A robust and reliable test for the recipe of welding products for stainless steels

Le matériau principal de cette étude est l’acier inoxydable austénitique 316L(N) (X2CrNiMo17-12-2 à teneur en azote contrôlée) envisagé dans la conception de la cuve et des structures du circuit primaire des futurs réacteurs de quatrième génération refroidis au sodium. Pour assembler des composants de forte épaisseur, il faut réaliser des soudages multipasses avec métal d'apport. Lors du soudage, il a parfois été constaté des défauts de fissuration à chaud de solidification au refroidissement dans la zone pâteuse, près du bain de fusion. Ces fissures sont des décohésions du matériau apparaissant à haut température le long des joints de grains lorsque la déformation dépasse un seuil critique. Il est donc nécessaire de prévenir ce risque en utilisant un critère de fissuration à chaud. L'approche utilisée dans cette étude est double : développer un essai de fissuration à chaud à chargement extérieur, puis simuler numériquement ces expériences pour déterminer un seuil critique en déformation en utilisant un critère proposé par Kerrouault. Une version améliorée d’un essai de fissuration à chaud (Controlled Restraint Weldability (CRW) test) a été proposé dans cette étude afin d'analyser la susceptibilité à la fissuration de solidification du matériau 316L(N) et d’un métal d'apport de nuance Thermanit 19-15H. L'objectif de ce test est, en fonction de l'intensité du chargement extérieur, d'amorcer une fissure dans un régime thermique établi, puis d’arrêter la propagation de cette fissure si les conditions thermomécaniques locales sont remplies. Le modèle de comportement du matériau choisi est une loi élasto-visco-plastique à écrouissage mixte. Des essais thermomécaniques sur un simulateur Gleeble ont été réalisés à haute température afin d'identifier et d’améliorer la loi de comportement du matériau 316L(N). Le grossissement des grains dans la zone affectée thermiquement a été modélisé et intégré dans ce modèle. Les intervalles de fusion et de solidification du matériau 316L(N) ont été déterminés par des essais ATD (Analyse Thermique Différentielle). Des analyses des microstructures de solidification ont été également menées afin de mieux comprendre le phénomène de fissuration à chaud. Certains essais CRW ont ensuite été modélisés et simulés par éléments finis en utilisant les logiciels Cast3M et Abaqus afin valider le critère de fissuration à chaud et de déterminer un seuil critique de fissuration pour l'acier 316L(N).The austenitic stainless steel AISI 316L(N) (X2CrNiMo17-12-2) with controlled nitrogen content is widely used for manufacture of vessel and primary circuit structures of the 4th Generation sodium- cooled fast reactors. Multi-pass welds with an appropriate filler metal is used to assemble thick components. Solidification cracks may occur in the mushy zone near the melting weld poor during solidification when a liquid film is distributed along grains boundaries and interdendritic regions and the shrinkage strains across the boundaries cannot be accommodated. It is therefore necessary to prevent this defect using a hot cracking criterion. The approach used in this study is to initiate experimentally a hot crack by a weldability test, and then to simulate these tests to identify a critical strain using a hot crack criterion for the prediction of solidification cracking. Therefore, a hot cracking test (Controlled Restraint Weldability (CRW) test) is proposed in the present study to analyze the susceptibility to hot cracking for base metal 316L(N) and its filler metal 19-15H Thermanit grade. This test is designed to initiate a hot crack in thermal steady state, and then to stop the crack once the local thermomechanical conditions are met. The initiation and stop of the crack depend on external mechanical preload. The material constitutive equations chosen for the material is a visco-plastic model with isotropic and kinematic hardening. The Gleeble thermomechanical tests have been performed at high temperature in order to identify material parameters. The increase of the grain size in the thermally affected zone was modeled and integrated into constitutive equations. The temperature range of melting and solidification of 316L(N) were determine by using the Differential Thermal Analysis (DTA). The analysis of the solidification microstructures were also carried out in order to better understand the phenomenon of hot cracking. Some CRW tests were then simulated by finite element method using the Cast3M and Abaqus software in order to valid the hot cracking criterion and to determine a thermomechanical criterion of hot cracking for 316L(N)