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

Maroufkhani, Mohammad (2025). Influence of welding conditions on microstructure and defect generation in 316 stainless steels: experimentation and modeling. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) is a widely used technique for joining stainless steel pipelines, yet it often results in discoloration and oxide layer formation in the heat-affected zone (HAZ). This study investigates the impact of oxygen concentration in the backing gas on the pitting corrosion resistance and oxidation behavior of AISI 316L stainless steel welds. Experimental and numerical approaches were combined to analyze oxidation kinetics and heat distribution during welding.

Experimental analysis was conducted on 316L stainless steel pipes welded under different oxygen levels (50, 200, 500, and 5000 ppm) in the purging gas. Additionally, the effects of surface roughness (40- and 60-grit) on discoloration and corrosion resistance were examined. Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Diffraction (XRD), and electrochemical testing (cyclic polarization and Electrochemical Impedance Spectroscopy) were utilized to characterize oxide layer formation and pitting susceptibility. Results revealed that increasing oxygen concentration in the backing gas initially enhanced corrosion resistance up to a critical threshold, beyond which the formation of porous iron oxide layers and chromium-depleted zones led to a decrease in resistance. Smoother surfaces exhibited improved corrosion resistance, emphasizing the role of surface preparation in mitigating localized corrosion.

To further understand the oxidation mechanisms, non-isothermal oxidation kinetics of 316L stainless steel were investigated between 1100 K and 1373 K using Thermogravimetric Analysis (TGA) at heating rates of 5, 10, 15, 20, and 25 K/min. Activation energy (Ea) was determined using model-free isoconversional methods (Friedman, Flynn-Wall-Ozawa, Starink, and Kissinger-Akahira-Sunose) and model-fitting methods (Coats-Redfern and Kennedy-Clark). The determined activation energies ranged from 224.79 to 233.81 kJ/mol, with the F2 (second-order reaction) and F3 (third-order reaction) models providing the best fit to experimental data. The Criado method further confirmed the suitability of these reaction models. FactSage thermodynamic simulations predicted the formation of protective oxide layers, primarily composed of spinel and corundum, at temperatures up to 1373 K.

Numerical simulations were conducted using Finite Element (FE) and Finite Volume (FV) methods to predict heat distribution and oxidation layer formation during welding. The Goldak double ellipsoid model was implemented in Abaqusto simulate transient heat input, while oxidation kinetics were analyzed using an Arrhenius-based oxidation rate equation. Activation energy values derived from isoconversional and model-free methods were incorporated into the simulations to enhance accuracy in predicting oxidation behavior.

The findings of this research highlight the importance of optimizing oxygen concentration in the backing gas and controlling surface roughness to enhance corrosion resistance and mitigate weld discoloration. By integrating experimental results with numerical modeling, a better understanding was developed on oxidation kinetics and welding process optimization for improved longevity and reliability of stainless steel pipelines in corrosive environments.

Titre traduit

Influence des conditions de soudage sur la microstructure et la formation de défauts dans les aciers inoxydables 316 : expérimentation et modélisation

Résumé traduit

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.

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". Comprend des références bibliographiques (pages 235-266).
Mots-clés libres:	acier inoxydable 316L, corrosion par piqûres, décoloration, teneur en oxygène, rugosité de surface, soudage à l’arc, calculs thermodynamiques, simulation numérique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Jahazi, Mohammad
Codirecteur:	Codirecteur Khodabandeh, Alireza
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	04 mars 2026 15:42
Dernière modification:	04 mars 2026 15:42
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3807

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