Numerical simulation of laser shock in the presence of the initial state due to welding
Simulation numérique du choc laser pour la mise en compression en présence de l'état initial dû au soudage
Résumé
Surface treatments as laser shock peening offer the possibility to reduce tensile stresses or to generate compressive stresses in order to prevent crack initiation or reduce crack growth rate in particular in the areas where tension weld residual stresses are present. Laser shock peening may be applied on different metallic components to prevent stress corrosion cracking of Inconel 600 and high cycle thermal fatigue of austenitic stainless steels.
The main aim of the PhD thesis is to develop the numerical simulation of laser peening.
In the first section, axisymetrical and 3D numerical models for one or several pulses have been developped in Code_Aster and Europlexus softwares. These models were validated by experimental tests carried out in PIMM-ENSAM laboratory. Parameters identification of Johnson-Cook constitutive law was carried out for Inconel 600 at high strain rates. Moreover a new test was proposed which allowed proving the isotropic behavior of Inconel 600 at high strain rates. A modification of the Johnson-Cook constitutive law was also proposed, to take into account in a new way the sensitivity of the law to high strain rates. The second section of the thesis concerns a study on the effect of an initial state of welding on residual stresses after application of laser peening. We could conclude that this initial state has no strong influence on final residual stresses. Finally, a qualitative study on the effect of strain hardening induced by laser peening on fatigue life of stainless steels was undertaken, which shows the advantage of laser peening on shot peening due to smaller strain hardening created by laser peening.
Les traitements de mise en compression, comme le choc laser, offrent la possibilité de réduire la contrainte de traction ou générer des contraintes de compression afin d’empêcher l’amorçage de fissures ou de ralentir leur propagation en particulier dans les zones soudées où il existe une contrainte de traction. Ce traitement peut être appliqué sur certains composants métalliques pour la prévention de la corrosion sous contrainte de l’Inconel 600 et de la fatigue thermique à grand nombre de cycles des aciers inoxydables.
L’objectif principal de la thèse était de développer les capacités en modélisation nécessaires à la maîtrise de la simulation numérique de la mise en compression par le choc laser, afin de mieux comprendre cette technique de traitement de surface.
Dans un premier temps, des modèles numériques axisymétriques et 3D, en mono et multi impacts ont été développés dans les codes de calcul Code_Aster et Europlexus. Ces modèles ont pu être validés à partir d’essais expérimentaux réalisés au laboratoire PIMM-ENSAM. Une identification des paramètres de la loi de Johnson-Cook a été réalisée à grande vitesse pour l’Inconel 600. Par ailleurs un nouvel essai expérimental a été proposé qui valide le caractère isotrope de l’Inconel 600 à grande vitesse de déformation. Une modification de cette
loi a également été proposée pour prendre en compte différemment la sensibilité à la vitesse de déformation. Dans un second temps, une étude sur l’effet d’un état initial de soudage sur les contraintes résiduelles après application du choc laser a été faite. Nous avons pu conclure que cet état initial n’a pas une forte influence sur les contraintes résiduelles finales. Enfin, une étude qualitative sur l’effet de l’écrouissage induit par le choc laser sur la durée de vie en fatigue des aciers inoxydables a été réalisée, qui montre l’avantage du choc laser sur le grenaillage par la création d’un moindre écrouissage.
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