Contraintes déformation

P. Paillard, L. Couturier

Au cours des opérations de soudage et de fabrication additive métallique, il peut se produire des déformations des assemblages et des pièces. Dans le cas du soudage, on vient généralement brider les pièces ce qui diminue les déformations mais engendre des contraintes dans les matériaux. Ces deux phénomènes sont dus aux cycles thermiques que subissent les assemblages et les pièces. Afin de diminuer au maximum les déformations et les contraintes, il convient de les quantifier et de connaitre les paramètres prépondérants les influençant afin de mettre en place des stratégies de diminution de ces phénomènes. Pour cela nous mettons en placeavons des approches expérimentales et numériques.

Mots-clés : Soudage, Fabrication Additive Métallique, Contraintes résiduelles, Déformations

 

 

 Lors de la fabrication additive métallique de pièces, par exemple par WAAM (Wire and Arc Additive Manufacturing) comme dans le cas du parallélépipède rectangle présenté en Figure 1, ces dernières sont susceptibles de se déformer et de déformer le substrat. Nous cherchons à développer des modèles numériques afin de prédire les déformations et les contraintes résiduelles dans des pièces de Fabrication Additive Métallique (Arc-Fil et Laser-Fil) ainsi que dans des assemblages soudés. Afin que nos modèles soient les plus prédictifs possibles, nous combinons dans nos modèles la thermique, la métallurgie et la mécanique.

Figure 1 : dépôt WAAM d’une pièce massive en acier inoxydable austénitique 304L sur substrat de 4 mm d’épaisseur en 304L

 

La Figure 2 montre une mesure de déformation sur un mur mono-cordon effectuée à l’aide d’un scanner Laser 3D. nous avons montré sur un certain nombre d’exemples, l’influence des paramètres de dépôt sur la déformation : bridage, énergie de soudage, stratégie de dépôt,

Figure 2 : mesure par scanner Laser de la déformation d’une pièce WAAM (mur mono-cordon) en acier inoxydable 304L

 

En parallèle de ces expériences ; nous avons développé en collaboration avec des collègues de l’IRDL à Lorient des modèles numériques. Après avoir sélectionné et testé le type de distribution de l’énergie sur le substrat, nous avons réussi à reproduire la géométrie d’un cordon de dépôt (Figure 3), puis d’une série de cordon formant ainsi un mur (Figure 4). La partie thermique de la modélisation numérique étant correcte (Figure 5), nous avons simulé la partie mécanique afin de déterminer les déformations du substrat et de la pièce (Figure 6). Dans cette première approche, nous avons minimisé l’effet de la métallurgie. En effet, le cas d’étude étant une pièce en acier inoxydable austénitique (304L), nous avons pu négliger les transformations métallurgiques à l’état solide du matériau. Par contre, comme on peut le voir sur la Figure 6, le choix du type de source énergétique n’est pas sans conséquence.

Figure 3 : modélisation thermique par éléments finis d’un premier cordon de dépôt WAAM

 

Figure 4 : modélisation d’une pièce WAAM multi-cordon et comparaison avec l’expérience

 

Figure 5 : comparaison entre les températures dans la pièce simulées et mesurées

 

Figure 6 : comparaison entre les déformations mesurées du substrat en acier inoxydable austénitique et les déformations simulées selon 2 modèles : Goldak, Zone Fondue Mobile

 

Afin de complexifier nos études, nous sommes passés sur l’étude d’un matériau qui possède des transformations métallurgiques à l’état solide (austénitisation au chauffage et transformation martensitique au refroidissement) : l’acier inoxydable martensitique 415. De ce fait, nous allons pouvoir faire des modélisations numériques en prenant en compte la thermique, la métallurgie et la mécanique. Les premières expérimentations que nous avons réalisées sont présentées sur la Figure 7. On voit sur cette figure la grande influence de la stratégie de dépôt (les cordons faits les uns derrière les autre sans pause (a), une pause de 150 secondes entre chaque cordon mais sans atteindre la température de début de transformation martensitique lors du dépôt de chacun des cordons (b), un refroidissement complet entre chaque cordon et donc autant de transformations martensitiques que de cordon (c)) sur la forme des pièces obtenues (d, e, f) et au final sur la déformation de la pièce et du substrat (g, h, i).
 

 

a                                                              b                                                              c

d                              e                             f

g                                                        h                                                        i

Figure 7 :  influence de la stratégie de dépôt sur les déformations des pièces en acier inoxydable martensitique : (a), (d) et (g) les couches sont déposées sans pause entre les couches ; (b), (e) et (h) une pause de 150 secondes est faite entre chacune des couches ; (c), (f) et (i) une pause est mise en place jusqu’à refroidissement jusqu’à température ambiante de la pièce entre chaque couche. (a), (b) et (c) : enregistrement des cycles thermiques ; (d), (e) et (f) : macrographies ; (g), (h) et (i) : mesures des déformations

 

Les travaux ci-dessus sont extraits des travaux de thèse de Lauriane GUILMOIS (Projet PERFORM de l’IRT Jules Verne, co-tutelle avec l’IRDL) et vont être poursuivis dans la cadre de la thèse de Clément LE FAHLER (Projet PERFORM de l’IRT Jules Verne, co-tutelle avec l’IRDL).

Dans le cadre de la thèse de Juliette THEODORE (Projet PERFORM de l’IRT Jules Verne, co-tutelle avec le GeM), nous allons aborder les phénomènes de déformation et de contraintes résiduelles dans le cadre d’assemblages de tôles de forte épaisseur. Dans ce cas, l’approche sera plus métallurgique avec l’emploi d’un ou de plusieurs métaux d’apports afin de diminuer ces phénomènes sans altérer la tenue mécanique de l’assemblage.

Collaborations

IRT Jules Verne, IRDL, GeM, NAVAL GROUP