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Analyse numérique des contraintes résiduelles dans les structures assemblées par soudage "cas des pipelines en acier à  haut grade"

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par Soufyane BELHENINI
Université Djilali Liabes de Sidi Bel Abbés ( Algérie) - Magister en génie mécanique, option: mécanique des matériaux avancés 2009
  

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INTRODUCTION GENERALE

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Introduction générale

INTRODUCTION

Avec le développement des constructions mécano-soudées de grandes dimensions au début des années 30, quelques ruptures spectaculaires se sont produites mais, ce sont surtout les pertes durant la Seconde Guerre Mondiale de plus de deux cents Liberty Ships sur les cinq mille construits qui ont conduit le laboratoire de recherches navals (Naval Research Laboratory) à rechercher les causes de ruptures fragiles observées. Les travaux de Pellini sur la mise au point d'essais spécifiques et ceux d'Irwin ont conduit aux notions de température de transition ductile-fragile des aciers puis aux développements des concepts de la mécanique linéaire élastique de la rupture

L'assemblage par soudage occupe une place importante dans l'univers de la construction des bateaux, trains, avions, fusées, automobiles, ponts, tuyaux, réservoirs et tant d'autres produits qui ne sauraient être construits sans le recours au soudage. Les procédés de soudage opèrent dans leur majorité par la mise locale des pièces à souder à température de soudage (température de fusion dans la plupart du temps) au niveau de leur joint, cette mise à température s'effectue soit progressivement, soit globalement dans l'espace et dans le temps, au moyen d'une source de chaleur pouvant être associée, pour certains d'entre eux, à un dispositif de pression mécanique s'exerçant pendant le processus de formation de la liaison.

L'existence même d'une zone fondue est à l'origine de modifications radicales de l'état interne de l'assemblage. D'une part la solidification de cette zone produit une microstructure particulière, distincte de l'état initial, d'autre part le retrait dimensionnel de soudage induit des contraintes et des déformations résiduelles. Ces déformations sont concentrées autour du cordon de soudure mais elles induisent en pratique des déplacements à l'échelle de la pièce qui modifient ses caractéristiques dimensionnelles.

La mesure non destructive des contraintes résiduelles est délicate et la simulation numérique du processus de soudage est alors un moyen très attendu dans ce domaine. Elle peut également permettre d'analyser facilement les effets des paramètres de soudage sur les caractéristiques mécaniques du joint soudé et de son influence sur la structure. Les apports de la modélisation numérique du soudage se situent au niveau :

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Introduction générale

? de la détermination de la microstructure du matériau dans les différentes zones

caractéristiques du procédé de soudage,

? de l'évaluation de la tenue mécanique des assemblages soudés (prévoir les
contraintes résiduelles et le comportement local d'un assemblage),

? des études de faisabilité d'un procédé visant à identifier d'éventuels défauts
d'alignement des structures ou à optimiser la séquence de soudage.

L'objectif de ce travail est la caractérisation thermomécanique du procédé de soudage des pipelines. Avec la simulation numérique, on détermine l'état résiduel d'une tubulure en acier à haut grade.

Dans notre étude aucune transformation de phases métallurgiques à l'état solide lors du soudage n'est prise en considération, c'est la particularité du soudage MAG sur l'acier à haut grade X100. Cependant, même en l'absence des modifications métallurgiques à l'état solide dans la zone affectée thermiquement, la simulation numérique par éléments finis d'une opération de soudage fait intervenir de nombreux phénomènes physiques complexes et nécessite une connaissance fine de nombreux paramètres.

Cette étude numérique comporte trois chapitres. Une recherche bibliographique qui a mis en lumière plusieurs caractéristiques dont une prise en compte rigoureuse est indispensable à la modélisation. Les causes des contraintes résiduelles dues aux opérations de soudage sont également détaillées dans ce premier chapitre. Le deuxième chapitre est consacré à la modélisation numérique d'une opération de soudage (MAG) sur un tube en acier à haut grade. Le modèle utilisé, le maillage, la mise en équation du problème, et le logiciel sélectionné pour le calcul numérique sont ainsi donnés dans ce deuxième chapitre. Nous avons déterminé numériquement par la méthode des éléments finis les états, le niveau et la distribution des contraintes et des distorsions résiduelles présentes dans la tubulure. Dans le troisième chapitre, sont exposés tous les résultats obtenus le long de cette étude. En fin nous terminons ce travail par une conclusion générale.

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