metallurgie-soudage

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SOUDABILITE Claude PHILIP ENSAM (CER de Bordeaux)

Objectifs du cours : La notion de soudabilité est difficile à définir, car elle fait appel à de nombreux paramètres. On a trop souvent tendance à ramener la soudabilité à une étude d u matériau. En fait, la soudabilité est l'interaction d e trois facteurs : le matériau, le procédé de soudage, la construction. En effet, un matériau n'aura pas le même comportement suivant qu'on le soude à l'arc électrique ou au faisceau d'électrons. De même, les conditions d'utilisation de la construction introduiront des contraintes sur la qualité exigée et donc sur celle de l'étude du comportement du matériau. Le but de ce cours est de : préciser la notion de soudabilité, décl déclin iner er les les diff différ éren ents ts aspe aspect cts s du soud soudag age e (the (therm rmiq ique ues, s, ther thermo mo-mécaniques, métallurgiques), introduire les grandes lignes du comportement des aciers faiblement alliés lors du soudage.

Prérequis : Notion de métallurgie Notion de soudage

Version : 16/08/07

Soudabilité

Claude PHILIP - ENSAM

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SOMMAIRE Notions de soudabilité Introduction Principaux facteurs de la soudabilité

p. 3 p. 3 p. 5

Aspects thermiques du soudage Approche globale Objectifs de l'analyse thermique du soudage Cycles thermiques

p. 9 p. 9 p. 11 p. 16

Aspects thermomécaniques du soudage Génèses des contraintes et des déformations Déformations au cours du soudage contraintes dans les assemblages soudés

p. 25 p. 25 p. 29 p. 37

Aspects physico-chimiques du soudage Formation du bain de fusion Elaboration du bain de fusion

P. 44 p. 44 p. 50

Aspects métallurgiques du soudage Introduction Transformations au chauffage Transformations au refroidissement Particularités liées au soudage Dureté sous cordon

P. 57 p. 57 p. 58 p. 59 p. 60 p. 62

Endommagement des soudures Fissures Arrachement lamellaire Fissuration à froid

P. 65 p. 65 p. 66 p. 70

Lexique

P. 82

Bibliographie

P. 84

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1 NOTION DE SOUDABILITE 1.1 Introduction 1.1.1 Définition de la soudabilité Il n'existe pas de définition unique. Toutefois la définition suivante semble la plus générale. La soudabilité est la propriété d'un matériau qui permet, lorsqu'on emploie un procédé de souda soudage ge donn donné é pour pour un but but donn donné, é, d'ob d'obte teni nirr un join jointt cont contin inu u en appl appliq iqua uant nt un mode mode opératoire convenable. La soudure ainsi obtenue doit satisfaire aux exigences imposées, quand aux propriétés locales de la soudure, et à leur influence sur la construction, dont la soudure fait partie. Cette définition appelle les commentaires suivants : Nécess Néce ssit ité é de pr pren endr dre e en co comp mpte te le les s di dive vers rses es co comp mpos osan ante tes s du so soud udag age e (Figure 1) : matériau, procédé de soudage, construction. Nécessité de définir la soudabilité en fonction des propriétés visées : problème de résistance, de ténacité, problème de corrosion, ... Nécessité de définir un degré de soudabilité en fonction des exigences imposées pour la construction. On envisage parfois la soudabilité sous les aspects suivants : la soudabilité métallurgique, liée plus particulièrement au comportement du matériau, la soudabilité opératoire qui s'attache à définir la facilités d'application d'un procédé de soudage sur un matériau, la soudab soudabili ilité té global globale e qui concerne concerne le compor comportem tement ent du matéria matériau u au niveau niveau de la construction. Ces différents aspects sont en fait bien b ien difficiles à dissocier.

1.1.2 Divers aspects du soudage L'étude de la soudabilité doit prendre en compte les divers aspects du soudage, a savoir : l'aspect thermique, par une définition : des répartitions thermiques dans les assemblages, des cycles thermiques. l'aspect chimique, en tenant compte : des pertes d'éléments, des dissolution de gaz, du phénomène de dilution. l'aspect thermo-mécanique, par une prédiction : des déformations, des contraintes.

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4 l'aspect constructif, afin de prendre en compte : les caractéristiques géométriques et mécaniques de la construction, les sollicitations de service.

Composantes du soudage FIGURE 1

1.1.3 Opérations de base du soudage La soudure présente deux caractéristiques essentielles : la fusion à laquelle participe les bords à souder et le métal d'apport, la localisation de la fusion qui entraîne une hétérogénéité thermique

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5 La fusion nous conduit à envisager envisager la soudure les divers aspects suivants : Opération de fonderie En effet, pour les procédés avec fusion, le soudage entraîne : une fusion avec participation ou non d'un métal d'apport (formation du bain de fusion), une solidi solidifi ficat cation ion du bain bain de fusion fusion avec avec format formation ion de struct structure ures s partic particuli ulières ères (Epitaxie, ségrégations,..) et de défauts (Porosités, retassures). Les différences avec une opération de fonderie classique sont : la fusion est localisée, les les paro parois is du moul moule e sont sont cons consti titu tuées ées par par la pièc pièce e elle elle-m -mêm ême e et elle elles s sont sont évolutives, la fusion peut se réaliser, dans certains cas de proche en proche, il y a dans le cas du soudage multipasses, une refusion partielle. Opération métallurgique La fusion des pièces à assembler entraîne une opération métallurgique comprenant selon les cas : l'élaboration d'un nouvel alliage, par dilution entre métal d'apport et métal de base, des réactions avec l'environnement (oxydation,..), des réactions chimiques internes. Ici aussi il faut noter les particularités suivantes : l'élaboration se fait de proche en proche, l'élaborati l'élaboration on se fait souvent souvent dans des conditions conditions hors d'équilibre d'équilibre à cause de la rapidité du cycle thermique. Opération de traitement thermique Les parois limitant la zone fondue, ainsi que les zone adjacentes sont soumises à un cycle thermique provoquant : des changement changements s de structures structures au chauffage chauffage (austénit (austénitisati isation, on, recristalli recristallisati sation, on, mise en solution,...), des changements de structures au refroidissement (trempe , précipitation,...). Là encore, il faut tenir compte : de la rapidité du cycle thermique, de la localisation du traitement. Opération de traitement mécanique Le matériau peut subir : une déform déformati ation on plasti plastique que par une action action thermi thermique que intern interne e (dilat (dilatati ation) on) ou mécanique externe (action de la pression des électrodes en soudage par point par exemple), un écrouissage.

1.2 Principaux facteurs de la soudabilité Comme Comme déjà mentionn mentionné é la soudab soudabili ilité té dépend dépend non seulem seulement ent du ou des matéri matériaux aux,, mais mais également le procédé de soudage soudage avec son mode opératoire et la construction. Le tableau 1 présente un résumé des facteurs et conditions à prendre en compte.

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Facteurs de la soudabilité TABLEAU 1 A ces facteurs il y a lieu d'intégrer le facteur humain, à savoir la formation (ou qualification) et la responsabilisation des opérateurs de soudage.

1.2.1 Métal de base La composition du métal de base et la teneur en impuretés ont une influence capitale sur le comportement du matériau. L'ingénieur doit analysé l'influence de chaque élément sur le soudage, comme par exemple dans le tableau 2 pour un acier au C-Mn. Un certain nombre d'outils (formules paramétriques, abaques,..) permettent de prendre en compte l'influence de la composition chimique, citons à titre d'exemple : le carbone équivalent, la dureté sous cordon, paramètre de fissuration à froid, les courbes de fissuration, sensibilité à l'arrachement lamellaire, sensibilité à la fissuration à chaud, ...

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Influence de la composition chimique TABLEAU 2

1.2.2 Métal d'apport Le métal d'apport (Composition chimique, impuretés) entre dans la composition chimique de la zone fondue (Figure 2) et contribue donc largement aux caractéristiques de celle-ci. Le choix d'un métal d'apport doit donc se faire en fonction : du métal de base, des propriétés recherchées mécaniques, chimiques,.. (Choix d'un métal d'apport ayant au moins les mêmes propriétés), du degré de soudabilité de l'acier de base (Choix d'un soudage hétérogène dans le cas des fontes), du taux de dilution entre métal d'apport et métal de base.

1.2.3 Procédés de soudage et modes opératoires La soudabilité d'un matériau dépend du procédé de soudage et du mode opératoire choisi. Les principaux facteurs du procédés ayant une influence sur la soudabilité sont : le type de source (Action thermique, mécanique,...) l'énergie de soudage apportée (Influence sur la vitesse de refroidissement), le coefficient de concentration, le type, la nature, le débit et la qualité de la protection. Au niveau du mode opératoire les principaux facteur sont : la préparation des joints, la position de soudage, les traitements thermiques pré et post opératoires, les parachèvements entre passes ou en fin de soudage (Nettoyage, martelage,...).

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Elaboration du métal fondu Figure 2

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2 ASPECTS THERMIQUES DU SOUDAGE 2.1 Approche globale L'étude L'étude thermique thermique du soudage soudage est basée sur l'analyse l'analyse de l'écoulement l'écoulement de la chaleur dans les pièces à partir d'une source d'énergie. De nombreuses nombreuses expressions expressions mathématiq mathématiques ues sont proposées pour la répartition répartition thermique en régime transitoire ou stationnaire. Ces expressions sont établies par la résolution de l'équation aux dérivées partielles de la conduction de la chaleur dans les solides.

div (k . grad T ) + qi = ρ c dT dt avec : k qi ρ

c

conductivité thermique source interne densité du solide chaleur spécifique

Les solutions proposées dépendent de la méthode de résolution (analytique ou numérique) et des hypothèses émises sur les domaines suivants : le flux thermique dans les pièces (bi ou tridimensionnel) la source de chaleur (ponctuelle, gaussienne,..) les propriétés du matériau (fonction ou non de la température) les pertes à la limite du domaine (convection, rayonnement). le degré de couplage avec les autres phénomènes (électromagnétisme, métallurgie, mécanique). Devant la complexité de cette analyse l'ingénieur se pose les questions suivantes : Comment prendre en compte de la fusion? La plupart des études menées ne sont basées que sur la conduction dans les solides, incluant des pertes surfaciques (Convection libre et radiation). Il est évident que ces études ne peuvent peuvent servir que pour la prédiction prédiction des répartitions répartitions thermiques thermiques hors de la ZF, prédiction bien souvent suffisante. Mais, dès lors que l'on veut obtenir des renseignements sur le bain de fusion, il faut tenir compte : des échanges thermiques dans le métal liquide (Convection forcée), des changements de phase (liquide-solide). Cett Cette e déma démarc rche he comp compli liqu que e l'an l'anal alys yse, e, augm augmen ente te les les temp temps s de calc calcul ul et n'es n'estt pas pas indispensable pour une analyse hors du ZF Quel est le régime thermique? Lors du soudage on peut avoir à considérer les deux cas suivants : Régime transitoire La répartition thermique dans l'assemblage est alors fonction du temps de soudage. T = f(x,y,z,t) C'est C'est le rég régime ime,, par exemple, exemple, des périodes périodes d'amor d'amorçag çage e du soudag soudage e à l'arc l'arc ou encore du soudage électrique par point

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10 Régime quasi-stationnaire Dans le cas du soudage de proche en proche, il existe une période durant laquelle la répartition thermique est considérée dans le même système d'axes, ne dépend plus du temps. Cette étape est dite "quasi-stationnaire", c'est à dire stationnaire dans le système d'axes mobile. T = f(x,y,z) Quels phénomènes prendre en compte? La comple complexit xité é d'une d'une étude étude thermi thermique que du soudag soudage e provie provient nt des nombre nombreux ux coupla couplage ge (Figure 3) avec les autres phénomènes, à savoir les phénomènes métallurgiques et mécaniques.

Couplage FIGURE 3 Quel est le modèle de la source? La modélisation de la source énergétique est évidement un point important de l'analyse. Il convient de déterminer les points suivants : Localisation de la source: interne (point) externe (arc), Forme de la source: ponctuelle, linéaire, gaussienne,... Source mobile ou stationnaire, Données numériques: Energie nominale, rendement, tache efficace. Il manque à l'heure actuelle des données fiables relatives aux sources énergétiques. Ceci oblige à un recalage par une mesure directe ou indirecte.

