Influence of welding conditions on microstructure and defect generation in 316 stainless steels: experimentation and modeling

Résumé

Le soudage à l’arc au tungstène sous gaz (GTAW) est une technique largement utilisée pour l’assemblage des conduites en acier inoxydable, mais il entraîne souvent une décoloration et la formation d’une couche d’oxyde dans la zone affectée thermiquement (ZAT). Cette étude examine l’impact de la concentration d’oxygène dans le gaz de protection sur la résistance à la corrosion par piqûres et le comportement à l’oxydation des soudures en acier inoxydable AISI 316L. Une approche combinant analyses expérimentales et simulations numériques a été employée pour étudier la cinétique d’oxydation et la distribution thermique pendant le soudage. L’analyse expérimentale a été réalisée sur des tuyaux en acier inoxydable 316L soudés sous différentes concentrations d’oxygène (50, 200, 500 et 5000 ppm) dans le gaz de protection. De plus, l’effet de la rugosité de surface (40 et 60-grains) sur la décoloration et la résistance à la corrosion a été étudié. La formation de la couche d’oxyde et la susceptibilité à la corrosion par piqûres ont été caractérisées par microscopie électronique à balayage (MEB), diffraction des rayons X (XRD) et tests électrochimiques (polarisation cyclique et spectroscopie d’impédance électrochimique). Les résultats ont révélé qu’une augmentation de la concentration d’oxygène dans le gaz de protection améliore initialement la résistance à la corrosion jusqu’à un seuil critique, au-delà duquel la formation de couches d’oxyde poreuses riches en fer et de zones appauvries en chrome entraîne une diminution de la résistance. Les surfaces plus lisses ont montré une meilleure résistance à la corrosion, soulignant l’importance de la préparation de surface pour atténuer la corrosion localisée. Pour mieux comprendre les mécanismes d’oxydation, la cinétique d’oxydation non isotherme de l’acier inoxydable 316L a été étudiée entre 1100 K et 1373 K en utilisant l’analyse thermogravimétrique (TGA) à des taux de chauffage de 5, 10, 15, 20 et 25 K/min. L’énergie d’activation (Ea) a été déterminée en utilisant des méthodes isoconversionnelles sans modèle (Friedman, Flynn-Wall-Ozawa, Starink et Kissinger-Akahira-Sunose) et des méthodes d’ajustement de modèle (Coats-Redfern et Kennedy-Clark). Les énergies d’activation obtenues variaient de 224,79 à 233,81 kJ/mol, les modèles F2 (réaction d’ordre deux) et F3 (réaction d’ordre trois) étant les mieux adaptés aux données expérimentales. La méthode de Criado a confirmé l’adéquation de ces modèles réactionnels. Les simulations thermodynamiques réalisées avec FactSage ont prédit la formation de couches d’oxyde protectrices, principalement composées de spinelle et de corindon, à des températures allant jusqu’à 1373 K. Les simulations numériques ont été réalisées à l’aide de la modélisation par éléments finis (EF) et volumes finis (VF) pour prédire la distribution de la chaleur et la formation de la couche d’oxyde pendant le soudage. Le modèle à double ellipsoïde de Goldak a été implémenté dans Abaqus pour simuler l’apport de chaleur transitoire, tandis que la cinétique d’oxydation a été analysée en utilisant une équation du taux d’oxydation basée sur le modèle d’Arrhenius. Les valeurs d’énergie d’activation dérivées des méthodes isoconversionnelles et sans modèle ont été intégrées aux simulations pour améliorer la précision des prédictions du comportement à l’oxydation. Ces résultats soulignent l’importance d’optimiser la concentration d’oxygène dans le gaz de protection et de contrôler la rugosité de surface afin d’améliorer la résistance à la corrosion et de réduire la décoloration des soudures. En intégrant les résultats expérimentaux à la modélisation numérique, cette étude offre une compréhension approfondie de la cinétique d’oxydation et de l’optimisation du procédé de soudage pour une meilleure durabilité et fiabilité des conduites en acier inoxydable dans des environnements corrosifs.

Date	19 déc. 2025
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Mohammad Jahazi (Directeur(-trice)) & Alireza Khodabandeh (Codirecteur(-trice))