Établissement d’un critère numérique de fissuration à froid

¹ AREVA NP, Centre Technique, BP 40001, Saint Marcel, 71328 Chalon-sur-Saône, France
christophe.primault@areva.com
² AREVA NP, Département d’ingénierie mécanique, 69456 Lyon, France

Reçu : 19 Juin 2014
Accepté : 28 Octobre 2014

Résumé

Les aciers faiblement alliés présentent une certaine sensibilité au risque dit de fissuration à froid au soudage. Ce risque apparaît dans les zones de trempe martensitique, par l’action conjointe de la présence d’hydrogène, introduit par l’opération de soudage, et des contraintes de retrait. Face à ce risque, les soudeurs sont amenés à prendre des précautions opératoires pour l’obtention de soudures saines. Outre le retour d’expérience, la définition des paramètres opératoires à mettre en œuvre est souvent issue de résultats d’essais de fissuration normalisés généralement très conservatifs. Grâce aux progrès de la simulation numérique de nouvelles perspectives s’ouvrent pour une meilleure maîtrise des facteurs influents intervenant dans la fissuration à froid. Elle peut aussi à terme être d’une grande aide pour la définition et la justification de la mise en œuvre de précautions opératoires spécifiques dans des cas où les essais empiriques ne permettraient pas de répondre au besoin par excès de conservatisme. Ce papier présente les travaux réalisés dans le cadre du développement d’un outil numérique prédictif du risque de fissuration à froid au soudage multipasses des aciers type 16MND5 (SA 508 Gr3 Cl1). Les premiers développements exposés dans ce document utilisent, comme cas d’étude et de recalage, un essai monopasse normalisé dit « essai sur implant » sur acier 16MND5 à l’électrode enrobée. Une caractérisation de la zone affectée thermiquement obtenue est d’abord présentée en termes de microstructure et de microdureté, données primordiales vis-à-vis du risque de fissuration à froid. L’influence de la présence d’hydrogène sur les caractéristiques mécaniques de la martensite est aussi abordée en vue de la détermination d’un critère numérique de fissuration. Des simulations numériques réalisées avec le logiciel SYSWELD^® (thermo-mécanico-métallurgique avec diffusion d’hydrogène) sont confrontées à des résultats expérimentaux. Il est ainsi mis en avant des besoins en termes d’amélioration des modèles métallurgiques existants, quand bien même l’outil a déjà fait ses preuves pour des applications prédictives en termes de déformations et contraintes résiduelles dues au soudage.

Abstract

Low alloy steels present certain sensitivity to the so called cold cracking risk at welding. That risk takes place in the quenched martensitic zones, with the presence of hydrogen coming from the welding operation and appearance of the residual stresses at cooling. Facing that risk, welders have to take operating precautions to get safe welds. Besides the return of experience, the specification of the welding parameters often comes from standardized cracking tests, generally very conservative and empirical. Improvements of the numerical simulation offer new perspectives for a better mastering of the influential parameters involved in cold cracking. In the end it can also become of great help for the definition and justification for the use of specific welding precautions where the empirical tests may not fit the need due to excessive conservatism. The paper presents the work done within the framework of the development of a predictive numerical tool for the assessment of cold cracking risk during multipass welding of 16MND5 (SA 508 Gr3 Cl1) type steels. The first developments presented here are based on the monopass standardized “implant test” on a 16MND5 steel with covered electrodes. The characterization of the heat affected zone obtained in that configuration is first set in terms of microstructure and microhardness, these data being essential regarding cold cracking risk. The influence of the presence of hydrogen on the martensite’s mechanical characteristics is also discussed as the first inputs for setting a numerical cracking criterion. Some results of the numerical simulation using SYSWELD^® (thermo-metallurgical and mechanical tool with hydrogen diffusion) are compared with those from the experimentation. Thus are emphasized the metallurgical data needed for the development of such numerical simulation even if the tool used has already been prooved to be reliable when used to predict strains and residual stresses after welding.