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Electron beam welding process for joining thick gage section of martensitic stainless steels

Sarafan, Sheida (2016). Electron beam welding process for joining thick gage section of martensitic stainless steels. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Sustainable manufacturing for assembly of turbines used in hydro power generation systems is driving the development of advanced technologies targeted to reduce life-cycle costs whilst assuring high performance over the prolonged product life-span. The turbine runner, a critical component in hydro power generation systems, requires weld assembly between the crown, band and blade sub-components. With due consideration of the thick-gauge sections involved, design and fabrication of a turbine runner that integrates a high energy density technology for assembly, such as vacuum electron beam welding (EBW), has marked potential to achieve deep penetration with a low heat input, thereby rendering a weldment with narrow heat-affected zones (HAZ) and low distortion.

In this study, the weldability of thick-gauge section of cast and wrought grades of 13%Cr- 4%Ni low carbon martensitic stainless steels that are widely utilized in hydro turbine manufacturing was investigated by EBW. Particularly, a single pass bead-on-plate (BOP) and/or butt joint in 60 mm to 90 mm thick CA6NM and UNS S41500 plates were carried out using a 42 kW high vacuum EBW system without using filler addition. Preheating before welding and post-weld heat treatment of the welds was also studied. The characteristics of the weldments, including the size of the fusion zone (FZ) and HAZ, their phase constituents, microstructures and hardness evolution, were evaluated.

The mechanical response of the welds, locally and globally determined through uniaxial tensile testing at room temperature with an automated non-contact three-dimensional (3D) digital image correlation (DIC) deformation measurement system, indicated that the tensile properties in both the as-welded and PWHTed conditions met the acceptance criteria in the ASME Section VIII & IX standard. A non-contact photometry system was also used to measure the distortion after EBW. In addition the distribution in the longitudinal residual stresses was mapped by the contour method for both CA6NM and UNS S41500 in the aswelded and PWHTed conditions.

Titre traduit

Soudage par faisceau d'électrons sous vide de fortes épaisseurs en acier inoxydable martensitique

Résumé traduit

La fabrication durable pour l'assemblage des turbines utilisées dans les systèmes de production d'hydroélectricité est le moteur du développement de technologies avancées pour réduire les coûts de fabrication tout en assurant une haute performance sur la durée de vie du produit. La roue de turbine, un élément essentiel dans les systèmes hydrauliques de production d'énergie, est composée de trois éléments majeurs, la couronne, les aubes et la ceinture, assemblés par soudage. Le soudage par faisceau d'électrons (EBW) sous vide à haute densité d'énergie peut jouer un rôle très important dans la conception et la fabrication d'une roue de turbine qui est fabriquée à partir de composants à très fortes épaisseurs. En effet, ce procédé a la capacité d’atteindre une pénétration profonde avec un faible apport de chaleur, donnant ainsi une soudure avec d’étroites zones affectées thermiquement (ZAT) et une faible distorsion.

Dans cette thèse, la soudabilité par faisceau d’électron (EBW) de fortes épaisseurs d’acier inoxydable martensitique (13% Cr-4% Ni) à faible taux de carbone, largement utilisé dans la fabrication de turbines hydrauliques, a été étudiée. En particulier, le soudage en une seule passe (BOP) et d’un joint bout à bout sans préparation à démontrer qu’il est possible de souder sur une profondeur de 60 mm à 90 mm des plaques en CA6NM et UNS S41500. Les soudures ont été réalisées avec une soudeuse à faisceau d'électrons de 42 kW sous vide sans utiliser de métal d'apport. Les caractéristiques des échantillons soudés ont été mesurées: évaluation de la microstructure dans la zone de fusion (FZ) et dans les ZAT, distribution de la dureté, ainsi que les effets du préchauffage et du traitement thermique après soudage. Les contraintes résiduelles longitudinales dans la section droite d’un joint soudé ont été mesurées par la méthode du contour.

Le comportement mécanique des soudures, localement et globalement, a été déterminé par un essai de traction à température ambiante en utilisant un système automatisé de corrélation d’images numériques (DIC). Les mesures de déformations montrent que les propriétés en tension, dans la condition tel que soudé et dans la condition traité thermiquement après soudage, rencontrent les critères d’acceptabilité pour des applications hydroélectriques selon les normes ASME sections VIII & IX. Le système ARGUS combiné au système DIC a également été utilisé pour mesurer la distorsion des assemblages soudés par EBW. Finalement, la distribution longitudinale des contraintes résiduelles a été évaluée par la méthode du contour dans une section droite perpendiculaire au sens de la soudure, pour les aciers CA6NM et UNS S41500, dans les conditions tel que soudé et traité thermiquement après soudage.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 125-131.
Mots-clés libres: Soudage par faisceau d'électrons. Acier martensitique Soudage. Métallurgie sous vide. Acier martensitique Microstructure. Acier martensitique Propriétés thermomécaniques. Microdureté. Résistance à la traction. Contraintes résiduelles. Turbines hydrauliques Conception et construction. épais, matériau, section épaisse, acier inoxydable martensitique, microstructure, système numérique de corrélation d'images, propriétés en traction, méthode du contour
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Champliaud, Henri
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Wanjara, Priti
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 08 mars 2016 15:34
Dernière modification: 10 déc. 2016 17:30
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1635

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