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Amélioration de la durabilité des assemblages métalliques

Utilisation du grenaillage de précontrainte pour optimiser la durée de vie en fatigue des assemblages soudés

La technologie de soudage est largement appliquée au cours des 30 dernières années pour assembler les structures métalliques dans différents domaines (navale, ouvrage d’art, …). Cependant, l'assemblage par fusion de métal génère des contraintes internes locales et des irrégularités géométriques dues aux changements de phases des matériaux  durant le processus de soudage et de refroidissement des l’assemblage.  Les contraintes internes de traction créées ainsi, sont les plus dommageables car ils réduisent la durée de vie en fatigue tandis que celles en compression auront plus souvent un effet bénéfique vis-à-vis de la fatigue.

Il existe un certain nombre de techniques  (grenaillage, martelage, TIG, ...) pour prolonger la durée de vie en fatigue de ces assemblages en modifiant leur état de contrainte et/ou en améliorant la géométrie du cordon de soudure. Ces techniques  sont actuellement utilisées dans l'industrie pour les nouveaux éléments soudés. Il serait intéressant d'envisager la réhabilitation des structures existantes vis-à-vis de la fatigue. Pour ce faire, il faudrait être capable de fournir des méthodes quantitatives pour évaluer l'efficacité de ces traitements. L'objectif de cette étude est donc, d’évaluer numériquement et expérimentalement, les effets du grenaillage sur l’état de contrainte au pied du cordon de soudure et sur la durée de vie.

En effet,  le grenaillage de précontrainte est un traitement de surface qui s’applique à tous les matériaux métalliques soudés ou non. Il a pour objet de substituer les contraintes résiduelles existantes de traction par des contraintes résiduelles de compression de fortes amplitudes. L’écrouissage à température ambiante permet également de réduire le coefficient de concentration de contrainte en éliminant les défauts de surfaces comme les traces d’usinages ou les défauts au pied de cordon de soudure. Ces deux phénomènes combinés permettent d’augmenter la durée de vie en fatigue des pièces mécaniques. Il peut être utilisé de façon préventive et peut parfaitement s’appliquer en maintenance à condition d’éliminer les fissures existantes puis de choisir des paramètres adaptés et d’appliquer un procédé contrôlé suivant les normes existantes.

Le laboratoire SMC, travaille activement sur l’étude expérimentale et la  modélisation des processus de soudage et de traitement de surface en collaboration avec l’entreprise Meliad pour la mesure de contraintes résiduelles, avec l’entreprise MIC filiale de Curtiss-Wright  pour le procédé de grenaillage et avec la société SONATS filiale de Europe technologies pour le procédé de martelage par ultrason.

Modélisation du processus de grenaillage d'un assemblage soudé
Mesure de contraintes résiduelles transversale par DRX au pied du codon de soudure sur une épaisseur de 1 mm [REF]

[Ref] : L. Dieng, D. Amine, Y. Falaise, S. Chataigner, “Parametric study of the finite element modeling of shot peening on welded joints” Journal of Constructional Steel Research, Volume 130, March 2017, Pages 234-247.

Mots clés : Grenaillage de précontrainte, fatigues, soudure, contraintes résiduelles, Modélisation

Partenaires : Meliad, MIC, SONATS

(Contact local : Lamine Dieng - Lamine.Dieng(at)ifsttar.fr )

Modélisation du comportement mécanique et des mécanismes d'endommagement sur assemblages soudés/rivetés

Photo d’un assemblage riveté

Le laboratoire SMC travaille activement sur les méthodes d’assemblage utilisées dans le domaine des structures métalliques et mixtes, et plus particulièrement sur les problématiques rencontrées sur les structures existantes qui sont en France assemblées par rivetage pour les plus anciennes et par soudage pour les plus récentes. Pour ce faire, le laboratoire développe et valide des outils spécifiques de modélisation par éléments finis des processus d’assemblage, travaille sur le contrôle non destructif et leur monitoring sur site (notamment de la problématique de la fatigue), et évalue les performances de différentes méthodes de réhabilitation.
Pour le cas des assemblages rivetés, un modèle thermomécanique aux éléments finis du processus de rivetage a été mis au point dans le cas des structures en acier doux. Ce modèle permet de prédire correctement le comportement thermomécanique des opérations de rivetage. La carte des températures  et déformations obtenue par le modèle reflète bien le comportement expérimental des structures en acier doux et en fer puddlé testées. Ceci permet de mieux appréhender l’état de contrainte post-rivetage au sein de l’assemblage, et de mieux définir les localisations possibles d’amorces de fissures de fatigue rencontrées sur certains ouvrages au niveau des assemblages rivetés. En parallèle, plusieurs investigations de contrôle non destructif sont mises en œuvre sur assemblages présentant des fissurations contrôlées pour évaluer leur pertinence à la détection sous les rivets et pour différentes natures de matériaux métalliques.

Collaborations sur cette problématique : SNCF, ADS, CEREMA (Laboratoires de Strasbourg et de Nancy). 

Exemple de comparaison modèle/expérimental sur l’aspect température lors de l’opération de rivetage

Pour le cas des assemblages soudés, le laboratoire SMC a également mis au point un modèle thermomécanique aux éléments finis du processus de soudage. Les résultats de ce modèle ont été confrontés à des mesures de contraintes résiduelles sur assemblages. Ceci nous permet de disposer d’un outil prédictif pour pouvoir appréhender l’évaluation de l’efficacité de méthodes dites de parachèvement visant à prolonger/augmenter la durée de vie en fatigue des structures assemblées par une redistribution des contraintes au pied des cordons de soudure.. Cet outil vise des applications industrielles telles que la remise à niveau des structures types Jacket des EMR (Energie Marine Renouvelable). En parallèle, le laboratoire SMC travaille dans le cadre du projet SURFFEOL à qualifier différents systèmes de monitoring de la fatigue sur structures métalliques (notamment sur les assemblages soudés).

Collaborations sur cette problématique : Meliad, MIC, STX, Université de Nantes. 

Comparaison modèle/expérimental des champs de température à la ZAT (Zone affectée thermiquement) du processus de soudage

(Contacts locaux : Sylvain Chataigner - Sylvain.Chataigner(at)ifsttar.fr , Lamine Dieng - Lamine.Dieng(at)ifsttar.fr )


Dernière mise à jour le 21/02/17