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11 Comment se comporte le matériau? Les propriétés thermiques thermiques du matériau matériau sont fonctions fonctions de la température. température. Les calculs doivent évidement tenir compte de ce fait avec les inconvénients suivant : Manque Manque de données données numéri numérique ques s pré précis cises es sur les proprié propriétés tés surtou surtoutt à haute haute température (Les données sont souvent interpolées). Prise en compte des changements de phases Caractérisation des propriétés du matériau à l'état liquide et surtout au niveau de la zone de liaison (Mélange liquide-solide).

2.2 Objectifs de l'analyse thermique du soudage Les object objectifs ifs de l'anal l'analyse yse thermi thermique que du soudag soudage e peuvent peuvent être être classé classés s suivan suivantt les trois trois catégories suivantes : Etude de la formation du bain de fusion Prévision des cycles thermiques dans la ZAT Etude thermomécanique des assemblages soudés Selon Selon l'obje l'objecti ctiff que se fixe fixe l'ingé l'ingénie nieur, ur, la modéli modélisat sation ion du systèm système e (Sourc (Source, e, matéri matériau, au, assemblage,...) et les méthodes de résolutions (Analytique, numérique, expérimentale) seront différentes.

2.2.1 Etude du bain de fusion Le buts d'une telle étude peuvent être la prévision : de la morphologie du bain, des phénomènes physico-chimiques dans le métal liquide, des transformations de structures lors du refroidissement. Le bain de fusion est le siège de phénomènes complexes : Transfert thermique Transfert électrique Mouvement du métal liquide Le bain de fusion est soumis a un ensemble de forces internes ou externes : Gravité Pression de l'arc Forces électromagnétiques Tension superficielle Les principaux phénomènes ayant une action sur la répartition de la température dans les tôles et dans le bain sont les suivants : Apport de chaleur par l'intermédiaire de l'arc. Echauffement interne par effet Joule. Transfert interne de chaleur par convection forcée (dans le bain) et par conduction (dans le métal solide). Pertes par convection et rayonnement en surface des pièces. Chaleur latente à l'interface liquide-solide. La mise mise en équati équations ons des phénom phénomène ènes s précéde précédents nts,, puis puis leurs leurs résolu résolutio tions ns se heu heurte rtent nt à plusieurs difficultés : Méconnaissance de valeurs numériques de certaines données comme le rendement de l'arc et ou coefficient de concentration de la distribution thermique. Difficult Difficultés és pour prendre en compte compte certains certains paramètres, paramètres, comme l'angle d'aff–tage d'aff–tage des électrodes, le débit du gaz de protection,... Mise en équation délicate de certains phénomènes comme l'effet Marangoni.

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2.2.2 Prévision des cycles thermiques dans la ZAT Dans ce cas, l'étude thermique du soudage, abordée par le calcul poursuit deux objectifs : Déte Déterm rmin iner er les les rép répar arti titi tion ons s ther thermi miqu ques es,, c'es c'estt à dire dire la carte carte des temp tempér érat ature ures s maximales (Figure 4) atteintes en fonction de l'espace T = f(x,y,z). on obtient alors la répartition thermique.

Répartition thermique FIGURE 4 Déterminer les régimes thermiques, c'est à dire donner en un point de la pièce soudée le cycle cycle thermique thermique (Fi (Figur gure e 5) : c'est à dire la variation de température du point considéré en fonction du temps T = f(t). On déterminera en particulier : la température maximale T m atteinte, le temps de maintien t au-dessus d'une température critique T c, la loi de ref refroidissement qui sera repré présentée par le tem emp ps de refroidissement entre deux températures, 800°C et 500°C par exemple.

Cycle thermique FIGURE 5

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13 Dans la pluparts des applications on peut se contenter d'une approche analytique avec des hypothèses simplifiées: Propriétés physiques du matériaux constantes Conditions adiabatiques (pas de pertes en surfaces) Pas de sources internes par effet Joule (sauf évidement pour le soudage par résistance) Source de chaleur ponctuelle Etat quasi-stationnaire Pas de transfert de métal La figure 6 montre un exemple de résolution à partir de ces hypothèses.

Répartition thermique (Exemple) FIGURE 6

2.2.3 Etude thermomécanique des assemblages soudés Dans Dans ce cas, cas, il est obligato obligatoire ire de pouvoi pouvoirr tenir tenir compte compte du coupla couplage ge entre entre les différen différents ts phénomènes et seule une résolution numérique est alors envisageable. 2.2.3.1 Etat quasi-stationnaire Dans le cas du soudage à l'arc d'une pièce aux dimensions finies, le processus de propagation de la chaleur comporte la succession de trois étapes distinctes : Une Une étap étape e de satu satura rati tion on calo calori rifi fiqu que, e, pend pendan antt laqu laquel elle le la rép répar arti titi tion on therm thermiq ique ue,, considérée dans un système d'axes lié à la source de chaleur, peut s'exprimer par une fonction croissante du temps. Une étape durant laquelle la répartition thermique considérée dans le même système d'axes, ne dépend plus du temps. Cette étape est dite "quasi-stationnaire", c'est à dire stationnaire dans le système d'axes mobile. Une étape étape pendant pendant laquel laquelle le les tempér températu atures res s'unif s'uniform ormise isent nt dans dans les pièces pièces.. Cette Cette étape est dite d'homogénéisation des températures. On ne considère en général que la deuxième étape, ce qui revient à négliger les périodes d'amorçage et d'extinction des soudures.

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14 Cet état permet d'introduire d'introduire la notion de solide thermique (Figure 7) représentant l'état des température autour de la source de soudage. Les coupes par des plans parallèles au cordon donnent les cycles thermiques. Les Les coup coupes es par par des des plan plans s perp perpen endi dicu cula lair ires es au cord cordon on donn donnen entt les les rép répar arti titi tion ons s thermiques. Dans Dans ces méthod méthodes es des hypoth hypothèse èses s simpli simplific ficatr atrice ices s sont sont nécess nécessair aires es afin afin de facili faciliter ter la résolution. En général, ces hypothèses concernent : Le nombre de phases en présence. Souvent seule la résolution de la conduction est envisagée, ce qui revient à négliger la zone liquide. Les propriétés propriétés thermiques thermiques du matériau. matériau. Elles peuvent peuvent être supposées supposées constantes constantes ou présentées des lois de variation difficiles à obtenir surtout à haute température. La source de chaleur Q. Elle est supposée ponctuelle ou de forme gaussienne.

Solide thermique FIGURE 7 De nombreuses résolution ont été proposées par des méthodes analytiques ou numériques. Dans ce qui suit nous présentons un exemple de résolution tiré des étude de Rosenthal et Rykaline 2.2.3.2 Répartition thermique Dans l'état quasi-stationnaire, la répartition de température à un point P(x,y,z) d'un corps semi-infini est donnée par l'expression (Figure 8) :

T ( x, y, z ) =

-v(x+ r)/2a q 2π k r e

où q est l'énergie de la source de soudage (J/s) k est la conductivité thermique du d u matériau (J/cm.s.°C) a est la diffusivité thermique du matériau (cm2 /s) v la vitesse de déplacement de la source de soudage (cm/s) r2 = x2 + y2 + z2

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Répartition thermique (Rykaline) FIGURE 8 De l'expre l'expressi ssion on précéden précédente te on peut peut tirer tirer les expressio expressions ns de la rép répart artiti ition on pour pour les tôles tôles épaisses (Epaisseur infinie) et les tôles minces. Tôles épaisses La rép répart artiti ition on de la tempér températu ature re est obtenu obtenue e par superpo superposit sition ion des tempéra températur tures es correspondantes à des corps semi-infinis. L'expression de cette répartition est donnée par :

T ( x, y, z ) =

∑

-v(x+ r )/2a q 2π k r n e n

où : rn2 = x2 + y2 + (z - 2n δ)2 Tôles minces Dans ce cas, l'expression devient :

T ( x, y, z ) =

-v.x/2a q K 0(r ) e 2π k r

où : K0 Fonction de Bessel d'ordre 0 de seconde espèce r2 = x2 + y2 La figure 9 montre un exemple de résolution.

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Répartition thermique (Rykaline) FIGURE 9

2.3 Cycles thermiques de soudage Le cycl cycle e therm thermiq ique ue dans dans les les asse assemb mbla lage ges s soudé soudées es joue joue un rôle rôle prépo prépond ndér éran antt dans dans les les performances atteintes par cet assemblages. En effet il conditionne : l'élaboration de la zone fondue, les modifications de structures dans la zone thermiquement ther miquement affectée, l'apparition des déformations et des contraintes. Il est donc important de maîtriser les composantes principales du soudage qui conduisent à un cycle thermique déterminé. L'étude du cycle thermique peut se faire par : enregistrement in situ, analyse expérimentale, prévision analytique, calcul numérique.

2.3.1 Introduction Les études relatives à la métallurgie du soudage montrent que les transformations subies au refr refroi oidi diss ssem emen entt par par le mé méta tall de base base dépe dépende ndent nt de l'ét l'état at init initia iall de sa stru struct ctur ure e avan avantt refroi refroidis dissem sement ent et de la vitess vitesse e à laquel laquelle le ce refroi refroidis dissem sement ent s'effe s'effectu ctue. e. L'étude L'étude du cycle cycle thermique est donc une nécessité. L'état initial de la structure du métal dépend de la température maximale atteinte au cours du soudage soudage et de la durée de séjour au-dessus au-dessus des différentes différentes températures températures de transforma transformations tions structurales (Ac3 pour les aciers). Pour caractériser la vitesse de refroidissement, on utilise la durée de refroidissement tr 800-500 entre 800 et 500°c (Figure 10). 10). Ce paramètre est souvent le seul caractérisant l'ensemble du cycle thermique. Nous nous limiterons dans ce qui suit à l'étude de ce dernier.

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Durée de refroidissement FIGURE 10

2.3.2 Paramètres du cycle thermique Les cycles thermiques dans les assemblages soudés sont provoquer : pour le chauffage par un apport de chaleur à partir de la source de soudage. Il convient dans ce cas de distinguer les sources mobiles (soudage à l'arc) et les sources fixes (soudage par point). Dans ce qui suit nous consacrerons la majeure partie aux sources mobiles, amis il convient de noter que la démarche et l'analyse sont les mêmes pour les sources stationnaires. pour pour le refroidi refroidisse ssemen mentt par une évacuat évacuation ion de la chaleur chaleur dégager dégager au niveau niveau de la source par : conduction dans les pièces, convection et rayonnement à la surface des pièces. Dans ce qui suit, il faut considérer les pièces comme les parties froides d'un système dont la partie chaude est la soudure. Pour un procédé de soudage donné, les paramètres exerçant une influence sur la durée de refroidissement sont (Figure 11) : les propriétés thermiques du matériau, la température initiales des pièces, la massivité de la pièce, l'énergie de soudage.

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Facteurs du cycle thermique FIGURE 11 2.3.2.1 Influence de la massivité La vitesse de refroidissement augmente bien évidement avec celle de l'épaisseur, cependant il faut intégrer d'autres d'autres facteurs facteurs comme le matériau matériau et surtout surtout la source source de chaleur (Energie et concentration). On note note l'ex l'exis iste tenc nce e d'un d'une e épai épaiss sseu eurr crit critiq ique ue ec au dess dessus us de laqu laquel elle le le temp temps s de refroidissement se stabilise (Figure 12-a) : Pour des épaisseurs inférieures à ec (Figure 12-b), 12-b), l'écoulement thermique est bither thermi miqu que, e, la répa répart rtit itio ion n therm thermiq ique ue et donc donc le temp temps s de refroi refroidi diss ssem emen entt tr800-500 dépendent de l'épaisseur Pour des épaisseurs épaisseurs supérieures supérieures à ec, l'écoulement l'écoulement thermique thermique est tri-thermiq tri-thermique, ue, la répartition thermique et donc le temps de refroidissement tr 800-500 sont indépendants de l'épaisseur. Comme signaler plus haut, la valeur de l'épaisseur critique critique ec dépend mais aussi de l'énergie de soudage. Une augmentation augmentation de l'énergie l'énergie de soudage soudage permet d'obtenir des pénétration pénétration plus importante importante et donc donc de cons consid idér érer er l'éc l'écou oule leme ment nt biax biaxia iall pour pour des des épai épaiss sseu eurr plus plus impo importa rtant nte, e, d'où d'où l'accroissement de ec (Figure 12-c). 12-c).

