DS03 - Stimuler le renouveau industriel

La métallurgie numérique au service des procédés de soudage à l’arc: Des matériaux virtuels pour maîtriser les défauts – NEMESIS

Résumé de soumission

Des matériaux métalliques de type, nature ou propriétés dissimilaires sont assemblés lors des opérations de soudage, conduisant à une pièce offrant de nouvelles fonctionnalités. Cependant, lors du refroidissement, la solidification amène au développement de défauts spécifiques dans le cordon, liés aux choix des matériaux et paramètres procédés [Wel01,Kou02]. Ainsi, un mince film de liquide peut subsister entre les bras dendritiques, dans une structure subissant des contraintes thermiques élevées, amenant à des défauts de fissuration à chaud. De manière similaire, lors des mêmes étapes de solidification, la formation d’intermétalliques fragiles, induites par les processus de microségrégation, est couramment observée. Ces défauts doivent être attentivement contrôlés tant au regard des critères de qualité que de tenue mécanique ou en fatigue élevés attendus des industriels. Ce contrôle est particulièrement évident au regard des attentes de sécurité dans les domaines automobile, aérien ou de l’énergie, le risque empirant par l’utilisation récente de matériaux avancés, de processus innovants ou de géométries complexes. Ces défauts et leurs conséquences sont des barrières à l’efficacité des procédés de soudage en milieu industriel. Le projet NEMESIS propose une approche générique supprimant ces barrières par l’utilisation de matériaux virtuels dans un partenariat équilibré entre modélisation, expérience et valorisation.
Le projet développera ainsi une modélisation fiabilisée de la croissance des grains en soudage et de la formation des défauts associés en considérant les processus complexes se déroulant durant les étapes de fusion/solidification. Des observations in-situ sur des bancs instrumentés étudieront les mécanismes de croissance des structures, et des défauts de fissuration pour déterminer les critères locaux de développement de ces derniers (ICB, LMGC). Simultanément la structure de grain et les défauts formés seront modélisés dans une approche CAFE multi-physique couplant résolution éléments finis et automates cellulaires (ARMINES-CEMEF). La croissance des grains à l’échelle mésoscopique sera ainsi couplée à la résolution macroscopique des équations de conservation dans une approche intégrant les évolutions thermomécaniques et solutale. Ce modèle offrira, au final, des microstructures virtuelles réalistes similaires à celles observées industriellement.
En complément, les approches ultrasonores de contrôles non destructifs (CND) utilisées pour détecter, localiser et estimer ces défauts bénéficieront de ces développements. En effet, les structures et les morphologies de défauts simulés seront utilisées comme entrées des logiciels CIVA (CEA LIST) et ATHENA (EDF R&D) destinés aux inspections ultrasonores. L’interaction des ondes avec les grains, dont les conséquences sont importantes sur la performance des outils CND, et les échos des défauts seront ainsi simulés sur les matériaux numériques. Les effets des microstructures virtuelles et des morphologies, positions, formes et orientations de fissures seront montrées, complétés par l’étude de l’influence des phases intermétalliques qui sera aussi un point d’intérêt. La validation du modèle sera conduite dans des configurations industrielles. Ainsi, les microstructures de solidification et la formation des fissures dans des équipements soudés seront investigués à travers les études réalisées sur les équipements nucléaires (EDF R&D) et le développement de phases fragilisantes dans les aciers automobiles renforcés au manganèse (ArcelorMittal).
Les logiciels simulant les procédés de soudage (TRANSWELD/TRANSVALOR) et le contrôle des défauts (CIVA, ATHENA) bénéficieront de cette recherche et valoriseront les résultats de NEMESIS. Ce projet correspondra à une percée dans la maîtrise et le contrôle des procédés de soudage à l’arc à travers l’apport des matériaux virtuels et à une avance technologique indéniable en réponse aux besoins et attentes industrielles actuels.

Coordination du projet

Gildas GUILLEMOT (ARMINES)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

AM MTT ARCELORMITTAL ATLANTIQUE LORRAINE
CEA LIST / DISC CEA SACLAY
TSV TRANSVALOR
EDF R&D EDF R&D SITE LES RENARDIERES
ARMINES ARMINES
LMGC Laboratoire de mécanique et génie civil
LICB Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne

Aide de l'ANR 670 569 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2018 - 42 Mois

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