Fatigue Behavior of Welded Joints with Partial Penetration

L'objectif de ce travail est d'aborder les aspects les moins connus des joints soudés à pénétration partielle (PPJ) dans le domaine de la fatigue oligocyclique et mégacyclique en flexion à amplitude constante.Les joints soudés reliant les aubes à la couronne de la roue de turbine Francis (ou du moyeu de la roue d'hélice) peuvent être assimilés à des soudures d'angles structurelles cruciformes en admettant certaines conditions.Dans le cadre de ce projet, ils ont été réalisés suivant les capacités du banc d'essai de fatigue et du montage en flexion.Leur géométrie a été choisie dans l'optique de la caractérisation de la vie en fatigue de la racine et du bord de la soudure.L'influence de la profondeur de pénétration de la soudure, ainsi que l'influence du métal d'apport ont également été étudiées.Afin de répondre aux besoins du projet, quatre types d'essais ont été conçus.Les matériaux utilisés sont l'acier inoxydable martensitique AISI 415 en tant que métal de base, et les aciers martensitiques E410NiMo et austénitiques E316L comme métaux d'apport.Des précautions ont été prises pour la réalisation de la soudure PPJ.En effet, il était important qu'elle soit réalisée dans des conditions réelles, telle que réalisée sur les roues des turbines.Des résultats expérimentaux uniques d'essais de flexion trois points ont été obtenus pour la géométrie choisie (soudures d'angles avec cordons concaves).Ils ont montré que l'aspect de surface de la soudure avait un effet favorable sur l'amorce de la fissure et donc sur sa vie en fatigue.Aussi, le vide résultant à l'issue du soudage par manque de pénétration à la racine de la fissure est suffisamment important pour être considéré comme une fissure.Jusqu'à présent, ce genre de géométrie sollicitée en flexion trois points ne présente pas de solution pout le facteur d'intensité de contraintes.Par conséquent, des méthodes de calculs numériques ont été employées pour le déterminer à la racine de la soudure.La validation des résultats a été réalisée par une étude numérique.Cette étude porte sur les paramètres influençant la précision du mode I des valeurs du facteur d'intensité de contraintes pour une fissure centrale à travers l'épaisseur de la pièce.Les paramètres ont été optimisés par la méthode d'extrapolation du déplacement afin de minimiser les erreurs.La méthode d'interaction intégrale basée sur les énergies a également été utilisée, et a permis d'obtenir des erreurs négligeables pour un intervalle de longueurs de fissures.L'évaluation du facteur d'intensité de contraintes des modes I et II s'est faite en fonction des recommandations faites pour le mode I dans les mêmes conditions.Les résultats obtenus ont montré que la précision du facteur d'intensité de contraintes en mode I calculée par la méthode d'extrapolation du déplacement est indépendante de la longueur de la fissure, alors que celle du vi mode II y est fortement influencée.La méthode d'interaction intégrale apporte des valeurs cohérentes du facteur d'intensité de contraintes pour les deux modes, indépendamment de la longueur de la fissure.Les valeurs les plus précises sont obtenues avec l'approche des intégrales basées sur l'énergie, et calculées pour une longueur de fissure initiale ainsi que pour deux cas de propagation de fissure : symétrique et dissymétrique à la racine du joint soudé cruciforme.Aussi, la méthode numérique a été utilisée pour calculer la contrainte de traction non singulière à ce même endroit, ainsi que le facteur de concentration de contrainte au bord de la soudure.L'approche de contrainte nominale est utilisée pour étudier la transition du mode de rupture en fatigue entre le bord et la racine de la soudure, tandis que l'approche par facteur d'intensité de contrainte de l'entaille est quant à elle utilisée pour consolider la résistance en fatigue de la racine de la soudure à différentes profondeurs de pénétration.Les résultats démontrent que l'origine de la rupture en fatigue ne peut pas être uniquement caractérisée par le paramètre géométrique parce que celle-ci change avec l'intensité de la contrainte de flexion nominale.La dispersion des résultats de rupture en fatigue débutant à la racine de la soudure est significative sur la courbe S-N obtenue.Cependant, cette dispersion est réduite significativement lors de l'introduction d'un facteur d'intensité de contrainte approprié dans l'approche par facteur d'intensité de contrainte de l'entaille.De plus, les résultats obtenus à partir des approches testées montrent que l'utilisation de l'acier martensitique E410NiMo pour la soudure mène à une résistance en fatigue supérieure à celle de l'acier austénitique E316L.L'essai de fissuration en fatigue est traditionnellement réalisé sur des éprouvettes de tension compactes (TC) standardisées.La particularité de ces éprouvettes, est de contraindre le fond de fissure de manière extrême, et ce, en déformations planes.En pratique, la géométrie d'éprouvette utilisée (soudure d'angle structurelle cruciforme) dans le cadre de cette étude, ne permet pas d'obtenir un niveau de contrainte similaire en racine de soudure.Le comportement de la croissance de la fissure en fatigue pour les essais de flexion trois points a été étudié suivant deux profondeurs de pénétration de soudure.La propagation de la fissure en fatigue à la racine de la soudure a été observée sur le front de fissure en utilisant la technique de marquage des lignes d'arrêt puis, sur la surface latérale grâce à des microscopes mobiles.Un demi temps de vie en fatigue est nécessaire pour obtenir une longueur de propagation de la fissure de 2 mm environ.Le comportement de croissance de la fissure en fatigue des joints cruciformes est comparé aux éprouvettes de tension compact pour des ratios de charge compris entre 0.1 et 0.7.La vitesse de croissance des fissures en vii fatigue à faible facteur d'intensité de contrainte ( 0.1) R  est plus faible que celle des éprouvettes TC, à cause de la différence de l'état de contrainte induite par la contrainte T (T-stress) négative, la contrainte résiduelle en compression après soudage à la racine du joint soudé cruciforme ainsi que l'intensité de fermeture de la fissure.L'approche de propagation de fissure est employée pour prédire la vie en fatigue de ce dernier.Lorsque le comportement de la croissance de fissure en fatigue des éprouvettes TC est considéré, le nombre de cycles de facteur d'intensité de contraintes est très proche de celui obtenu expérimentalement.L'utilisation de la courbe de croissance de fissure en fatigue quant à elle, permet une approche conservatrice de la prédiction de la vie en fatigue d'une turbine hydraulique.

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