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Influence de l'épaisseur FIGURE 12 2.3.2.2 Influence de la préparation La géométrie de l'assemblage doit être également prise en compte. En effet tout les autres paramètres énergétiques et thermiques étant égaux l'écoulement thermique dans les pièces est influencée par ce paramètre. Ce phénomène peut être représenté par la notion d'indice de sévérité thermique ou de chemins de dispersion. Par exemple (Figure 13-a) : pour un soudage à la surface d'une tôle, l'écoulement est bi-thermique un asse assemb mbla lage ge en angl angle e de tôle tôles s de mê même me épai épaiss sseu eur, r, l'éc l'écou oule leme ment nt est est tritrithermique, avec un refroidissement plus rapide. De même dans les assemblages bout à bout chanfreinés la forme du chanfrein et la valeur de l'angle, modifie l'écoulement thermique dans l'assemblage Par exemple (Figure 13-b) : un chanfrein en V a tendance à freiner l'écoulement thermique, pas un effet de concentration en bout de chanfrein, un chanfrein en Y a l'effet inverse.

Influence de la préparation FIGURE 13

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20 Les Les trav travau aux x de Ryka Rykali line ne ont ont perm permis is de prop propos oser er un une e mé méth thod ode e simp simpli lifi fiée ée basé basée e sur sur l'introduction du concept d'énergie équivalente, définie par un coefficient d'équivalence Kf qui tient compte du type de joint. L'énergie équivalente Eeq est à partir partir de l'énergie efficace efficace Eeff par : Eeq = Eeff . Kf Les joints soudés peuvent être classés en deux catégories : les joints bout à bout avec ou sans chanfrein les assemblages a recouvrement ou en angle Le tableau 1 donne les valeurs du coefficient Kf. Soudage Soudage à plat K=1 emin

emin

emax

emax

0

0,25 0,5 0,75

1

K

1

0,88 0,80 0,72 0,67

Facteur de forme K Forme

Chanfrein en Y

Chanfrein en V

Chanfrein en X

45°

60°

75°

90°

0,5 7

0,60

0,63

0,67

1,33

1,50

1,72

2

0,67

0,75

0,85

1

Coefficients d'équivalence Kf TABLEAU 3 2.3.2.3 Influence de la température initiale La température initiale du métal de base joue un rôle important vis à vis du cycle thermique, ainsi que de la répartition thermique. Une Une augm augmen enta tati tion on de la temp tempér érat atur ure e init initia iale le se trad tradui uitt par par un une e augm augmen enta tati tion on (Figure 14) : de la température maximale atteinte, du temps de séjour à haute température, du temps de refroidissement, de la zone thermiquement affectée. L'augmentation de la température initiale peut-être : provoquée dans le cas du préchauffage, inhérente au soudage dans le cas du soudage multipasses. Une diminution de la température initiale se traduit par les effets inverses. D'où les précautions à prendre lors du soudage par temps froid (dégourdissage).

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Influence de la température initiale FIGURE 14 2.3.2.4 Influence du matériau Les propriétés thermiques (Chaleur massique, conductivité thermique) du matériau ont une influence sur l'écoulement de la chaleur dans les pièces. Un matériau présentant une conductivité thermique élevée entraîne : une un e fusi fusion on plus plus diff diffic icil ile e à caus cause e des des per perte tes s par par cond conduc ucti tion on (Néc (Néces essi sité té de préchauffe, cas du cuivre par exemple) une augmentation de la zone thermiquement affectée, une augmentation de la vitesse de refroidissement (les autre paramètres restant les mêmes). Un matéri matériau au pré présen sentan tantt une chaleu chaleurr massiq massique ue élevée élevée entraî entraîne ne la nécess nécessité ité d'une d'une puissance plus importante.

2.3.3 Détermination du temps de refroidissement Les express expression ions s mathém mathémati atique ques s propos proposées ées par la suite suite sont sont établi établies es par une résolu résolutio tion n analytique de l'équation aux dérivées partielles de la conduction de la chaleur dans les solides détaillée par ailleurs. Rappelons les hypothèses effectuées : pièces finies, source de chaleur ponctuelle, pas de prise en compte de fa fusion, propriétés du matériau indépendantes de la température, domaine adiabatique, pas de couplage avec les autres phénomènes. 2.3.3.1 Expressions mathématiques Pour Pour le souda soudage ge à l'arc l'arc des aciers aciers couran courants ts de constr construct uction ion l'express l'expression ion de la durée durée de refroidissement peut se mettre sous les formes suivantes : Tôles fortes épaisseurs

tr 800− 500 = 0,24 Eeq

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  1 1 2π k  ρ 5 c5 (500 - T0) ρ 8 c8 (800 - T0)  1


22 Tôles minces

0,24 Eeq  tr 800− 500 =    e

2

 1  1 1 4π k  ρ 5 c5 (500 - T0) ρ 8 c8 (800 - T0) 

avec : Eeq e k T0 ρ5 et ρ8 c5 et c8

énergie équivalente en J/cm épaisseur de la pièce en cm diffusivité thermique en cm2 /s température initiale des tôles masse volumique à 500 et 800°C en kg/cm 3 chaleur massique à 500 et 800°C en cal/kg.°C

Pour les aciers : ρ5 c5 = 1,26 cal/cm 3.°C ρ8 c8 = 1,26 cal/cm 3.°C k = 0.054 cm/s Le choix entre tôles minces et tôles fortes se fait par comparaison de l'épaisseur avec une épaisseur critique ec. Epaisseur critique

tr 800− 500 = 0,24 Eeq

 1  1 1 2π k  ρ 5 c5 (500 - T0) ρ 8 c8 (800 - T0) 

2.3.3.2 Abaque La détermination de tr800-500 peut également se faire avec un abaque (Figure 15). 15). La figure 16 montre un exemple d'utilisation de cet abaque. On étudie dans ce cas un assemblage en Té soudé dans les conditions suivantes: Energie équivalente : 15KJ/cm Température de préchauffage : 200°c Les flèches indiquent l'utilisation de l'abaque : Entrée de l'épaisseur et de l'énergie Décalage pour tenir compte de la température de préchauffage Détermination du tr Apres interpolation entre deux courbes on obtient un tr de 13s.

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23

Abaque de refroidissement FIGURE 15

Exemple d'utilisation de l'abaque de refroidissement FIGURE 16

Soudabilité


24 2.3.3.3 Application au soudage multipasses Dans ce cas, chaque passe superpose son cycle thermique à celui de la passe précédente, provoquant ainsi une évolution des structures et des propriétés résultantes. Pour un point situé dans la zone affectée par la première passe, on peut noter (figure 17) que : la température maximale atteinte baisse, la vitesse de refroidissement diminue. Il en résulte que le cycle le plus sévère est celui de la première passe. Par ailleurs, chaque passe provoque une régénération structurale de métal fondu et du métal de base (pour les aciers possédant un point de transformation allotropique). Pour un point situé dans la zone affectée par la dernière passe, on note que : le cycle le plus sévère est le dernier, ce cycle est moins sévère que celui du point situé près du premier cordon, il n'y a pas régénération de la structure.

Soudage multipasses FIGURE 17

Soudabilité


25

3 ASPECTS THERMO-MECANIQUES DU SOUDAGE 3.1 Genèse des contraintes et des déformations Pour obtenir dans une pièce des déformations de retrait et des contraintes résiduelles trois conditions sont nécessaires. Il faut que : le matériau de la pièce se déforme sous une sollicitation thermique, la répartition thermique soit non homogène, la pièce subisse une plastification. Ces trois trois condit condition ions s nécess nécessair aires es sont sont suffis suffisant antes es pour pour obteni obtenirr des déform déformati ations ons de retrai retraitt tandis que pour provoquer des contraintes résiduelles il faut de plus que les déformations soit bloquées totalement ou partiellement. Le principe d'apparition des déformations et des contraintes lors du soudage est illustré par la figure 18, 18, la soudure et une zone voisine étant remplacées par un barreau de longueur initiale l0.

Genèse des contraintes et des déformations FIGURE 18 Trois cas sont considérés : Cas N°1 Dilatation et retrait libres C'est le cas de référence Cas N°2 Dilatation bloquée et retrait libre. Il permet d'expliquer les déformations Cas N°3 Dilatation et retrait bloqués. Il permet d'expliquer les contraintes résiduelles Les propriétés physiques et mécaniques des matériaux varient fortement avec la température. La fig figure ure 19 schéma schématis tise e la variat variation ion de la déform déformati ation on élasti élastique que εe pour pour un acie acierr doux doux (abs (absen ence ce de trans transfo form rmat atio ion n mé méta tall llurg urgiq ique ue). ). On a supe superpo rposé sé à cett cette e cour courbe be cell celle e de la déformation thermique εth.

Soudabilité


26

3.1.1 Cas N°1 Les déform déformati ations ons thermi thermique ques s εth sont sont libres libres longit longitudi udinal nales es et suppos supposées ées linéai linéaires res (Figure 20). 20). th

=

T

Déformation élastique et thermique FIGURE 19

Cas n°1 FIGURE 20

Soudabilité


27

3.1.2 Cas N°2 (Figure 21) Chauffage Il y a apparition de contraintes de compression σc. On doit alors différencier les cas suivant que σc devient supérieure à la limite élastique. Si T < T1, σc = E εth < Re avec εth = λ.T Si T > T1, σc > Re Il y a alor alors s plas plasti tifi fica cati tion on du maté matéria riau, u, avec avec appa appari riti tion on d'un d'une e déform déformat atio ion n plastique permanente εp p

=

th

- e=

T-

e

Refroidissement Il y a annulation des contraintes et apparition d'un retrait dans le cas d'une plastification au cours du chauffage Annulation des contraintes σr = 0 Apparition d'un retrait εr = εp

Cas n°2 FIGURE 21

Soudabilité


28

3.1.3 Cas N°3 (Figure 22) Chauffage Même phénomènes que pour le cas N°2 Refroidissement Dans le cas d'une plastification au cours du chauffage, le retrait εr est alors empêché, ce qui se traduit par l'apparition de contraintes résiduelles σr de traction. Retrait empêché εr = 0 Apparition de contraintes résiduelles σr de traction Si T < T2, σr = E εp < Re avec εp = λ T - εe Si T > T2, σr > Re

Cas n°3 FIGURE 22

Soudabilité


29

3.2 Déformations au cours du soudage 3.2.1 Types de retrait Dans Dans les assem assembla blages ges soudés soudés,, les condi conditio tions ns nécess nécessair aires es et suffis suffisant antes es pour pour obteni obtenirr des retraits et des contraintes résiduelles sont pratiquement toujours satisfaites. La figure 23 suivante montre les principaux types de retraits : le retrait longitudinal rl le retrait transversal rt le retrait suivant l'épaisseur re le retrait angulaire rϕ qui est défini par la rotation relative des pièces. Notons, aussi les effets du retrait sur : la courbure ρ, due à l'excentricité de la soudure. le serrage, dû au décalage du retrait transversal dans le temps et l'espace.

Figure 23 Types de retraits

3.2.2 Facteurs importants Les facteurs importants importants ayant ayant une action sur les assemblage assemblages s soudés soudés sont classés en quatre catégories : Facteurs métallurgiques (nature, propriétés du matériau,..) Facteurs géométriques (Section (Section et forme des joints, joints, forme des chanfreins, chanfreins, épaisseur épaisseur des pièces, longueur des joints,..) Facteurs d'exécution (Nombre de passes, séquence de soudage, énergie de soudage, position de soudage, température des pièces,..) Facteurs de bridage (Rigidité des pièces, montage de soudage,..) 3.2.2.1 Facteurs métallurgiques Les propriétés thermiques du matériau influent sur les déformations, en particulier : Le coefficient de dilatation. Une valeur importante entraînera des déformations plus importantes à cause d'une localisation du chauffage et de retraits plus grands. Si les tôles sont bridées, le risque de criques est alors plus grand. La conductivité thermique. Une valeur faible entraînera une zone chauffée plus faible et une vitesse de refroidissement plus grande.

Soudabilité


30 3.2.2.2 Facteurs géométriques La conception conception et la préparation préparation du joint ont une grande importance importance sur les déformations. déformations. Les principaux facteurs en prendre en compte sont les suivants : Sections et forme des joints Une augmentation de la section du cordon (Figure 24) entraîne une augmentation des déformations. Forme des chanfreins La figure 25 montre l'importance du chanfrein, et donc du volume de métal fondu sur les déformations. Epaisseur des pièces Longue Longueur ur des joints joints.. Le soudag soudage e en cordon cordons s discon discontin tinus us per permet met une limita limitatio tion n des déformations (Figure 26). 26).

