Le soudage en multipasse est une technique d'assemblage fortement répandue dans la fabrication de turbines hydrauliques de type Francis faites d'acier inoxydable CA-6NM. Les fortes températures provoquent des déformations et des contraintes résiduelles qui peuvent avoir de graves conséquences sur la durée de vie des turbines. Ce phénomène est très peu documenté dans la littérature scientifique.
La présente étude tentera de suivre l'évolution et de prédire la distribution de contraintes résiduelles et son intensité maximale au niveau des joints soudés d'une turbine. Les étapes de mise en oeuvre de l'étude sont les suivantes: premièrement des données expérimentales ont été recueillies pour connaître l'intensité de la contrainte résiduelle sur des échantillons d'acier doux et d'acier inoxydable martensitique au niveau d'un joint soudé. Deuxièmement une méthode numérique a été développée, basée sur une formule proposée par la norme ASM pour prédire l'intensité maximale au niveau d'un joint soudé à partir de mesures expérimentales sur un échantillon d'acier doux. Par la suite une relation mathématique et une méthode numérique ont été développés pour prédire la contrainte maximale dans un échantillon d'acier inoxydable martensitique de type 415.
Les résultats expérimentaux sur échantillon d'acier doux ont permis de mesurer une intensité maximale de 220 MPa en tension au centre du cordon de soudure. Alors que l'intensité maximale de l'échantillon d'acier inoxydable martensitique est de 341 MPa en compression dans le joint.
Les méthodes numériques développées dans cette étude ont permis de prédire l'intensité maximale de la contrainte avec une marge d'erreur de l'ordre de 12 et 9% pour les échantillons d'acier doux et d'acier inoxydable martensitique respectivement.
L'approche expérimentale consiste à suivre l'évolution des contraintes pendant un cycle complet de fabrication d'une turbine. Des mesures par jauges de déformations ont été prises entre les différentes phases de fabrication, soient l'usinage, la soudure et le traitement thermique. De plus des mesures en continu ont été enregistrées pour suivre les variations de températures et de contraintes pendant le soudage.
Globalement les mesures prises sur la turbine ont permis d'établir le niveau de contrainte moyen à 155 MPa, mesuré en tension, après usinage des aubes. Les mesures en continu durant le soudage ont donné une variation de 47 MPa en tension. On a constaté que le niveau de contrainte a augmenté proportionnellement avec la température pendant le soudage. Par ailleurs, lors de la soudure, lorsque la température locale de la turbine diminuait, les contraintes ne suivaient pas la même évolution que la température. L'hypothèse de l'effet de bridage a été amenée. Durant le traitement thermique, une relaxation de 169 MPa a pu être mesurée, alors que le niveau de contrainte final se situe entre 33 et 51 MPa, en compression sur l'extrados de l'aube à sa sortie. On remarque que le niveau de contrainte final n'est pas nul. Par contre, les contraintes de compression sont bénéfiques aux endroits sollicités en tension.
Finalement la méthode numérique développée pour les aciers inoxydables martensitiques n'a pu être vérifiée pour faire la prédiction de la contrainte maximale dans un joint soudé d'une turbine faite d'acier. CA-6NM par manque de données expérimentales
