Évolution des contraintes résiduelles des assemblages soudés sous sollicitations mécaniques - Étude et modélisation

Welding residual stresses evolution under mechanical loading - Study and modelling

• Auteur / Autrice : Hugo Tryla
• Direction : Laurent Barrallier, Lorène Héraud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 14/03/2022
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de thermique, écoulement, mécanique, matériaux, mise en forme, production (Valenciennes, Nord ; 2010-2014) - Laboratoire de thermique, écoulement, mécanique, matériaux, mise en forme, production (Valenciennes, Nord ; 2010-2014)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Louis Castex
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Barrallier, Lorène Héraud, Louis Castex, Manuel François, Sylvain Calloch, Philippe Bristiel, Mohamed El May, Bastien Weber
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Manuel François, Sylvain Calloch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Fatigue

Thèses et écrits académiques

Rayons X -- Diffraction

Mots clés libres

Structures soudées

Evolution de contraintes résiduelles

Diffraction des rayons X

Fatigue polycyclique

Welded structures

Residual stresses evolution

X-Ray Diffraction

High cycle fatigue

Résumé

Les procédés de soudage à l'arc avec apport de matière sont largement appliqués dans l'industrie automobile pour l'assemblage de composants de liaison au sol (LAS) en acier. Une opération de soudage génère d'importants gradients thermiques, métallurgiques et de propriétés mécaniques. Ces gradients sont à l'origine de contraintes résiduelles qui influent sur la tenue en service des structures soudées. L'objectif de ce projet de thèse est d'étudier leurs évolutions sous des sollicitations mécaniques de fatigue. Des analyses de contraintes résiduelles par diffraction des rayons X ont été menées sur des éprouvettes soudées et sur des triangles de suspension à l'état « brut de soudage » et « sollicité ». Ces études ont montré que le suivi des évolutions de contraintes sous sollicitations mécaniques nécessite une caractérisation des états mécaniques et métallurgiques initiaux. En se basant sur des études de cas critiques au dimensionnement de composants LAS, trois géométries de structures soudées simples ont été conçues. Les limites d'endurance de chacune des structures ont été déterminées à un million cycles en traction pure (R=0,1). Des essais de fatigue interrompus, dans le domaine polycyclique, ont été menés sur les trois structures aux limites d'endurance préalablement déterminées. Des cartographies des champs de contraintes résiduelles en surface, avant et après sollicitations ont été réalisées. Ces analyses mettent en évidence l'évolution des contraintes résiduelles dans le domaine polycyclique. En pied de cordon, une diminution de l'ordre de 40% est observée tandis que dans certaines zones des structures, les contraintes subsistent. Des essais in-situ ont permis d'identifier les cinétiques d'évolutions de contraintes à l'échelle des structures. Dans le sens des sollicitations, les contraintes évoluent sous chargement quasi-statique avec des évolutions détectées pour des charges de l'ordre de 10% de la lim ite d'endurance. Les analyses de contraintes menées sur les trois structures montrent que les évolutions de contraintes résiduelles de soudage sont dues à des effets locaux et structuraux. Afin d'intégrer le phénomène d'évolution de contraintes résiduelles à la méthodologie de dimensionnement des composants LAS de Stellantis, des simulations numériques du procédé de soudage ont été réalisées sur des modèles 3D des structures de l'étude. Un chainage de simulations procédé-chargement, recalées sur les données expérimentales, permettra, à terme, d'optimiser les paramètres des modèles applicables aux composants LAS dans le but d'améliorer la prédictivité du dimensionnement des assemblages soudés.

Gas metal arc welding processes are widely applied in the automotive industry for the assembly of steel suspension parts. A welding operation generates significant thermal, metallurgical and mechanical property gradients. These gradients cause residual stresses that affect the mechanical response and service life of the welded structures. The objective of this thesis project is to study their evolution under mechanical fatigue loading. Residual stress analyses by X-ray diffraction were carried out on welded specimens and on suspension parts in the "as-welded" and "post-loading" states. These studies have shown that the monitoring of stress changes under mechanical stresses requires a characterisation of the initial mechanical and metallurgical states. Based on critical case studies for the design of welded suspension parts, three simple welded structure geometries were designed. The endurance limits of each structure were determined for a million cycles in pure tension (R=0.1). Interrupted fatigue tests, in the high cycle fatigue domain, were conducted on the three structures at the previously determined endurance limits. Mapping of the residual stress fields on the surface, before and after loading, was carried out. These analyses highlight the evolution of residual stresses in the polycyclic domain. At the foot of the bead, a decrease of around 40% was observed, while in certain areas of the structures, the stresses remained. In-situ tests were used to identify the kinetics of stress evolution at the scale of the structures. In the direction of loading, the stresses evolve under quasi-static loading with evolutions detected for loads of the order of 10% of the endurance limit. The stress analyses carried out on the three structures show that the changes in residual welding stresses are due to local and structural effects.