Influence de la section du cordon FIGURE 24

Influence du types de chanfrein FIGURE 25

Soudabilité


31

Influence de la longueur du cordon FIGURE 26 3.2.2.3 Facteurs d'exécution Les principaux facteurs d'exécution à contrôler sont les suivants : Nombre de passes L'influence du nombre de passes est complexe (Figure 27) : des passes étroites et nombreuses augmentent les déformations angulaires et transversales, des des pass passes es larg larges es obte obtenu nues es par par bala balaya yage ge augm augmen ente tent nt les les défo déform rmat atio ions ns longitudinales.

Influence du nombre de passes FIGURE 27 Séquence de soudage Il existe un ordre d'exécution des soudures pour lequel les déformations sont minimisées. La détermination de cet enchaînement n'est pas toujours facile à mettre au point. Il existe tout de même quelques règles simples à respecter.

Soudabilité


32 Energie de soudage L'action de l'énergie de soudage sur les déformations dépend : de la valeur de l'énergie de soudage (Une forte énergie est défavorable), de la concentration de cette énergie (Un chauffage hétérogène est défavorable), de la symétrie du chauffage (Une dissymétrie est défavorable). Température des pièces Une traitement de préchauffa préchauffage, ge, par l'homogénéis l'homogénéisation ation que températures températures qu'il apporte, apporte, est favorable à la limitation des déformations. dé formations. 3.2.2.4 Facteurs de bridage Les facteurs de bridage d'une soudure sont de deux types : la rigidité de la pièce, le montage de soudage. Une augmentation du bridage entraînera par opposition une augmentation des contraintes internes et donc du risque de fissuration.

3.2.3 Prévision des déformatio déformations ns La prévision des déformations est nécessaire afin de pouvoir les corriger par : prédéformation inverse, bridage avec déformation élastique opposée, séquence de soudage optimale, chaude de retrait. Les différ différent entes es méthod méthodes es per permet mettan tantt la prévisi prévision on des déform déformati ations ons sont sont classé classées es en trois trois catégories : les bases de données, les formulations paramétriques, les simulations numériques. 3.2.3.1 Bases de données Ces bases de données sont issus d'essais expérimentaux ou de mesures en situation réelle. Elles se présentent le plus souvent, sous la forme d'abaque. A titre d'exemple, nous donnons un abaque pour la prévision des déformations de la semelle d'une poutre en acier (Figure 28). 28).

Déformation de la semelle d'une poutre FIGURE 28

Soudabilité


33 3.2.3.2 Formulations paramétriques De nombreux auteurs se sont penchés sur l'étude l'étude des déformations déformations et plusieurs plusieurs formulations formulations exis existe tent nt.. L'uti L'utili lisa sati tion on de ces ces form formul ules es doit doit se fair faire e avec avec beauc beaucou oup p de préc précau auti tion on et en respectant leur domaine de validité. A titre d'exemple, nous citons quelques formules extraites des études de Blodgett. Retrait transversal avec Rt s e

retrait transversal surface transversale de la zone fondue épaisseur des pièces soudées

Retrait longitudinal avec Rl s L d I

retrait longitudinal surface de la section normale du cordon longueur du cordon distance à la fibre neutre de l'assemblage moment d'inertie

Déformation angulaire d'une poutre i = 0,51 [L a1,3 / e2 ] avec ∆i

L a e

déplacement de l'extrémité de l'aile longueur de l'aile profondeur de gorge de la soudure épaisseur de l'aile considérée

Les formulations précédentes ne sont valables que pour l'acier. 3.2.3.3 Simulations numériques La simulation numérique de la prévisions des déformations est difficile à cause : de la difficulté de modéliser tous les phénomènes en présence (Source de soudage, écoulement thermique, phénomènes métallurgique), du couplage de ces phénomène (Prise en compte de la plasticité de transformation par exemple), de l'absence de données précises sur les matériaux.

3.2.4 Moyens de luttes contre les déformations Les mesures préventives sont classées en trois catégories, suivant leur situation temporelle par rapport à l'opération de soudage : Mesures préopératoires (Conception de la construction, prédéformation,...) Mesures opératoires (Séquence de soudage, montage de bridage,...) Mesures postopératoires (Martelage des soudures, redressage mécanique, chaudes de retrait,...)

Soudabilité


34 3.2.4.1 Mesures préopératoires Conception de la construction (Figure 29) La prise en compte des déformations lors de la conception des ensembles soudés est la méthode la plus efficace pour lutter contre celles-ci. Il n'existe pas de méthode générale pour pour la minimi minimisat sation ion des déform déformati ations ons.. Toutef Toutefois ois on peut énonce énoncerr quelqu quelques es règles règles simples : limitation des volumes de cordons (Utilisation de chanfrein étroit), placement, si possible des cordons sur l'axe neutre de la construction, dispositions symétriques des cordons par rapport à l'axe neutre de la construction, ... Prédéformation (Figure 30) Si la prévision des déformations est possible, soit par calcul ou par base de données, il est possible de compenser celles-ci par des prédéformations en sens inverse.

Conception de la construction FIGURE 29

Prédéformation FIGURE 30 Soudabilité


35 3.2.4.2 Mesures opératoires Mode opératoire de soudage Les déformations seront d'autant plus importantes que le volume de métal fondu sera important. Tout mode opératoire limitant ce volume favorisera donc la stabilité de la construction au cours de sa réalisation. En particulier les conditions de soudage suivantes sont favorables : surépaisseurs faibles, soudage à passes étroites, diminution du nombres de passes, ... Séquence de soudage (Figure 31) La détermi déterminat nation ion de l'ordre l'ordre dans dans lequel lequel les différ différent entes es soudur soudures es sont sont exé exécut cutées ées est importante pour la lutte contre les déformations. Là aussi, il n'existe pas de méthode générale pour la minimisation des déformations. Toutefois on peut énoncer quelques règles simples : soudag soudage e en sous-e sous-ense nsembl mbles es pouvan pouvantt être corrig corrigés és pour pour finir finir par les liaiso liaisons ns principales. soudage symétrique d'éléments symétrique soit à l'aide de plusieurs opérateurs symé symétr triq ique ueme ment nt disp dispos osés és,, soit soit par par exéc exécut utio ion n de soud soudur ures es frac fracti tion onné nées es et opposées, soudage à retrait transversal libre, soudage de cordon de longueur limitée, comme dans le cas du soudage en pas de pèlerin.

Séquence de soudage FIGURE 31 Montage de soudage Afin d'éviter les déformations les éléments sont assemblés sur des montages de soudage ou mannequins. Les rôles de ces montages sont les suivants : mise en place rapide et précise des éléments à assembler, accessibilité aux joints, résistance aux déformations, évacuation de la chaleur, évacuation de l'ensemble soudé. Dans le cas de pièces plus simple ou de grande dimension, le bridage des pièces peut également se faire : sur un marbre, en bridant deux pièces identiques.

Soudabilité


36 3.2.4.3 Mesures postopératoires Martelage des soudures (Figure 32) Le martelage consiste à provoquer localement par chocs des déformations plastiques perm permet etta tant nt un allo allong ngem emen entt du cord cordon on compe ompens nsa ant son retra etrait it au cou cours du refroidissement de la soudure. Le martelage peut se faire soit en fin de soudage, soit entre passes sur le métal chaud. Il est généralement effectuer à l'aide de marteaux pneumatiques permettant des chocs d'intensité régulière. Cette opération réclame les précautions pr écautions suivantes : application sur des matériaux ductiles permettant d'accepter un écrouissage sans rupture, application homogène sur tout un dépôt par un opérateur qualifié, application durant un temps contrôlé.

Martelage FIGURE 32 Redressage mécaniques Le redressage mécanique d'ensembles déformés se fait à la presse à froid ou à chaud suivant : le matériau et son épaisseur, l'importance des déformations, la morphologie de la construction. C'est une opération opération délicate qui risque dans certains cas d'endommager d'endommager la constructi construction on par apparition de fissures par exemple. Chaudes de retrait (Figure 33) La méthode consiste en une opération de chauffage rapide et localisée de certaines zones des pièces, afin d'obtenir au refroidissement une contraction locale du métal aux endroits qui ont été chauffés. Cette contraction entraîne donc une déformation provoquant : un formage si la pièce était sans déformation, un redressage si la pièce était préalablement déformée. Les chaudes de retrait se pratiquent le plus souvent manuellement avec une source de chaleur : soit se déplaçant en ligne, soit immobile ou animée d'un mouvement circulaire, provenant soit d'un flamme, soit d'un d' un chauffage par induction.

Soudabilité


37

Le phénomène entraîne : l'apparition de contraintes résiduelles, des modifications des propriétés du métal par surchauffe, vieillissement et revenu. Pour ces raisons, il est nécessaire de maîtriser les paramètres des chaudes de retrait : cycle thermique, dimension de la zone chauffée.

Chaudes de retrait FIGURE 33

3.3 Contraintes dans les assemblages soudés 3.3.1 Contraintes résiduelles 3.3.1.1 Contraintes résiduelles directes Pendant le soudage, les zones du métal de base voisines de la soudure sont portées à haute température et leur dilatation est entravée par les zones plus éloignées et donc plus froides. Il en résulte un écrasement plastique des zones voisines de la soudure. Au cours du refroidissement, le retrait du cordon et des zones précédentes est totalement ou partiellement empêché. Des contraintes de traction σx prennent naissance (Figure 34) dans le cordon. Ces contraintes sont équilibrées par de la compression dans les zones éloignées. Des contraintes transversales σy prennent également naissance au cours du refroidissement.

Soudabilité


38

Genèse des contraintes résiduelles FIGURE 34 3.3.1.2 Contraintes résiduelles indirectes Par ailleurs il faut tenir compte du bridage : par la construction soudée, par le montage de soudage. Contrairement au cas précédent, il n'y a pas un équilibre des contraintes dans la pièce. 3.3.1.3 Influences des contraintes résiduelles Les contraintes résiduelles affectent le comportement des assemblages soudés. On distinguent trois grandes causes : Instabilité dimensionnelle (Lors d'un réchauffage, d'un enlèvement de matière, de l'introduction de nouvelles contraintes,...), Endommagementt de la const Endommagemen construct ruction ion (Par fissuration fissuration à froid, fissuration fissuration à chaud, chaud, fissuration au réchauffage, arrachement lamellaire,...), Influence sur la résistance des pièces (Tenue (Tenue mécanique, mécanique, processus de rupture, rupture, vieillissement, corrosion sous contrainte,...).

3.3.2 Facteurs importants Les facteurs importants ayant une action sur les assemblages soudés sont identiques à ceux cités pour les déformations. 3.3.2.1 Facteurs métallurgiques Les propriétés thermiques du matériau influent sur les contraintes, en particulier : Le coefficient de dilatation. Une valeur importante entraînera des contraintes (si les tôles sont bridées) plus importantes à cause d'une localisation du chauffage et de retraits plus grands. La conductivité thermique. Une valeur faible entraînera une zone chauffée plus faible et une vitesse de refroidissement plus grande.

Soudabilité


39 3.3.2.2 Facteurs géométriques La conception conception et la préparation préparation du joint ont une grande importance importance sur les déformations. déformations. Les principaux facteurs en prendre en compte sont les suivants : Sections et forme des joints. Forme des chanfreins. Epaisseur des pièces Longueur des joints. 3.3.2.3 Facteurs d'exécution Les principaux facteurs d'exécution à contrôler sont les suivants : le nombre de passes, c'est à dire passes étroites ou passes larges, la séquence de soudage, l'éner l'énergie gie de soudag soudage e (Valeu (Valeurr maxima maximale, le, concen concentra tratio tion n de l'éner l'énergie gie,, symétri symétrie e du chauffage, la température des pièces. 3.3.2.4 Facteurs de bridage Les facteurs de bridage d'une soudure sont de deux types : la rigidité de la pièce, le montage de soudage. Une augmentation du bridage entraînera une augmentation des contraintes internes et donc du risque de fissuration.

3.3.3 Estimations des contraintes résiduelles Le calcul des contraintes est possible soit par des méthodes analytiques, soit par des méthodes numériques. Toutefois dans la plus part des cas, le bridage des pièces assemblées par le reste de la construction ou par les montages de soudage rend ce calcul difficile. On peut lors se référer à un classement qualificatif des constructions soudées en trois classes (Figure 35), 35), permettant l'estimation de σs en fonction de la limite élastique R e du matériau : A - Assemblages à bridage faible, pour lesquels on prend σs = R /3 e/3 B - Assemblages à bridage moyen, pour lesquels on prend σs = 2Re /3 C - Assemblages à bridage élevé, pour lesquels on prend σs = Re Le classement des constructions soudées se fait en analysant la rigidité de la construction, comme le montre la figure 36 en s'aidant de la.

