Modélisation 3D de la structure cristalline des soudures austénitiques épaisses multi-passes réalisées en position par le procédé TIG. Application au contrôle non destructif par ultrasons. – MINA3D

La démonstration de sécurité et l'allongement de la durée de vie des systèmes industriels complexes (nucléaires, ...) reposent sur le contrôle non destructif (CND) périodique des pièces soudées. Pour les soudures épaisses (30 à 70 mm), en acier inoxydable austénitique, la méthode ultrasonore pour la détection de défauts est la seule possible. Elle est cependant très complexe car l'hétérogénéité et l'anisotropie des soudures induisent des perturbations dans la propagation des ultrasons qui faussent le diagnostic.
La meilleure solution (non destructive) consiste à modéliser la propagation ultrasonore, mais cela nécessite la description fine de la structure cristalline réelle de la soudure. Exceptés les travaux du LMA qui ont permis de valider le modèle de description de soudure MINA 2D, les modèles 2D existants fournissent soit une description simplifiée de la croissance cristallographique, basée sur une hypothèse de symétrie, soit une description plus réaliste, mais au prix d'une instrumentation et d'un temps de calcul élevé. De plus, aucun modèle n'existe pour une soudure réalisée en position, lorsque la solidification est régie également par la gravité.
L'objectif du projet est de produire un modèle réaliste 3D, pour des soudures réalisées avec le procédé TIG dans toutes les positions de soudage, à partir de données d'entrée minimalistes (celles données par le DMOS) et avec une rapidité de calcul compatible avec les besoins industriels.
La gravité induit des inclinaisons de la texture non seulement dans le sens perpendiculaire à la soudure, mais aussi dans le sens de soudage. Le passage de la 2D à la 3D n'est donc pas une simple évolution ou adaptation de MINA 2D. L'étude sera progressive : il sera d'abord fabriqué des maquettes de soudage à chanfrein étroit (type U) qui permettent de réaliser un empilement d'une seule passe par couche, puis des maquettes à chanfrein ouvert (type V), en position de soudage vertical et en corniche. De l’instrumentation spécifique (caméra embarquée, microscopie optique, EBSD) nous aidera à comprendre la cinétique de solidification et la croissance des grains, et donc à créer le modèle, le défi étant lié aux différentes échelles présentes (soudure, grain, dendrite).
L'objectif est de déterminer un lien entre la forme du bain (gravité, énergie de soudage, ...), le gradient thermique (température de la pièce, chanfrein, préchauffage, ...), et la croissance cristalline (compétition cristalline, ...).
L'orientation des grains sera calculée à partir d'informations volontairement restreintes au manuel de soudage qui décrit le mode opératoire de soudage (géométrie du chanfrein, séquence de passes, etc.), pour être en adéquation avec la pratique industrielle, qui ne peut se permettre d'instrumenter chaque soudure réalisée de manière complexe.
Les micrographies simulées par le modèle seront comparées aux micrographies réelles et permettront ainsi de le valider. Une seconde validation sera également recherchée en comparant les prévisions de propagation ultrasonore obtenues en associant le modèle MINA 3D à un modèle de propagation ultrasonore 3D, avec des données expérimentales. La prédiction des déviations et divisions du faisceau ultrasonore sera alors maîtrisée, apportant une amélioration significative du contrôle ultrasonore.
Le projet MINA 3D s'inscrit parfaitement dans l'axe de recherche B.4. Bien qu'une avancée concerne la connaissance du matériau, la principale innovation est dans l'application, et donc dans l'amélioration conséquente du potentiel des CND par ultrasons. Les 6 partenaires du projet sont les meilleurs spécialistes français en la matière et ont l'habitude de travailler ensemble.