Étude de la sensibilité à la fissuration à chaud d’un alliage CuCrZr au cours du soudage par faisceau d’électrons

Hot tearing susceptibility of a CuCrZr alloy during electron beam welding

¹ Laboratoire de Simulation des Matériaux (LSMX), École Polytechnique Fédérale de Lausanne, MXG 338, Ecublens, Lausanne, 1015, Suisse
e-mail: jean-marie.drezet@epfl.ch
² CEA, DEN, DM2S, SEMT, LTA, 91191 Gif-sur-Yvette, France
e-mail: danielle.ayrault@cea.fr; jean.wisniewski@cea.fr; michel.barras@cea.fr
³ Laboratoire d’Ingénierie des Matériaux de Bretagne (LIMatB), Université de Bretagne-Sud/UEB, Centre de Recherche,, rue de Saint-Maudé, BP 92116, 56321 Lorient Cedex, France
e-mail: philippe.pilvin@univ-ubs.fr; demis.carron@univ-ubs.fr
⁴ Le Bronze Industriel, Z.I. Voie de Châlons, RD 977, 51600 Suippes, France
e-mail: fprimaux@lebronzeindustriel.com

Reçu : 25 Mai 2010
Accepté : 27 Octobre 2010

Résumé

L’alliage CuCrZr est utilisé dans les machines fusion notamment pour des composants refroidis face au plasma, à cause de ses bonnes propriétés thermiques et mécaniques. Cependant, le retour d’expérience sur plusieurs tokamaks, et plus particulièrement Tore Supra en France, a montré que cet alliage est très sensible au phénomène de fissuration à chaud au cours de son assemblage par faisceau d’électrons avec apparition de fissures de solidification dans la zone pâteuse. Afin de caractériser la sensibilité de l’alliage à la fissuration à chaud, des essais de fissuration basés sur l’essai JWRI (Joining and Welding Research Institute) ont été menés. Une ligne de fusion par faisceau d’électrons est réalisée sur une éprouvette parallélépipédique de faible épaisseur équipée avec des thermocouples et maintenue à une de ses extrémités. Selon la largeur de l’éprouvette, l’essai est fissurant on non fissurant. En effet, lorsque la largeur de l’éprouvette diminue, les conditions thermo-mécaniques favorables à l’apparition d’une fissure peuvent apparaître. Les essais JWRI ont ensuite été analysés à l’aide de la simulation numérique et différents critères d’amorçage de la fissuration à chaud ont été appliqués. Les propriétés thermo-physiques et thermo-mécaniques manquantes de l’alliage CuCrZr et nécessaires pour la mise en place des modèles ont été déterminées en associant des essais en laboratoire et une analyse numérique. La déformation et la vitesse de déformation viscoplastiques considérées comme indicateurs thermo-mécaniques au regard de la fissuration à chaud ont été calculées. Les conditions d’amorçage de la fissuration à chaud sont ensuite comparées aux conditions de propagation d’une fissure en utilisant une approche numérique simple.

Abstract

The precipitation hardened CuCrZr alloy is used in fusion machines for the heat sink of intensely cooled plasma facing components due to its good thermal and mechanical properties. Albeit, the feedback from its application in Tore Supra (French Tokamak) showed that this alloy is very sensitive to hot tearing during electron beam welding. The solidification cracks occur in solidifying parts undergoing tensile stresses transmitted to the mushy zone by the coherent solid underneath. In order to characterize the hot tearing susceptibility of the CuCrZr alloy, welding tests based on the investigations of the Joining and Welding Research Institute (JWRI) have been performed. Electron beam fusion lines are realized on a thin parallelepipedic plate equipped with thermocouples and clamped at its extremity. As the width of the plate decreases, conditions leading to the formation of hot tears appear in the run-in, thus definig a critical width hot tearing wise. The JWRI welding tests are then analysed by means of numerical modelling and available hot tearing criteria. Missing thermophysical and thermomechanical properties of the CuCrZr alloy are determined by associating laboratory tests and numerical analysis. The viscoplastic strain and viscoplastic strain rate undergone by the solidifying alloy are considered as hot tearing indicators. The indicators values at the onset of the hot tearing are determined for this alloy. In addition, HT initiation conditions are compared with propagation conditions using a simple numerical approach.