Soudabilité


40

Classement des construction soudées FIGURE 35

Estimation des contraintes FIGURE 36

3.3.4 Intensité de bridage L'intensité de bridage Kb est l'un des moyens d'évaluer la grandeur des contraintes résiduelles la fissuration des soudures. soudures. Le concept d'intensité de bridage se se défini sur σs et la sensibilité à la un assemblage simple constitué de deux tôles soudées bout à bout dont les deux extrémités sont encastrées, comme dans le cas de l'essai RRC (Figure 37). 37).

Soudabilité


41

Intensité de bridage FIGURE 37 Kb est la force transversale nécessaire (par unité de longueur) pour rapprocher les bords à souder d'une unité de longueur. Kb s'exprime en daN/mm.mm. Elle est fonction : du module d'élasticité du matériau, de l'épaisseur e des tôles, de la longueur libre l. Il est alors possible possible de relier Kb et les contraintes résiduelles σs (Figure 38) : Si σs < Re, alors on a : = m Kb

s

avec Kb intensité de bridage m facteur géométrique fonction de l'assemblage et du matériau. Si σs > Re, on suppose que le métal fondu est parfaitement plastique On a alors : s

= R e

Relation intensité de bridage - contraintes de soudage FIGURE 38 La détermination de se fait : soit, expérimentalement (Figure 39), 39), soit, par calcul numérique.

Soudabilité


42

Exemples d'intensité de bridage FIGURE 39

3.3.5 Mesures correctives Les opérat opération ions s correc correctiv tives es dans dans ce domain domaine e sont, sont, en généra général, l, délica délicates tes et coute couteuse uses. s. On distin distingue gue les opérat opération ion de relaxa relaxatio tion n thermi thermique que et de relaxa relaxatio tion n mécani mécanique que (Marte (Martelag lage, e, grenaillage, vibration,...). 3.3.5.1 Relaxation thermique La relaxation thermique consiste à faire subir à la construction soudée un revenu de détente comprenant : une montée en température contrôlée (CODAP : 220°C/h maxi si e ≤ 25 mm), une mainti maintien en en tempéra températur ture e (CODAP (CODAP pour pour acier acier C-Mn C-Mn : T = 530 530-58 -580°C 0°C pendan pendantt 2min/mm avec une limite de 30 min maxi), un refroidissement contrôlé (idem chauffage). 3.3.5.2 Relaxation mécanique Trois méthodes sont principalement utilisées pour la relaxation mécanique des contraintes : Un martelage La surface du cordon et d'une zone voisine est mise en compression par l'action d'une marteau ou d'une aiguille (Figure 32). 32). Le but est de produire produire par choc l'écrouissa l'écrouissage ge et la plastification d'une couche superficielle de quelques millimètres. Les paramètres opératoires sont : la forme et la masse du marteau, la vitesse d'impact, le temps de martelage. Ce traitement élimine les contraintes de traction, mais améliore aussi la tenue en fatigue et à la corrosion sous tension.

Soudabilité


43 Un grenaillage Un effet identique est obtenu par projection de grenaille (billes ou fragments d'acier dur) sur la surface du cordon (Figure 40). 40). Les paramètres opératoires sont : la nature de la grenaille, la vitesse et l'angle d'impact de la grenaille, le temps de grenaillage. Les épaisseurs mises en compression sont plus faibles que dans le cas du martelage (Quelques 1/10 de mm).

Grenaillage FIGURE 40 Un traitement par vibration Une réorga réorganis nisati ation on des défaut défauts s à l'éche l'échelle lle atomiq atomique ue est obtenu obtenue e en faisan faisantt vibrer vibrer globalement ou localement l'assemblage à l'aide de pulsateurs. Les paramètres opératoires sont : la fréquence de vibration, le temps de traitement. Pour plus d'information le lecteur se reportera au cours « Traitements des assemblages soudés ».

Soudabilité


44

4 ASPECTS PHYSICO-CHIMIQUES DU SOUDAGE 4.1 Formation du bain de fusion Le bain bain de fusion, fusion, et donc donc la zone fondue fondue qui en découl découle, e, est le siège siège des phénomèn phénomènes es suivants : modifications de composition chimique, absorption de gaz, précipitation de composés définis, transformations eutectiques, modifications structurales. Ces phénomènes physico-chimiques sont fortement influencés par la formation du bain de fusion.

4.1.1 Présentation du bain de fusion La formation formation du bain de fusion fusion conditionn conditionne e ses caractéristiqu caractéristiques es dimensionnel dimensionnelles les (Largeur, (Largeur, pénétra pénétratio tion). n). La déterm détermina inatio tion n de la forme forme du bain bain de fusion fusion est comple complexe, xe, car elle elle fait fait intervenir de nombreux phénomènes difficilement modélisables . Pour le soudage à l'arc en continu, la forme la plus couramment proposée est une ellipse (Figur (Fi gure e 41) 41).. Les action actions s thermi thermique ques, s, dynami dynamique ques, s, électr électroma omagné gnétiqu tiques es provoqu provoquent ent un mouvement du métal en fusion qui contourne latéralement la zone où s'exercent ces actions. Ce phénomène explique les hétérogénéité périodiques qui affectent la zone fondue. L'équilibre énergétique au niveau du bain de fusion peut s'écrire : Qe = Qcp + Qf +Qc + Qp - Qs avec Qe Qcp Qf Qc Qp Qs

Energie fournie par la source de soudage Accroissement de chaleur spécifique Fusion Conduction de bain vers le métal de base Pertes en surface du bain de fusion Solidification

Présentation du bain de fusion Figure 41

Soudabilité


45 Dans le cas d'un régime quasi-statio quasi-stationnair nnaire, e, la variation d'énergie interne est nulle. nulle. L'énergie L'énergie nécessaire à la fusion du métal est équivalente à celle libérée par la solidification du bain. L'énergie de l'arc compense alors les pertes à la surface du bain et la conduction dans le métal de base.

4.1.2 Formation du bain de fusion 4.1.2.1 Physique de formation du bain de fusion La form forme e du bain bain de soudu soudure, re, et en part partic icul ulie ierr sa prof profon onde deur ur condi conditi tion onne ne la qual qualit ité é de l'ass l'assemb emblag lage. e. La morpho morpholog logie ie du bain bain dépend dépend de nombreu nombreux x facteu facteurs, rs, les plus plus import important ants s étant : l'arc électrique, sa forme, sa température, les mouvements du métal liquide dans le bain. Le bain de fusion est le siège de phénomènes complexes (Figure 42) : transfert thermique, transfert électrique, mouvement du métal liquide. Le bain de fusion est soumis a un ensemble de forces internes ou externes (Figure 42) : gravité, pression de l'arc, forces électromagnétiques, tension superficielle. Les principaux phénomènes ayant une action sur la répartition de la température dans les tôles et dans le bain sont les suivants : apport de chaleur par l'intermédiaire de l'arc, échauffement interne par effet Joule, transfert interne de chaleur par convection forcée (dans le bain) et par conduction (dans le métal solide), pertes par convection et rayonnement en surface des pièces, chaleur latente à l'interface liquide-solide.

Formation du bain de fusion FIGURE 42

Soudabilité


46 La mise mise en équati équations ons des phénom phénomène ènes s précéde précédents nts,, puis puis leurs leurs résolu résolutio tions ns se heu heurte rtent nt à plusieurs difficultés : Méconnaissance de valeurs numériques de certaines données comme le rendement de l'arc et ou coefficient de concentration de la distribution thermique. Difficultés pour prendre en compte certains paramètres, comme l'angle d'affûtage des électrodes, le débit du gaz de protection,... Mise en équation délicate de certains phénomènes comme l'effet Marangoni. 4.1.2.2 Convection électromagnétique L'interaction entre l'induction locale et la densité de courant dans le métal crée une force électromagnétique donnée par l'expression (Figure 43) : 

F= j Λ B 



Les interactions entre densité densité de courants électriques , induction et potentiel électrique U sont régies par les équations suivantes :

j = σ ∇ U 





∇ Λ B = µ j 





∇ . j = 0 

avec : conductivité électrique perméabilité magnétique

σ µ

Le mouvement du liquide dans le bain de fusion satisfait aux équations de Navier-Stockes : →

→

→

→ → → → F - 1 ∇ p = ∂ v + (v.∇ ) v + η ∇ 2 v ρ ∂ t

avec : v p

vitesse du fluide pression masse volumique du métal viscosité du métal liquide force électromagnétique sur le métal

ρ η

F

La distribution de température T dans le métal liquide est régie par une équation du type convection-diffusion :

v .∇ T= χ ∆ T 



avec : χ

Soudabilité

diffusivité thermique du matériau


47

Convection électromagnétique Figure 43 4.1.2.3 Tension superficielle La tension superficielle du métal liquide a pour effets : une résistance à la déformation du bain de fusion, un mouvement du à l'effet Marangoni. Résistance à la déformation La tension superficielle résiste à la déformation du bain de fusion (Figure 44). 44). Pour les soudures entièrement pénétrées ou en position, elle évite l'effondrement du bain.

Tension superficielle Figure 44 Effet Marangoni La valeur de la tension superficielle γ d'un liquide est fonction de la température. La présen pré sence ce d'un fort gradie gradient nt de tempéra températur ture e dans dans le bain bain entraî entraîne ne la format formation ion d'un d'un gradient de tension superficielle provoquant un mouvement du métal liquide. Le métal se déplace des régions à basse tension superficielle vers celle à tension superficielle élevée.

Soudabilité


48 Ceci induit à la surface du bain, une composante tangentielle de la forme d γ /dr. La présence de faible concentration d'impuretés modifie la relation tension superficielle température. Suivant la nature et la teneur des impuretés, la tension superficielle change de valeur et même de signe, ce qui entraîne la modification du mouvement de métal liquide et donc, de la géométrie du bain de fusion (Figure 45). 45).

Effet Marangoni Figure 45 4.1.2.4 Résolution Afin de connaître l'influence des phénomènes de convection dans le bain de fusion, il est néce nécess ssai aire re de fair faire e un une e étud étude e coup couplé lée e de tous tous les les phén phénom omèn ènes es (Ele (Elect ctro roma magné gnéti tism sme, e, mécanique mécanique des fluides fluides et thermique). thermique). Toutefois Toutefois cette modélisation modélisation du comporteme comportement nt du bain demande une simplification importante Les hypothèses de calcul généralement admises sont les suivantes : La géométrie est supposée de révolution et les grandeurs sont définies par rapport à un repère cylindrique (r,θ,z). Le régime thermique est permanent, ce qui revient à maintenir un arc statique. Une telle hypothèse donne une idée partielle du régime établi. Le bord de la tôle est à température fixe. Les proprié propriétés tés physiq physiques ues,, hormis hormis la tensio tension n superf superfici iciell elle, e, ne dépende dépendent nt pas de la température. Les grandeurs électriques et hydrodynamiques sont découplées. La figure 46 montre montre la schéma schématis tisati ation on de la géomét géométrie rie et les princi principal pales es condit condition ions s aux limites.

z u.n=0

j = j (r) z 0

r j =0 r

Liquide

u.n=0 n 0

Solide

T/ r = 0

j = 0 z T = T0

r

j = 0 z T/ z = 0

Modèle du bain de fusion Figure 46 Soudabilité


49 4.1.2.5 Autres forces Pression de l'arc Un arc électrique exerce sur la surface du bain une pression qui influence sa forme, en particulier sa pénétration (Figure 47). 47). Cette pression est issue de trois composantes : la force électromagnétique, le bombardement électronique, le jet de plasma (la plus importante). Les différents facteurs influençant cette action sont les suivants : l'intensité, l'état de surface de l'électrode, la géométrie de l'électrode, la longueur de l'arc, la gaz de protection. La distribution de la pression peut être représentée par une forme gaussienne : p(r) = P0 exp [-3(r/r0) 2] avec : P0 r0

Pression maxi rayon définissant la région recevant 95% de la pression

Pression d'un arc électrique Figure 47 Transfert de métal Pour certains procédés, le métal d'apport est transféré vers le bain de fusion sous forme de goutte gouttes. s. L'acti L'action on de ces dernière dernières s sur le bain bain contri contribue bue à créer créer un mouvem mouvement ent supplémentaire. La nature et la vitesse de ce mouvement dépendent : du rapport de la masse de métal d'apport et de celle du métal de base, de la vitesse de soudage, de l'orientation de l'arc par rapport à la normale au bain.

