Simulation de réparation par soudage et billage ultrasonore d’un alliage à base Nickel

by Jun Li

Doctoral thesis in Mécanique

Under the supervision of Daniel Nélias.

Thesis committee President: Claude Stoltz.

Thesis committee members: Daniel Nélias, Claude Stoltz, Laurent Barrallier, Geneviève Inglebert, Alain Combescure, Emmanuelle Rouhaud, Said Taheri, Vincent Robin.

Les rapporteurs étaient Laurent Barrallier, Geneviève Inglebert.

  • Alternative Title

    Simulation of repair welding mitigated by ultrasonic shot peening on Nickel based alloy


  • Abstract

    During a repair welding process, the first step is to remove the material in the defected area, then refill this chamfer by welding rods. Since, the nickel based alloy, such as IN600, is sensitive to the phenomenon of stress-corrosion cracking, it must be ensured that the level of residual stress after welding is lower than the triggering threshold of stress-corrosion cracking. At this stage, the ultrasonic shot peening (USP) process can be used as the final finishing step. The aim is to introduce compressive residual stresses on the surface of the welded area in order to prevent occurrence of cracking. The objective of this study is to predict the level of residual stresses, induced by the ultrasonic shot peening, on structure made of IN600 repaired by multipass welding. To achieve this objective, an experimental study of the ultrasonic shot peening was carried out. Experiments similar to the “Almen” test were performed on thin and thick specimens. Influential parameters were identified. Experimental results, such as the level of residual stresses, were obtained. The originality of this work is that a three-dimensional modeling of multiple impacts, based on a Semi-Analytical Method (SAM), was implemented. This method can reduce significantly the computing time compared to finite element method, without sacrificing the quality of results. This was first validated by benchmarks for both single and multiple impacts, then proved by experiments. Moreover, a numerical simulation of welding was performed. The field of welding residual stresses should be used as the input data for the impact model. In fact, in this study,the residual state,was generated by alternatif bending test. These specimens were then treated by USP process with the parameters identified previously. As the final step, numerical results in terms of distortions and residual stresses were compared with the experimental data in order to validate the chaining of welding and peening simulation.


  • Abstract

    Lors de la réparation d’un défaut, le processus consiste à éliminer la matière dans la zone englobant le défaut, puis à recharger cet affouillement par un dépôt de cordons de soudure, afin de remettre en conformité la pièce en vérifiant les critères de conception. Pourtant la zone rechargée constitue en elle-même un site sensible où le niveau des contraintes résiduelles peut être préjudiciable de par son importance, notamment localement, s’il porte des contraintes de traction. Les risques de récidive d’endommagement pourraient être réduits par certains procédés de parachèvement. Ces procédés permettent de générer une zone de compression en peau externe et en sous couche de la pièce traitée. Par conséquent, la durée de vie d’une pièce ainsi parachevée pourrait être augmentée. Parmi les procédés existants, nous nous intéresserons dans cette étude à la mise en compression par billage ultrasonore. L’objectif de cette contribution est de prédire le niveau des contraintes résiduelles induites par le billage sur une pièce rechargée par soudage multi-passes. Pour mener à bien cet objectif, une étude expérimentale du billage a été réalisée sur des éprouvettes minces et épaisses afin d’identifier les paramètres influents et de disposer d’une base de résultats expérimentaux – comme par exemple la répartition quantitative des contraintes résiduelles dans la matière traitée – à confronter à la simulation. L’originalité de ce travail est de mettre en œuvre, en termes d’évaluation, une modélisation tridimensionnelle représentant correctement les phénomènes locaux et basée sur un modèle semi-analytique. Ce modèle numérique présente l’avantage de temps de calcul considérablement réduits par rapport aux méthodes éléments finis plus conventionnelles, sans pour autant sacrifier à la qualité des résultats. Pour cette application, ce modèle semi-analytique a été validé par des benchmarks aux éléments finis dans le cas de mono et multi impacts. Puis cette approche prédictive a été validée par l’expérience. Enfin, une simulation numérique du soudage a été réalisée afin de disposer d’un champ de contraintes résiduelles de soudage. Les résultats des calculs, obtenus par chaînage de simulations numériques des procédés de soudage puis de billage, ont ensuite été confrontés aux grandeurs mesurées sur des éprouvettes initialement précontraintes par flexions alternées puis billées selon des paramètres du processus identifiés antérieurement. L’état précontraint (qu’il provienne de la thermique du soudage ou de l’écrouissage de flexion alternée) a été introduit en données d’entrée, en tant que pré-chargement, dans le modèle numérique simulant les impacts.


It's available in the institution of thesis defence.

Consult library

Version is available

Where is this thesis?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc’INSA. Bibliothèque numérique.
See the Sudoc catalog libraries of higher education and research.