Experimental and numerical study of multipass welding of a naval steel

Les travaux effectués au cours de cette thèse ont pour objectif d’étudier et de modéliser une opération de soudage multipasse d’un acier à haute limite d’élasticité utilisé en construction navale. Dans ce cadre il s’agit de prédire les conséquences métallurgiques et mécaniques du procédé et tout particulièrement la répartition et l’intensité des contraintes résiduelles post- soudage nécessaires pour analyser l’intégrité de la structure navale en service. Deux maquettes représentatives d’un joint d’angle en Té ont permis de caractériser l’évolution des cycles thermiques, de la microstructure et des contraintes résiduelles (estimées par les méthodes du contour et du trou profond) après chaque passe de soudage. La suite de l’étude concerne la caractérisation et la modélisation du comportement thermo-métallurgique et thermo- mécanique des différentes phases apparaissant au cours du soudage. La dernière partie porte sur l’implémentation des modèles retenus dans le code de calcul élément finis Abaqus à l’aide de sous-programmes spécifiques. Une étape de transition d’échelle a permis de décrire le comportement thermomécanique multiphasé de cet acier. Des calculs préliminaires ont été conduits pour valider l’implémentation des modèles sur des cas simples. Différents couplages ont été réalisés, soit une analyse thermique puis thermo-métallurgique, pour estimer la dureté après chaque passe et enfin métallurgique-mécanique pour prédire les contraintes résiduelles pour le procédé de soudage multipasse. Les résultats des calculs éléments finis ont été discutés et comparés aux résultats expérimentaux obtenus dans la première partie de cette étude.This thesis aims at studying and modeling a multipass welding operation of a high strength steel used in shipbuilding. In this framework, work focus on predicting the metallurgical and mechanical consequences of the process and, in particular, the residual stress distribution after welding. Since residual stresses can be detrimental to the performance of the welded product, their estimation is essential and numerical modelling is useful to predict them. Two welding mock-ups which are representative of a T- joint were used to characterize the evolution of thermal cycles, microstructure and residual stresses (measured by contour method and deep hole drilling) after each welding pass. Metallurgical and mechanical behaviors were thoroughly characterized in order to feed numerical models with reliable constitutive equations. The last part deals with the implementation of the models in the finite element calculation code Abaqus using specific subroutines. A scale transition procedure has been added to describe the thermomechanical multiphase behavior of the steel. Preliminary calculations were carried out for simple cases to validate the implementation of models. Different numerical couplings were made. First a thermal analysis then a thermo-metallurgical analysis, to estimate the hardness after each welding pass. Finally, a metallurgical-mechanical analysis is achieved for the prediction of residual stresses due to multipass welding. The results of the finite element calculations were discussed and compared with the experimental results obtained in the first part of this work