Soudage par résistance du gainage combustible en acier ODS – Identification des phénomènes thermiques par la simulation numérique

Resistance upset welding of an ODS steel fuel cladding – Identification of the thermal and mechanical phenomena using a numerical simulation

¹ CEA, DEN, DM2S, SEMT, LTA, 91191 Gif-sur-Yvette, France
e-mail : fabien.corpace@snecma.fr; Arnaud.monnier@cea.fr
² CNRS, Université de Bordeaux, ICMCB, 87 avenue du Dr. A. Schweitzer, 33608 Pessac, France
e-mail : poulon@icmcb-bordeaux.cnrs.fr; manaud@icmcb-bordeaux.cnrs.fr

Reçu : 30 Mai 2011
Accepté : 21 Mars 2012

Résumé

Les aciers ODS (Oxide Dispersion Strengthened) sont des matériaux candidats pour la réalisation du gainage combustible des réacteurs nucléaires de Génération IV de type RNRNa. Leurs propriétés mécaniques à haute température sont assurées par une dispersion d’oxydes nanométriques qui peut être modifiée sous l’effet de la température et notamment lors du passage par l’état liquide. Afin de limiter les modifications de la structure des renforts lors de l’étape d’assemblage, le soudage en phase solide est recommandé. La méthode de soudage étudiée dans cet article est le soudage par résistance en bout. Afin de mieux comprendre les phénomènes thermomécaniques ayant lieu au cours de l’opération de soudage, une simulation numérique du procédé est développée à l’aide du logiciel de calcul par éléments finis SYSWELD. Les phénomènes thermiques et mécaniques impliqués au cours de l’opération de soudage sont mis en lien avec des mesures expérimentales. La simulation numérique est alors comparée à ces mesures. Dans un premier temps, la comparaison est menée avec des paramètres opératoires donnés puis dans un second temps, sur l’ensemble des paramètres opératoires de la plage de soudabilité. La simulation montre un bon accord thermique et une bonne représentativité des phénomènes mécaniques autorisant ainsi l’utilisation de la simulation numérique afin d’optimiser le procédé et prévenir l’endommagement de la structure des renforts pouvant mener à une perte des propriétés mécaniques à haute température et à la réduction de la durée de vie du composant.

Abstract

The ODS (Oxide Dispersion Strengthened) steels are candidate materials for fuel cladding in the Sodium Fast Reactor developed as a 4th generation nuclear power plants. Their good mechanical properties at high temperature are achieved by a dispersion of nanoscale oxides into the matrix. For these materials, fusion welding is not recommended because melting may induce a decrease of the mechanical properties at high temperature due to some modifications of the nanoscale oxides dispersion. Therefore solid state bounding has to be evaluated. This study is focused on the resistance upset welding process. In order to have a better understanding of the physical phenomena occurring during the welding, a numerical simulation using the finite element method software SYSWELD has been developed. The thermal and mechanical phenomena occurring during the process are linked to experimental measurements. The numerical simulation is compared to these measures on an operative point first and then the comparison is extended to the full process parameter range. The numerical simulation shows a good agreement with the thermal phenomena and a good ability to represent the mechanical phenomena. Therefore it is possible to use the numerical simulation in order to optimize the process parameter in order to avoid the modification of the dispersion of nanoscale oxides and to prevent the long term failure of the fuel cladding.