Caractérisation et modélisation d’assemblages de tôles en acier inoxydable austénitique brasées et soudées pour des applications d’échangeurs de chaleur

Characterization and modelization of austenitic stainless steel brazed and welded plates for heat exchangers applications

• Auteur / Autrice : Loïc Mouelle
• Direction : Éric Fleury, Jérôme Serri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 18/06/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Hamid Zahrouni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Fleury, Jérôme Serri, Anne-Marie Habraken, Philippe Pilvin, Cécile Bernardi, Iryna Tomashchuk
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Marie Habraken

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés thermomécaniques

Alliages réfractaires

Effets de la température

Matériaux -- Fissuration

Soudage

Brasage

Acier inoxydable austénitique

Mots clés libres

Brasage

Soudage TIG hétérogène

Acier inoxydable

Superalliage de nickel

Fissuration à chaud

Loi de comportement

Comportement thermomécanique

Brazing

Dissimilar TIG welding

Stainless steel

Nickel-based superalloy

Hot cracking

Constitutive modeling

Thermomechanical behavior

Résumé

L’objectif de cette étude repose sur un contexte industriel, dans lequel, des échangeurs de chaleur à haute pression, composés de plaques et d’ondes en acier inoxydable austénitique 316L, sont brasés avec un alliage Ni-Cr-Fe-Si (BNi-5), puis soumis à un procédé de soudage multipasse TIG (Tungsten Inert Gas), avec un métal d’apport en superalliage de nickel Inconel 625. Due à leur microstructure et composition chimique hétérogène, la rupture des joints brasés peut survenir pendant les opérations de soudage. Dans un premier temps, des études microstructurale et chimique sont réalisées à l’interface de liaison entre le métal de base, les joints brasés et les cordons de soudure, afin de comprendre les phénomènes liés à l’origine de la rupture. Les résultats montrent qu’un cycle de brasage favorisant la formation d’un joint brasé monophasé de γ-Ni, permet d’éviter la rupture des joints brasés pendant le soudage. Cependant, la présence de Si intergranulaire peut impliquer la formation de micro-fissures à chaud dans les joints brasés contenus dans la ZAT. L’étude du GOS (Grain Orientation Spread) au travers des mesures EBSD, a également permis de quantifier la magnitude de la déformation plastique dans la ZAT, induite par le procédé de soudage. Une énergie de soudage inférieure à 1100 J/mm limite la déformation plastique des assemblages brasés. Des essais de nanoindentation et de traction sont également réalisés à température ambiante afin de déterminer les propriétés mécaniques des assemblages brasés. Les résultats des essais de traction montrent que la rupture survient dans le 316L, lorsque les joints brasés sont monophasés γ-Ni. Dans un second temps, une loi de comportement originale thermodynamiquement consistante, dédiée aux applications de soudage, est présentée pour décrire le phénomène de restauration de l’écrouissage dans les métaux pendant un traitement thermique de recuit. Les équations constitutives sont basées sur une formulation thermo-élasto-plastique classique, et améliorées par l’ajout d’une nouvelle variable interne qui contrebalance l’effet de l’écrouissage à travers une loi d’évolution dépendante de la température. La loi de comportement est implémentée dans un solveur EF ABAQUS/Standard à l’aide d’une subroutine utilisateur (UMAT). L’identification des paramètres du modèle est obtenue à l’aide d’essais de compression et de traitements thermiques sur un acier inoxydable austénitique 316L. De plus, des mesures de contraintes résiduelles sont effectuées sur une plaque soudée et comparées aux valeurs calculées par simulation numérique, afin d’évaluer les capacités du modèle. Les valeurs obtenues numériquement sont en adéquation avec les valeurs expérimentales. Enfin, des simulations tridimensionnelles du soudage multipasse sont réalisées dans le but d’estimer les champs de contrainte et de déformation lors du soudage TIG d’un échangeur de chaleur. Les contraintes maximales se développant dans la ZAT pendant le soudage peuvent atteindre 600 MPa, dès le refroidissement de la première passe. Ainsi, les résultats numériques sont en accord avec les observations expérimentales, qui indiquent qu’en cas de rupture des joints brasés lors du soudage, celle-ci apparait lors des premières passes, au cours du refroidissement.

The aim of the study relies on an industrial context, in which, high pressure Plate Fin Heat Exchangers (PFHE) made of austenitic stainless steel 316L, are brazed with Ni-Cr-Fe-Si (BNi-5) alloy, then followed by dissimilar multipass TIG (Tungsten Inert Gas) welding process with nickel-based superalloy Inconel 625, used as filler metal. Due to their heterogeneous microstructure and chemical composition, fractures of brazed joints may appear during the welding of brazed assembly. Firstly, microstructural and chemical characterizations are made at the bonding interface between base metal, brazed joints and weld beads, to understand the fracture phenomena. Results show that a brazing cycle promoting the formation of γ-Ni single phase brazed joints, allows avoiding the fracture of brazed joints during welding. However, intergranular Si may involve the formation of hot cracks in brazed joints located in HAZ. The study of GOS (Grain Orientation Spread) through EBSD measurements, allows quantifying the magnitude and spatial distribution of plastic deformation in the HAZ after welding. A welding energy under 1100 J/mm limits the plastic deformation of brazed assemblies. Nanoindentation and tensile tests are also carried out at room temperature to determine the mechanical properties of brazed assembly. The results of tensile tests show that fracture occurs in the 316L, when brazed joints are formed by a γ-Ni single phase. Secondly, an original thermodynamically consistent modeling approach, dedicated to welding applications, is presented to describe the phenomenon of hardening recovery in metals during annealing heat treatment. The constitutive equations are based on a classical thermo-elasto-plastic formulation which is enhanced by a new recovery variable counterbalancing the effect of the hardening through a temperature-dependent evolution law. The model is implemented into the FE solver ABAQUS/Standard with the help of a User Material subroutine (UMAT). The identification of the model parameters is achieved through experimental compressive tests and heat treatments on 316L austenitic stainless steel. In addition, to evaluate the capabilities of the model, residual stress measurements are carried out on a welded plate and compared to values computed by numerical simulation. The obtained values match the experimental measurements. Finally, three-dimensional simulations of multipass welding are realized to estimate the stress and deformation fields during TIG welding process of a heat exchanger. The maximum stress in HAZ may reach 600 MPa during the cooling of the first welding pass. Thus, the results of numerical simulation are in agreements with the experimental observations, indicating that in case of fracture of brazed joints during welding, the fracture occurs from the cooling of the first passes.