. Il permet de souder des tôles de fortes épaisseurs en monopasse et d’augmenter la vitesse de soudage par rapport aux procédés à l’arc classiques. Après des années de recherche et développement, les verrous technologiques et scientifiques actuels concernent la qualité des cordons produits sur des matériaux aux propriétés mécaniques élevées et l’optimisation du procédé. L’acier S460ML est un acier laminé thermomécaniquement dont les bonnes propriétés mécaniques sont obtenues par une fine microstructure ferrito-perlitique. Grâce à son faible taux de carbone, il est peu sensible à la fissuration à froid mais sa microstructure et ses propriétés mécaniques peuvent être fortement impactées par les opérations de soudage. Le soudage hybride laser-MAG est un procédé adapté pour souder les aciers à haute limite d’élasticité avec une microstructure fine car il réduit la largeur de la zone affectée thermiquement (ZAT) en comparaison avec les procédés à haute productivité comme le soudage sous flux électroconducteur. Ces travaux s’intéressent aux conséquences du soudage hybride laser-MAG mono et bicathodes sur la macrostructure, microstructure et les propriétés mécaniques des cordons pleine-pénétration produits sur des tôles d’acier S460ML d’épaisseur 10 mm. Le défaut appelé « dropping » (création de goutte métallique au pied de la soudure) et ses conséquences sur la qualité des cordons sont également étudiés. Un modèle numérique simple est développé pour simuler les cycles thermiques dans le matériau durant le soudage MIG-MAG et hybride laser-MAG.

Hybrid Laser-GMA welding is commercially competitive for a couple of years due to recent improvements in laser technology. It is now possible to weld thick plates in a single pass and improve the welding speed compared to conventional welding processes. After years of research and development, current technological and scientific questions are about the quality of hybrid welds in advanced materials and process optimization. S460ML is a thermomechanically controlled process steel which strength is given by a fine-grained microstructure of ferrite and pearlite. Thanks to its low carbon content, it has a low tendency to cold cracking but its microstructure and mechanical properties can be highly impacted by welding operations. Hybrid Laser- GMA welding is a good candidate to weld high strength steels with a fine microstructure as it reduces the heat affected zone (HAZ) in comparison with high productivity processes such as submerged arc welding. This work investigates the consequences of hybrid laser-MAG process with one and two MAG torches on the macrostructure, the microstructure and the mechanical properties of fully penetrated welds produced on 10 mm S460ML steel plates. The “dropping” defect which is the creation of metal drops at the root of the weld and its impact on welds quality are also analyzed. A simple numerical model is developed to calculate the temperature cycle in the material during GMAW and hybrid laser-GMA welding.