Accommodation des contraintes et déformations résiduelles dans les soudures multipasses sur fortes épaisseurs par introduction d’une variabilité de la composition du métal d’apport

Accommodation of residual stresses and strains in thick multi-pass welds by introducing variability in filler metal composition

• Auteur / Autrice : Juliette Théodore
• Direction : Bruno Courant, Laurent Couturier, Baptiste Girault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 01/12/2023
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes ; 2004-....)
• Jury : Président / Présidente : Aude Simar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Paillard, Frédéric Deschaux-Beaume
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Desrayaud, Sophie Berveiller
• DOI : 10.70675/2ccee9a6z1684z4749za187zb1cd70f33aab

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier inoxydable

Soudage

Mots clés libres

Contraintes

Déformations

Microstructures

Strains

Stresses

Microstructures

Résumé

L’assemblage de tôles de forte épaisseur nécessite de chanfreiner les pièces et de réaliser l’opération de soudage en multipliant les passes. Des phénomènes physiques complexes sont alors mis en jeu (thermiques, mécaniques et métallurgiques) donnant lieu à l’établissement de contraintes et déformations. Les contraintes résiduelles ainsi créées sont problématiques, puisqu’ajoutées aux contraintes extérieures imposées aux pièces en service, celles-ci peuvent diminuer la tenue mécanique des pièces et augmenter les risques de défaillance. Quant aux déformations, celles- ci sont à exclure, ou pour le moins à minimiser, notamment pour éviter les défauts d’alignement lors d’une séquence de soudage. Généralement, en soudage, un seul fil d’apport est utilisé et ce dernier est similaire à au moins un des métaux de base. Il est proposé ici d’utiliser le procédé TIG pour diminuer les déformations et les contraintes, dans le cas de dépôt et de soudures réalisées en acier inoxydable, en ajoutant un second fil d’apport ayant des propriétés significativement différentes du premier. L’ajout d’un second alliage peut se faire soit par alternance de dépôts des deux fils, pour amener à une architecturation de la pièce ou de la soudure, soit par mélange in situ des deux fils. Dans le cas des soudures, le mélange in situ permet de faire varier graduellement la proportion d’un fil par rapport à l’autre selon l’épaisseur du joint soudé. Une modélisation de la géométrie des dépôts TIG est proposée en utilisant la méthode disque permettant de prédire la forme des dépôts. Les phases en présence, les déformations et les contraintes résiduelles des pièces sont déterminées et sont comparées à celles des pièces réalisées avec un seul fil d’apport. Enfin, des simulations numériques par éléments finis de dépôt(s) TIG sont effectuées sur le logiciel COMSOL Multiphysics conjointement aux expérimentations permettant la simulation des champs de température, des contraintes et des déformations résiduelles.

In the field of welding, assembling of thick plates requires the chamfering of the base metal and the use of a multipass welding sequence. The process generates thermal, mechanical, and metallurgical phenomena resulting in the formation of residual strains and stresses. Residual stresses are especially problematic in structural assemblies, as they add to the external applied stresses during service, often reducing the in-service lifetime and increasing the risk of failure. Strains must be avoided or at the very least limited, as they can cause misalignments during welding sequence and lead to geometrical defects. Generally, during welding operations, the filler metal composition used is close or identical to at least one of that of the base metals of the parts to be joined. In addition, a single chemical composition of filler metal is used. The objective of this study is to use the TIG process to reduce strains and stresses in the case of stainless steel deposits and welds, by adding a second filler wire with significantly different properties to the first wire. The second alloy can be added to the weld either by using alternatively the two-filler metals, cord after cord, or by mixing them in situ. In the case of welds, in situ mixing allows the proportion of one wire to the other to be varied gradually according to the thickness of the welded joint. A model of the geometry of TIG deposits is proposed using the disc method to predict the shape of the deposits. The microstructures, strains and stresses of the parts are evaluated and compared with those of parts made with a single filler wire. Finally, finite-element numerical simulations of TIG deposits were carried out using COMSOL Multiphysics software, simulating stresses, strains and temperature fields in order to compare them with the experimental resu