Soudabilité


50

4.2 Elaboration du bain de fusion 4.2.1 Caractéristiques du bain de fusion L'élaboration de la zone fondue (figure 48) fait apparaître trois composantes : Comportement physico-chimiques des éléments ou composés présents dans le bain de fusion. Réaction entre le métal en fusion et le milieu qui l'environne. Dilution entre le métal d'apport et le métal de base.

Elaboration du bain de fusion Figure 48 La solidification du bain de fusion fait apparaître deux directions d'étude : la physico-chimie de la solidification la cristallographie de la solidification

4.2.2 Physico-chimie du bain de fusion 4.2.2.1 Réaction au sein du métal en fusion Les modifications de la composition chimique du bain de fusion au cours du soudage peuvent provenir : soit, de la volatilisation qui présente les deux aspects suivants : Problème de sécurité à cause des fumées nocives Perte en éléments d'alliage soit de réactions chimiques au sein du métal en fusion. Ces réactions se traduisent par la perte d'éléments (C, Si, Mn,...) et par la formation de porosités (figure 49). 49).

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51

Réactions chimiques Figure 49 4.2.2.2 Réaction entre métal en fusion et milieu environnant Le métal en fusion régit avec son environnement avec comme résultats, soit la modification de la composition chimique (figure 50), 50), soit l'absorption de gaz. Le soudage est une opération d'affinage. Les éléments sont apportés par : le métal d'apport (fil, baguette), les flux solides et enrobages, l'atmosphère (flamme, gaz de protection,...), les impuretés (graisses,...). Les éléments fixés peuvent avoir : une action bénéfique, et donc recherchée (Mn, Si, Ti,...), une action néfaste (C, S, P,...). L'absorption de gaz est fonction : du procédé de soudage, de la protection (Type d'enrobage, nature du gaz de protection,...), Le tableau 4 montre l'influence du procédé et de la protection sur la teneur en hydrogène dans le bain de fusion : des conditions opératoires (longueur de l'arc, débit des gaz,...), du métal d'apport.

Pertes d'éléments Figure 50 Soudabilité


52

Influence du procédé TABLEAU 4 Les principaux gaz absorbés sont : l'oxygène qui diminue les propriétés mécaniques et forme des porosités, l'azote qui fragilise les soudure et favorise le vieillissement des aciers doux, l'hydrogène qui augment le risque de fissuration. 4.2.2.3 Dilution Dans le cas d'une soudure avec métal d'apport, on définit un coefficient de dilution D% qui est la proportion pour laquelle le métal de base entre dans la composition de la zone fondue (figure 51). 51). La valeur du coefficient D est fonction : du mode de soudage, de la préparation, des conditions opératoires.

Dilution Figure 51

4.2.3 Solidification du bain de fusion 4.2.3.1 Cristallographie de la solidification Epitaxie de la zone de liaison La solidification s'amorce au contact des cristaux de métal de base restés à l'état solide (figure 52). 52). Les grains de solidification de la zone zone fondue s'oriente au départ sur ceux du mé méta tall de base base.. L'édi L'édifi fice ce cris crista tall llin in que que cons consti titu tue e chaq chaque ue grain grain pre prend nd la mê même me disposition que celui du grain sous-jacent du métal de base.

Soudabilité


53 Croissance compétitive des grains Les grains de solidification vont de développer suivant les deux principes suivants : Développement perpendiculaire aux isothermes.. Croi Croiss ssan ance ce préf préfére érent ntie iell lle e pour pour les les grain grains s dont dont la stru struct ctur ure e cris crista tall llin ine e est est correctement orientée.

Cristallographie Figure 52 Soudage multipasses Le caractère épitaxique de la solidification se retrouve aussi dans le cas de soudage multipasses. Dans le cas d'alliages exempt de points de transformations allotropiques (Alliages légers, aciers inoxydables austénitiques,...) le cycle thermique de chaque passe ne modifie pas la structure de solidification de la précédente (figure 53-a). 53-a). Au contra contraire ire,, le réseau réseau crista cristalli llin n du métal métal en cours cours de solidi solidific ficati ation on s'édif s'édifie ie en s'orientant sur le métal antérieurement déposé. Dans Dans le cas cas cont contra raire ire (Aci (Acier ers s faib faible leme ment nt alli alliés és,. ,... ..)) chaq chaque ue pass passe e régé régénè nère re structurellement une partie du métal déposé précédemment (figure 53-b). 53-b).

Soudage multipasses Figure 53

Soudabilité


54 4.2.3.2 Structures de solidification Vitesse de solidification Dans la plupart des cas, la solidification dans le bain de fusion se fait à vitesse variable R. Elle est directement reliée à la vitesse de soudage Vs par la relation (figure 54) : R = Vs cos La vitesse commence au point A avec une vitesse nulle et croit au fur et à mesure que le grain se développe pour atteindre son maximum en B. Pour une vitesse de soudage Vs faible la solidification suit facilement le bain de fusion. fusion. Les grains s'incurve s'incurvent nt pour devenir parallèles parallèles à la ligne de soudage au milieu du cordon. Pour une vitesse Vs élevée, les grains se développent transversalement, afin que la vitesse R reste inférieure à un maximum.

Vitesse de solidification Figure 54 Surfusion La structure de solidification dépend de l'importance de la surfusion constitutionnelle provoquée par l'existence d'une couche liquide ségréguée au contact de l'interface. Pour une surfusion faible, la solidification s'opère suivant une structure basaltique. A l'oppos l'opposé é pour pour des ségrég ségrégati ations ons importa importante ntes, s, la solidi solidific ficati ation on est du type type dendrit dendritiqu ique e (figure 55). 55).

Soudabilité


55

Surfusion Figure 55 4.2.3.3 Défauts de solidification Soufflures Les Les souf souffl flur ures es sont sont parm parmii les les défau défauts ts les les plus plus cour couran ants ts dans dans les les soud soudur ures es.. Elle Elles s provie provienne nnent nt de l'empr l'empriso isonne nnemen mentt de gaz lors lors de la solidi solidific ficati ation. on. Leur format formation ion est fonction de : de la quantité de gaz dissous, en liaison avec la protection, de la vitesse de soudage. La genèse des soufflures est fonction du rapport de la vitesse de solidification R et de la vitesse de formation d'une bulle Vf (figure Vf (figure 56). 56). Si RVf, la bulle est emprisonnées empr isonnées avec formation de soufflures sphériques.

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56

Formation des soufflures Figure 56 Retassures La contraction de la plupart des métaux au moment de la solidification, provoque la formation de retassures situées à l'endroit où se trouvait la dernière fraction de métal liquide. La retassure n'apparaît pas si la cristallisation s'oriente vers le haut (figure 57). 57). Par cont contre re pour pour les les soud soudur ures es plus plus étro étroit ites es et plus plus prof profon onde des, s, les les cris crista taux ux croi croiss ssen entt horizontalement vers l'intérieur en provoquant la formation d'une retassure.

Formation des retassures Figure 57

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57

5 ASPECTS METALLURGIQUES DU SOUDAGE Le soudage provoque un cycle thermique localisé pouvant entraîner : des des modi modifi fica cati tion ons s des des stru struct ctur ures es cris crista tall llin ines es ou atom atomiq ique ues s (tra (trans nsfo form rmat atio ions ns allotropiques, précipitation,...), des des évol évolut utio ions ns prog progre ress ssiv ives es des des phas phases es de l'al l'alli liag age e ou de leur leur morp morpho holo logi gie e (Grossissement du grain, recristallisation,...). recristallisation,...). Ces phénomènes sont nombreux et variés, il n'est donc pas question de faire une étude exhaustive de tous les problèmes métallurgiques apparaissant sur tous les matériaux, mais de montrer ces transformations pour un acier non allié ou faiblement allié.

5.1 Introduction La figure 58 schématis schématise e les phénomènes phénomènes métallurgiques métallurgiques intervenant intervenant au cours d'un cycle cycle de soud soudag age. e. Le cycl cycle e ther thermi miqu que e peut peut être être divi divis‚ s‚ en deux deux péri périod odes es : le chau chauff ffag age e et le refroidissement. La première période est caractérisée par la vitesse de chauffage V c et par la température maximale Tm atteinte. L'importance de la zone affectée par l'élévation de température est fonction pour un matériau matériau et une pièce donnés, de l'énergie de soudage soudage et de la température température initiale initiale des pièces. Cette élévation de température va se traduire par l'apparition d'une zone austénitisée (ZAT) définie définie pour les aciers par l'inégalité l'inégalité : T m > Ac3 (A c3 étant fonction des conditions de chauffage). Le chauffage se traduit par les phénomènes suivants : austénitisation, recristallisation grossissement du grain, dissolution des carbures. La deuxième période est caractérisée par la vitesse de refroidissement V r ou le temps de refroidissement entre 800 et 500°c ; tr800-500. Les Les étud études es mé méta tall llur urgi giqu ques es porte portent nt le plus plus souv souven ent, t, mais mais pas pas un uniq ique ueme ment nt,, sur sur les les tran transf sfor orma mati tion ons s inte interv rven enan antt dans dans la zone zone aust austén énit itis isée ée préc précéd éden ente te.. Au cour cours s du refroidissement, la transformation de cette dernière est fonction : de la vitesse Vr ou du paramètre tr800-500 , de l'état de l'austénite de départ, de la composition chimique de l'acier. Les objectifs recherchés sont : de prévoir les structures obtenues, de déterminer les propriétés mécaniques, comme la dureté sous cordon, de caractériser le comportement de la soudure (sensibilité … la fissuration). Il existe différentes voies pour quantifier ces changements de microstructures et de propriétés mécaniques : investigation expérimentale sur pièces réelles, simulation du cycle thermique sur éprouvettes de laboratoire, équations semi-empiriques ou paramétriques, modélisation mathématique.

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58

Phénomènes métallurgiques au cours du soudage FIGURE 58

5.2 Transformations au chauffage 5.2.1 Austénitisation La formation de l'austénite à partir de la perlite devient possible après une faible surchauffe au-dessus du point A c1. Cette formation s'explique par le fait qu'au-dessus de A c1 l'énergie libre de l'austénite est plus faible que celle du mélange α + Fe3C. L'austénite obtenue sera caractérisée par son homogénéité, la présence ou non de carbures résiduels, la grosseur des grains.

5.2.2 Recristallisation Il s'agit d'une réorganisation du réseau cristallin et donc des grains d'un alliage, par suite d'un échauffement à partir d'un état écroui. Ce phénomène s'opère avec la température avec les phases suivantes : pour une température dite de recristallisation, apparition de germes, à partir de ces germes, recristallisation primaire avec des grains fins, pour des températures plus ‚levées recristallisation secondaire et surchauffe. La taille du grain obtenu est fonction : de la température atteinte, du taux d'écrouissage initial.

5.2.3 Grossissement du grain Le grossissement du grain commence à une température légèrement supérieure à Ac3, puis se prolonge jusqu'à une température critique Thermodynam Thermodynamiquemen iquement, t, la croissanc croissance e du grain austénitique austénitique s'explique par la tendance du système à diminuer l'énergie libre par réduction de la surface enveloppe des grains. Soudabilité


59 Les grains grossissen grossissentt en accaparant accaparant d'autres d'autres grains grains plus petits, donc moins stables stables du point de vue thermodynamique. Le grossissement du grain est fonction : de la température, du temps de maintien, des éléments d'alliage.

5.2.4 Dissolution des carbures La présence d'éléments d'alliage carburigènes se traduit par l'obtention de carbures précipités dont la composition peut être variable suivant celle de l'alliage. Au cours du chauffage, ces carbures se mettent en général en solution dans un certain domaine de températures. Mais cette mise en solution peut être précédée d'un changement de composition des carbures. Pour des conditions de chauffage imposées (vitesse essentiellement), le décalage des points de dissolution vers les hautes températures est d'autant plus important que les carbures initiaux sont plus gros, plus globulaires et ont une composition plus proche de l'état d'équilibre.

5.3 Transformations au refroidissement On note deux types de transformations : les transformations indépendantes du temps : transformation martensitique, les transformations fonctions du temps : transformations perlitiques et bainitiques.

5.3.1 Transformations indépendantes du temps Ces Ces tran transf sform ormat atio ions ns se produ produis isen entt pour pour des des refr refroi oidi diss ssem emen ents ts rapi rapides des et se tradu traduis isen entt l'apparition de structures hors d'équilibre (martensite). Les caractéristiques de la transformation martensitique sont les suivantes : Il n'y a pas de diffusion des atomes de C, il s'agit d'une transformation d'une phase en une nouvelle phase de même composition. La transformation est indépendante du temps, à vitesse élevée. La transformation commence à la température Ms et s'achève à la température Mf.

