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Hybrid/tandem laser-arc welding of thick low carbon martensitic stainless steel plates

Mirakhorli, Fatemeh (2016). Hybrid/tandem laser-arc welding of thick low carbon martensitic stainless steel plates. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

High efficiency and long-term life of hydraulic turbines and their assemblies are of utmost importance for the hydropower industry. Usually, hydroelectric turbine components are made of thick-walled low carbon martensitic stainless steels. The assembly of large hydroelectric turbine components has been a great challenge. The use of conventional welding processes involves typical large groove design and multi-pass welding to fill the groove which exposes the weld to a high heat input creating relatively large fusion zone and heat affected zone.

The newly-developed hybrid/tandem laser-arc welding technique is believed to offer a highly competitive solution to improve the overall hydro-turbine performance by combining the high energy density and fast welding speed of the laser welding technology with the good gap bridging and feeding ability of the gas metal arc welding process to increase the productivity and reduce the consumable material.

The main objective of this research work is to understand different challenges appearing during hybrid laser-arc welding (HLAW) of thick gauge assemblies of low carbon 13%Cr-4%Ni martensitic stainless steel and find a practical solution by adapting and optimizing this relatively new welding process in order to reduce the number of welding passes necessary to fill the groove gap. The joint integrity was evaluated in terms of microstructure, defects and mechanical properties in both as-welded and post-welded conditions. A special focus was given to the hybrid and tandem laser-arc welding technique for the root pass.

Based on the thickness of the low carbon martensitic stainless steel plates, this work is mainly focused on the following two tasks:
• Single pass hybrid laser-arc welding of 10-mm thick low carbon martensitic stainless steel.
• Multi-pass hybrid/tandem laser-arc welding of 25-mm thick martensitic stainless steel.

Titre traduit

Étude du soudage hybride laser-arc de plaques épaisses en acier inoxydable martensitique à bas carbone

Résumé traduit

Lorsqu’il est question de produire des turbines pour l’industrie de l’hydroélectricité, il est crucial d’atteindre de hauts standards d’efficacité dans le processus de production et de maximiser la durée de vie à long terme du produit final. Des plaques épaisses d’acier inoxydable martensitique à faible carbone sont couramment utilisées pour la fabrication de ce type de turbine. Le soudage des composantes d’une turbine à hydroélectricité est un défi considérable, car les pièces à assembler sont de très grande dimension. Le procédé conventionnel de soudage requiert dans ce cas des préparations très larges et un soudage en plusieurs passes pour remplir la préparation, ce qui génère d’assez grandes zones de fusion et élargit la zone affectée par la chaleur.

Le nouveau procédé de soudage hybride/tandem laser-arc a été développé pour offrir un rendement très avantageux dans la production et pour améliorer la qualité globale des roues de turbines hydroélectriques. C’est en combinant l’énergie à haute densité et la rapidité du soudage au laser, avec la facilité de remplissage du soudage à l’arc, que ce nouveau procédé a le potentiel d’augmenter la productivité et de diminuer la quantité de consommable.

L’objectif général de cette recherche est de mieux expliquer les multiples problèmes reliés au soudage hybride laser-arc dans l’assemblage de plaques épaisses d’acier inoxydable martensitique à faible carbone (13%Cr – 4%Ni), et de trouver des solutions pour réduire le nombre de passes nécessaires au soudage du joint avec ce procédé développé assez récemment.

La qualité du joint de soudage a été examinée au niveau de la microstructure afin d’évaluer les défauts et les propriétés mécaniques directement après le soudage et après le traitement thermique. Une attention particulière a été portée au procédé hybride/tandem laser-arc ainsi qu’passe d’amorçage à la racine.

En visant le soudage de différentes épaisseurs de plaques d’acier inoxydable martensitique à faible carbone, cette recherche se concentre sur deux objectifs particuliers:
• le soudage en une seule passe avec le procédé de soudage hybride laser-arc de l’acier inoxydable martensitique à faible carbone d’une épaisseur de 10 mm.
• Le soudage en plusieurs passes avec le procédé hybride/tandem laser-arc de l’acier inoxydable martensitique à faible carbone d’une épaisseur de 25 mm.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 159-161.
Mots-clés libres: Acier martensitique Soudage. Soudage laser-arc. Acier doux. Plaques de fer et d'acier. Soudures Essais. Soudures Défauts. Acier martensitique Microstructure. Acier martensitique Propriétés mécaniques. Turbines hydrauliques Conception et construction. soudage hybride laser-arc, acier inoxydable martensitique à faible carbone, traitement thermique après soudage
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Pham, Tan
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Fihey, Jean-Luc
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 19 déc. 2016 21:30
Dernière modification: 19 déc. 2016 21:30
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1773

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