Modélisation de la structure de grain et de la fissuration à chaud dans les procédés de soudage à l'arc

par Chengdan Xue

Thèse de doctorat en Mécanique numérique et Matériaux

Sous la direction de Charles-André Gandin et de Michel Bellet.

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de École doctorale Sciences fondamentales et appliquées , en partenariat avec Centre de Mise en Forme des Matériaux (laboratoire) , Structures et Propriétés dans les Procédés de Solidification (equipe de recherche) et de MINES ParisTech (établissement opérateur d'inscription) .


  • Résumé

    Le soudage est un processus d'assemblage permanent qui doit assurer la continuité du matériau. Pourtant, pendant la solidification, plusieurs types de défauts comme la fissuration à chaud peuvent se développer, entraînant une diminution de la qualité de la soudure et des performances des pièces. La prise en compte de la structure de grains produite lors du procédé de soudage est ici étudiée pour adapter un critère en déformation cumulée capable de prédire l'occurrence de la fissuration à chaud. Un modèle tridimensionnel couplant Automate Cellulaire et Éléments Finis (CAFE) est tout d'abord appliqué pour simuler la structure de grain du procédé GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) avec ou sans apport de matière, pour les configurations de tôle et de chanfrein. Toutes les configurations sont dédiées au soudage des aciers inoxydables austénitiques étudiés expérimentalement par les partenaires du projet ANR NEMESIS. Un nouveau modèle de source de chaleur est proposé et pour le soudage en chanfrein. La structure de grain simulée est comparée aux observations expérimentales réalisées par la technique de diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD). Une bonne cohérence est trouvée concernant la texture des grains (cartes EBSD et figures de pôles) une fois que les conditions thermiques correspondantes sont obtenues, validées par la taille et la forme du bain de fusion déduites d'observations in-situ en temps réel. Des conditions de soudage fissurant et de non-fissurant sont étudiées en exploitant des données expérimentales rapportées dans la littérature. Les résultats des simulations exploitant le critère en déformation cumulée permettent bien de distinguer les cas avec et sans fissuration. L'influence de la structure de grain simulée par l'approche CAFE est considérée. Des résultats similaires sont obtenus, démontrant la faisabilité d'enrichir le critère et une cohérence avec les observations expérimentales. Des discussions sont finalement proposées comme perspectives pour ces activités. La validation du critère de fissuration à chaud avec plus de configurations de soudage est souhaitable, les contrôles non destructifs (CND) par onde ultrasonore actuellement utilisés pour détecter et localiser la fissuration à chaud pourraient également bénéficier des structures de grains simulées, et une exploitation plus approfondie de la structure dans un critère de fissuration à chaud est envisagée.

  • Titre traduit

    Modeling of grain structure and hot cracking for arc welding processes


  • Résumé

    Welding is a permanent assembly process aimed at ensuring the continuity of the material. However, during the solidification stage, several types of defects such as hot cracking develop, leading to a decrease of the weld quality and part performances. Virtual grain microstructure would provide valuable information to enhance literature criterion on defects occurrence and to provide better understanding on their development. In this work, the 3D Cellular Automaton – Finite Element (CAFE) method is applied to simulate the grain structure formation during Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) process with or without added material for metal sheet or chamfer configurations. All simulations are dedicated to austenitic stainless steel welding. The simulated grain structure is compared with experimental observations developed in the present partnership of ANR project NEMESIS. New heat source model is also proposed and dedicated to welding in chamfer configuration. A good coherence is found regarding the grain texture (EBSD map and pole figures) once the corresponding thermal conditions (e.g. melt pool shape) are obtained. Besides, a strain based hot cracking criterion is computed considering a GTAW process developed upon a metal sheet. Both cracking and non-cracking conditions are investigated regarding some experiments reported in the literature. Results of the welding simulations are coherent with these experimental observations to distinguish cases using criterion. Furthermore, the grain structure simulated by CAFE method is considered thereafter in order to investigate the influence of grain structure on hot cracking. Despite similar results as that without grain structure are obtained, a coherency with experimental observations is found. Some discussions are thereafter proposed as a perspective for these activities, for example, validation of the WYSO hot cracking criterion with more welding configurations. In addition, the current ultrasonic Non Destructive Testing (NDT) used to detect and localize the hot cracking could also benefit from the reliable simulated grain structure to analyze and improve the NDT software performances.