5.3.2 Transformations fonctions du temps Ces transformations se produisent pour des refroidissements lents et se traduisent par un retour vers des structures d'équilibre (perlite) ou des structures intermédiaires (bainite). 5.3.2.1 Transformation perlitique Le mécanisme de la transformation perlitique est le suivant : La transformation se fait par diffusion des atomes de C. Dans un premier temps, on assiste à la précipitation de ferrite aux joints de grains provoquant un enrichissement en C de l'austénite résiduelle. Il y a ensu ensuit ite e form format atio ion n de germ germes es de céme cément ntit ite e qui qui se déve dévelo lopp ppen entt dans dans l'austénite en donnant une structure lamellaire. Le nomb nombre re de germ germe e et donc donc la fine finess sse e de la stru struct ctur ure, e, dépe dépend nd de la vite vitess sse e de refroi refroidis dissem sement ent.. Quand Quand la vitess vitesse e augmen augmente te le nombre nombre de ger germes mes augmen augmente te et la structure devient plus fine. 5.3.2.2 Transformation bainitique Cette transformation est intermédiaire entre les deux précédentes. On assiste d'abord à un réarrangement, par diffusion, des atomes de C dans l'austénite, puis à la précipitation en α + Fe3C sans diffusion. On distingue deux types de bainite : la bainite supérieure (structure grossière, peu résiliente), la bainite inférieure (structure aciculaire, voisine de la martensite). Soudabilité


60

5.4 Particularités liées au soudage Le cycle cycle thermi thermique que de soudag soudage e présent présente e par rappor rapportt aux cycles cycles classi classique ques s (Trait (Traiteme ements nts thermiques), comme : une localisation de la zone traitée avec un gradient de température allant d'une zone de fusion à une zone non affectée par la température, une vitesse de chauffage rapide qui se traduit par des transformations au chauffage hors d'équilibre, une température maximale atteinte proche du point de fusion. Ces particularités requièrent des méthodes d'étude adaptées. 5.4.1.1 Influence de la ocalisation des transformations La localisation du chauffage entraîne au niveau du joint une succession de zones présentant des transformations métallurgiques diverses. Pour les aciers, en partant de la zone fondue vers le métal de base (Figure 59 et 60) : zone de surchauffe, zone austénitisée totale avec transformation martensitique totale ou partielle, zone austénitisée partielle, zone non austénitisée. L'importance et la structure de ces zones dépendent du cycle thermique et de la répartition thermique dans l'assemblage. Il faut faut noter noter égalem également ent le fait fait que dans le soudag soudage e multip multipas asse, se, ces zones zones peuvent peuvent être être totalement ou partiellement détruites.

Zones de transformations métallurgiques dans un joint soudé FIGURE 59

Soudabilité


61

Zones de transformations métallurgiques dans un joint soudé FIGURE 60 5.4.1.2 Influence de la vitesse de chauffage La rapidité avec laquelle se fait le chauffage provoque une gêne pour les transformations se produisant par diffusion (austénitisation,...). Pour compenser le manque de temps, le même phén phénom omèn ène e se prod produi uisa sant nt à vite vitess sse e norm normal ale, e, va deman demande derr dans dans ce cas cas un surc surcro roît ît de température. La prévision des transforma transformations tions au chauffage chauffage ne peut donc pas se faire avec un diagramme diagramme d'équilibre. d'équilibre. Il est nécessaire nécessaire d'utiliser d'utiliser des courbes courbes de transforma transformations tions faisant intervenir intervenir la température, mais aussi le temps (ou la vitesse) de chauffage (Figure 61). 61).

Courbes d'austénitisation en cycle rapide FIGURE 61

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62 5.4.1.3 Influence de la température d'austénitisation Lors du refroidissement, la prévision des transformations métallurgiques doit tenir compte de l'ét l'état at obten obtenu u en fin fin de chau chauff ffag age. e. Pour Pour cela cela il est est néce nécess ssai aire re d'int d'introd rodui uire re les les fact facteu eurs rs température maximale atteinte et durée de maintien. Pour cela on ne peut utiliser les courbes de transformations obtenues après austénitisation à Ac3 + 50°c et maintien à 30 min. Des courbes spécifiques au soudage ont été mises au point pour l'étude des transformations dans les ZAT des soudures (Figure 62). 62).

Courbes TRC-S FIGURE 62 Ces courbes permettent de mettre en évidence de temps critiques : trcm temps de refroidissement critique de trempe. Si tr800-500 < trcm, la structure est 100% martensitique tcp temps de refroidissement critique de formation perlitique. Si tr800-500 > trcp, la structure est 100% perlitique

5.5 Dureté sous cordon L'essai de dureté sous cordon (figure 63) consiste en : une mesure de dureté (filiation (filiation de dureté) à l'échelle l'échelle micrographique micrographique (dureté Vickers) au niveau de la zone affectée thermiquement du joint, la détermination de la dureté maximale obtenue. La dureté sous cordon est un moyen simple de connaître de façon approchée les structures et les propriétés dans la ZAT. On trace donc une courbe donnant la dureté en fonction du paramètre de refroidissement (Figure 64). 64). Cette courbe peut être tracée à partir de cas réel de soudage ou lors de la réalisation d'essais. Cette mesure permet également : de donner une indication de l'homogénéité du joint, de déterminer les conditions de soudage permettant d'assurer une valeur maximale de dureté. Soudabilité


63

Essai de dureté sous cordon FIGURE 63

Courbe dureté-tr800-500 FIGURE 64 La mesure de la dureté sous cordon (Figure 65) fait l'objet de la norme NF A 81-460. L'essai consiste à : prél prélev ever er par par usin usinag age e un une e épr éprou ouve vett tte e cons consti titu tuée ée par par un une e sect sectio ion n droit droite e du join jointt considéré, réaliser un polissage micrographique afin d'identifier la zone à gros grains du métal de base thermiquement affecté, effectuer, dans cette zone, une série de mesures de dureté Vickers sous une charge de 49,2N.

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64

La valeur à retenir pour la dureté sous cordon est la moyenne des trois valeurs les plus élevées.

Mesure de la dureté sous cordon FIGURE 65

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65

6 Endommagement des soudures 6.1 Fissures 6.1.1 Description Il s'agit de décohésion pouvant apparaître dans l'une quelconque des zones d'une soudure (Zone fondue, zone de liaison, zone affectée thermiquement, métal de base). Ces fissures (Figure 66) sont classées : soit, suivant leur zone d'apparition et leur orientation, soit, suivant leur mécanisme de formation.

Exemples de fissures FIGURE 66

6.1.2 Principales causes D'une façon générale, les fissures apparaissent par la combinaison des trois facteurs : un défaut dans le métal (Inclusions, hydrogène,...), une structure fragile, des contraintes, soit résiduelles, soit de service. Les fissures peuvent survenir à différents stades de la réalisation d'une soudure : pendant le soudage, à haute température (fissuration à chaud) ou à basse température (fissuration à froid), pendant les traitements thermiques par choc thermique ou par inaptitude au fluage (fissuration au réchauffage), pendan pendantt des effort efforts s anorma anormaux ux hors hors servic service e lors lors de fabric fabricati ation, on, de manute manutenti ntion, on, d'épreuve ou de transport, pendant la mise en service par fatigue, corrosion,...

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66

6.2 Arrachement lamellaire L'arra L'arrache chemen mentt lamell lamellair aire e est une fissur fissurati ation on se produis produisant ant dans dans les soudure soudures s d'angl d'angle e de produits de fortes épaisseurs et pour des aciers faiblement alliés.

6.2.1 Description du phénomène 6.2.1.1 Définition L'arrachement lamellaire est une décohésion qui se produit surtout pour les joints fortement bridés et dont la forme est telle que le matériau soit sollicité dans une direction perpendiculaire au plan de laminage. Ces ruptures se situent le plus souvent dans le métal de base en dessous de la ZAT. Elles présentent un faciès sous forme de gradin (figure 67). 67).

Arrachement lamellaire FIGURE 67 L'arrachement lamellaire est influencé par les paramètres suivants : type de joint (Soudure d'angle), épaisseur du matériau (e > 20mm), nature de l'acier (Bas carbone, faiblement allié). 6.2.1.2 Mécanismes Ce mode de fissuration est provoqué par p ar une décohésion au niveau d'inclusions aplaties lors du laminage des tôles. La figure 68 montre le séquencement de cette décohésion qui comprend : la décohésion des inclusions, l'écartement des parois des inclusions, la rupture des ponts métalliques séparant les inclusions. Ce mécanisme explique le faciès de l'arrachement lamellaire avec zones de décohésion et zones de rupture.

6.2.2 Principaux facteurs Les principaux facteurs de l'arrachement lamellaire sont : la présence d'inclusion, la présence de contraintes liées au type de joint, l'orientation des contraintes.

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67

Mécanismes de l'arrachement lamellaire FIGURE 68 6.2.2.1 Rôle des inclusions Les inclus inclusion ions s ont un rôle rôle primor primordia diall dans dans l'arra l'arrache chemen mentt lamell lamellair aire. e. Les carac caractéri téristi stique ques s principales étant : leur pourcentage, leur nature (Souffre silicium), leur forme (allongée), leur distribution. 6.2.2.2 Type de joint L'arrachement lamellaire ne se produit que dans le cas d'assemblages fortement bridés. La position du joint dans la construction est un facteur important du point de vue du bridage. Ce sont les soudures d'angles en forte épaisseur qui sont les plus sensibles (figure 69). 69).

Assemblages typiques sensibles FIGURE 69

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68 6.2.2.3 Orientation des efforts Le risque risque d'arra d'arrache chemen mentt lamell lamellair aire e augmen augmente te quand quand la forme forme du joint joint soudé soudé favori favorise se la prédominance des sollicitations orientées perpendiculairement au plan du produit laminé. Par exemple, les joints A de la figure 70 sont plus défavorables que les joints B.

Joints sensibles FIGURE 70

6.2.3 Essais Des essais de soudabilité ont été étudiés pour évaluer la sensibilité à l'arrachement lamellaire. On distingue : les essais en conditions réelles, les essais de traction dans les sens travers courts (Essai en H, essai FARRAR,...), les essais de pliage (Essais Cranfield,...), les essais de résilience.

6.2.4 Prévention 6.2.4.1 Conception du joint Dans la mesure du possible, il faut : revoir le tracé de la région critique de l'ensemble l'e nsemble soudé, modifier la préparation du joint, afin de réduire le niveau de contrainte et d'éviter une orientation perpendiculaire au plan de la tôle (figure 71). 71).

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69

Conception du joint FIGURE 71 6.2.4.2 Méthode de soudage Utilisation d'un métal à basse résistance Il faut faut utilis utiliser er un métal métal d'appor d'apportt à faible faible résist résistanc ance, e, compat compatibl ible e avec avec l'util l'utilisa isatio tion n mécanique mécanique du joint, afin de réduire les déformations déformations qui se produisent dans les couches couches sous-jacentes du matériau. Choix de la séquence de soudage Cette technique technique (fi (figur gure e 72) consis consiste te à choisi choisirr correc correctem tement ent le séquen séquencem cement ent des cordons afin : de réduire les efforts transversaux, de transmettre les contraintes dans les premiers cordons et non dans le métal métal de base.

Séquence de soudage FIGURE 72

Soudabilité


70 Beurrage Cett Cette e tech techni nique que cons consis iste te à dépo dépose serr sur sur le maté matéri riau au crit critiq ique ue un une e couc couche he de mé méta tall présentant un fort allongement (Acier austénitique, nickel) afin de réduire la transmission des sollicitations (figure 73). 73).

Beurrage FIGURE 73 6.2.4.3 Choix du matériau Un des moyens efficaces est de limiter les inclusions et les impuretés. Le contrôle avant soudage de ces inclusions peut se faire, soit par contrôle non destructif, soit par mesure de la striction. En effet, les différents essais mettent en évidence l'importance de la striction, qui permet d'effectuer un classement des aciers. S > 25% Aciers à résistance garantie S > 15% Aciers résistants S > 8% Aciers non résistants

6.3 Fissuration à froid 6.3.1 Types de fissures à froid On peut classer les fissures à froid en fonction de leur position (Zone affectée thermiquement, zone zone de liai liaiso son, n, zone zone fond fondue ue)) et de leur leur orie orient ntat atio ion n (lon (longi gitu tudi dina nale les, s, tran transv svers ersal ales es)) (Figure 74). 74).

Types de fissures à froid Figure 74

Soudabilité


71 Zone thermiquement affectée Les fissures apparaissant dans cette zone sont les plus répandues. Elles sont, en général, longitudinales et dépendent de la présence : d'une forte teneur d'hydrogène, d'une structure fragile (structure de trempe), de contraintes (même faibles). Des effets d'entaille peuvent favoriser l'apparition de ces fissures, sous faible teneur d'hydrogène (Fissures à la racine ou au raccordement). Zone de liaison Lors du soudage hétérogène d'aciers trempants avec un métal d'apport austénitique, une dilu diluti tion on hété hétéro rogèn gène e peut peut crée créerr de la mart marten ensi site te au nive niveau au de la zone zone de liai liaiso son, n, provoquant ainsi une fissuration longitudinale. Zone fondue L'apparition d'aciers à haute limite élastique (HLE) fait que le métal d'apport est dans ce cas plus trempant que le métal de base. Le problème se trouve donc transféré dans la zone fondue. Ces fissures sont : soit, longitudinales avec effet d'entaille à la racine, soit, transversales.

6.3.2 Principales causes de la fissuration à froid Les causes essentielles de la fissuration à froid sont : la formation d'une structure de trempe, la diffusion de l'hydrogène dans le matériau, l'apparition de contraintes internes. 6.3.2.1 Formation d'une structure de trempe Sous l'effet du cycle thermique, la ZAT et la ZF subissent des transformations de structures (Figure 75). 75). Il est important de prendre en compte : les hétérogénéités des transformations de structures dans le cordon, la possibilité ou non pour la ZF de prendre une structure martensitique. Dans ce but, il convient d'étudier chronologiquement ces transformations suivant une coupe long longit itud udin inal ale, e, afin afin de situ situer er les les posi positi tion ons s des des isot isothe herm rmes es corr corres espo pond ndan ante tes s à ces ces transformations, à savoir : isothermes TZF de transformation du métal fondue, isothermes TZAT de transformation du métal de la ZAT. Cas d'un métal d'apport non trempant Dans ce cas : le métal fondu subit une transformation perlitique à haute température le métal de base subit une transformation martensitique à basse température Les phénomènes se produisent dans l'ordre chronologique suivant : 1. Solidi Solidific ficati ation on du bain bain de fusi fusion on 2. Transf Transform ormati ation on perlit perlitiqu ique e de la ZF ZF 3. Transf Transform ormati ation on marten martensit sitiqu ique e de la ZAT Cas d'un métal d'apport trempant Dans ce cas : le métal fondu subit une transformation martensitique à basse température le métal de base moins trempant peut subir une transformation perlitique à haute température

Soudabilité


72 Les phénomènes se produisent dans un ordre chronologique inversé : 1. Solidi Solidific ficati ation on du bain bain de fusi fusion on 2. Transf Transform ormati ation on perlit perlitiqu ique e de la ZAT ZAT 3. Transf Transform ormati ation on marten martensit sitiqu ique e de la ZF

Formation de structures de trempe FIGURE 75

6.3.2.2 Rôle de l'hydrogène Dissolution de l'hydrogène dans la ZF La courbe de solubilité solubilité de l'hydrogène dans le fer (Figure 76) et celle du coefficient de diffusion permettent de noter les caractéristiques suivantes : forte solubilité de l'hydrogène dans le métal en fusion discontinuité de solubilité lors des changements de phases (liquidus-solidus et austénite-martensite), discontinuité en sens inverse du coefficient de diffusion. Ces particularités entraînent un phénomène de sursaturation d'hydrogène dans les zones de changement de phases. Sources d'hydrogène lors du soudage Dans la quasi-totalité des cas, l'hydrogène provient de sources extérieures à la soudure, à savoir : décomposition de vapeur d'eau par l'arc électrique. Cette vapeur d'eau ayant des origines diverses : humidité atmosphérique, humidité absorbée par hydroscopie dans les flux et enrobages, humidité contenue dans les gaz de protection, humidité absorbée à la peau des fils d'apport, humidité au niveau de la surface des pièces. décomposition de produits organiques au niveau des pièces ou des produits de soudage. Soudabilité


73

Courbes de solubilité de l'hydrogène dans le fer FIGURE 76 Le pourcentage d'hydrogène présent dans le métal fondu est fonction : du procédé et de la protection utilisés (Figure 77), 77), de la préparation (nettoyage, élimination de l'humidité par préchauffage,...), des conditions de soudage (un arc long est plus défavorable qu'un arc court,...).

Pourcentage d'hydrogène pour quelques procédés FIGURE 77

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6.3.3 Mécanisme d'apparition des fissures à froid Fissuration sous cordon A partir des constatations précédentes, l'enchaînement des phénomènes est le suivant (Figure 78) : 1. Dissoluti Dissolution on de l'hydrogène l'hydrogène dans le métal liquide. liquide. 2. Sursaturat Sursaturation ion lors de la solidi solidifica fication tion et migration migration de l'hydrog l'hydrogène ène dans la ZAT. ZAT. 3. Su Surs rsat atur urat atio ion n lors lors de la trans transfo form rmat atio ion n perl perlit itiq ique ue de la ZF et migra migrati tion on de l'hydrogène dans la ZAT. 4. Sur Sursat satura uratio tion n lors lors de la transf transform ormati ation on marten martensit sitiqu ique e de la ZAT. Appariti Apparition on de microporosités et fragilisation de la martensite. 5. Fissur Fissurati ation on sous sous contr contrain ainte te ZAT. ZAT.

Fissuration sous cordon FIGURE 78 Fissuration dans la zone fondue Dans ce cas, l'enchaînement des phénomènes est le suivant (Figure 79) : 1. Dissoluti Dissolution on de l'hydrogène l'hydrogène dans dans le le métal métal liquide liquide 2. Sursaturat Sursaturation ion lors lors de la solidific solidification ation et migration migration de l'hydrogène l'hydrogène dans la la ZAT 3. Su Surs rsat atur urat atio ion n lors lors de la tran transf sfor orma mati tion on mart marten ensi siti tiqu que e de la ZF mais mais sans sans migration de l'hydrogène dans la ZAT, alors perlitique 4. Apparition Apparition de microporos microporosités ités et fragilis fragilisation ation de la martensi martensite te de la ZF. 5. Fissur Fissurati ation on sous sous cont contrai rainte nte de de la ZF

Fissuration dans la zone fondue FIGURE 79

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6.3.4 Essais de soudabilité Afin de caractériser les matériaux et leur comportement lors du soudage, de nombreux essais ont été développés. Ces essais se traduisent soit par des tableaux, soit par des diagrammes qui peuvent servir à l'établissement de bases de données. Ces essais étant largement connus et diffusés, nous nous contenterons d'en donner un bref résumé et de développer deux parmi les plus utilisés 6.3.4.1 But des essais Le but de ces essais est de simuler une opération de soudage en contrôlant les paramètres de fissuration. Hydrogène Le choix et le contrôle du taux d'hydrogène se font par l'intermédiaire de ceux du procédé de soudage et de la protection. Structure de la ZAT Durant l'essai, l'enregistrement du cycle thermique permet de remonter à la vitesse de refroidissement et donc à la structure. Son évolution se fait en modifiant l'énergie de soudage, les autres paramètres étant constants. Contraintes La mise en contrainte de l'échantillon se fait : soit, par bridage (Essais CTS, RD,..), soit, par sollicitation externe (Essais par implant,...). Dans le premier cas les contraintes ne peuvent être qu'estimées, voire calculées, pour le deuxième cas une mesure approchée des contraintes est envisageable. 6.3.4.2 Exemples d'essais Essais CTS L'essai CTS (Sévérité thermique contrôlée) s'exécute sur deux plaques de l'acier à tester. La procédure est la suivante (Figure 80) : serrage par boulon des deux plaques, solidarisation des deux plaques par les deux soudures de fixation F1 et F2, réalisation des cordons d'essais C1 et C2, prélèvement et analyse des échantillons sur C1 et C2. Le régime thermique peut être plus ou moins sévère suivant : l'énergie de soudage, la géométrie du joint qui peut être bi ou trithermique. Les résultats de l'essai CTS peuvent être rendus relativement quantitatifs par la notion de sévérité thermique.

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Essai CTS FIGURE 80 Essais par implant La méthode méthode consiste consiste (Figur (Figure e 81) à appliquer à un implant cylindrique, soudé sur une plaque support, une contrainte maintenue fixe durant toute la durée de l'essai. On enregistre la durée de refroidissement tr800-500 à l'aide d'un thermocouple, la contrainte appliquée par l'intermédiaire d'une jauge. Pour favoriser favoriser la fissurati fissuration, on, on utilisera utilisera un implant implant préalablem préalablement ent entaillé, entaillé, l'entaille l'entaille devant être située dans la ZAT.

Essai par implant FIGURE 81

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77 On peut ainsi pour chaque temps de refroidissement, obtenir la contrainte provoquant l'apparition d'une fissure à fond d'entaille. Cet essai à permis de tracer les courbes de fissuration.

6.3.5 Moyens de lutte contre la fissuration à froid Les divers moyens pour diminuer ou éviter le risque de fissuration peuvent être classés en fonction des facteurs de fissuration. Limiter les contraintes Par une action sur : la séquence de soudage, le choix du métal d'apport, les conditions de soudage. Eviter la formation de structures fragiles La formation de structures fragiles (martensite par exemple) peut être évitée en : utilisant un acier faiblement trempant (bas carbone), diminuant la vitesse de refroidissement des joints en utilisant une forte énergie de soudage, un préchauffage, un postchauffage. Limiter le taux d'hydrogène Il est possible de diminuer le taux d'hydrogène dans les cordons en évitant ou du moins en diminuant : la dissolution de l'hydrogène dans le bain de fusion par : utilisation d'une protection efficace par un choix correct : du procédé adéquat, de la protection (Choix de l'enrobage, du mélange gazeux), des paramètres de soudage (Longueur de l'arc, débit des gaz,...), de la protection de la zone soudée dans le cas de fabrication sur chantier. élimination de l'humidité de : la surface des pièces (préchauffage), des enrobages ou flux (Etuvage des électrodes basiques). élimination des produits organiques (Nettoyage, dégraissage). la diffusion de l'hydrogène dans la ZAT par utilisation : d'un postchauffage qui favorise son dégazage et sa dispersion, d'un métal d'apport austénitique.

6.3.6 Prévision du risque de fissuration à froid La proc procéd édure ure à suiv suivre re afin afin de limi limite terr ou de supp suppri rime merr le risq risque ue de fiss fissur urat atio ion n à froi froid d (Figure 82) fait intervenir la détermination : d'un temps de refroidissement issu de l'analyse thermique du matériau tr, d'un temps critique issu de l'analyse du comportement du matériau tr c. La comparaison des deux permet d'évaluer le risque de fissuration : si trc < tr, alors la fissuration a peu de chance de se produire, si trc > tr, alors il existe un risque de fissuration.

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Prévision du risque de fissuration FIGURE 82 Deux méthodes sont basées sur ce principe : l'utilisation des courbes de fissuration, l'utilisation du paramètre de fissuration Pw. 6.3.6.1 Courbes de fissuration Les essais essais sur implan implants ts ont permis permis de caract caractéri ériser ser l'état l'état d'une d'une épr éprouv ouvett ette e (Non (Non fissur fissurée, ée, fissurée, cassée) pour un couple tr800-500 - contrainte. Ces essais ont permis de tracer les courbes limites de fissuration d'un acier (Figure 83). 83). Elles délimitent, délimitent, en fonction fonction du paramètre paramètre tr 800-500 et de la contrainte de bridage et pour un procédé de soudage, les domaines de fissuration et de non fissuration. La démarche est la suivante (Figure 84) : Calcul ou estimation des contraintes de soudage s Cette détermination est délicate et pas facile. La méthode la plus simple consiste à situer les contraintes de soudage par rapport à la limite élastique R e du matériau en fonction du bridage de la soudure. Assemblages à bridage faible, pour lesquels on prend σs = R /3 e Assemblages à bridage moyen, pour lesquels on prend σs = 2R /3 e Assemblages à bridage élevé, pour lesquels on prend σs = Re Détermination du temps critique trc à l'aide des courbes de fissuration Détermination de la température de préchauffe pour avoir tr c < tr800-500

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Courbes de fissuration FIGURE 83

Démarche d'étude FIGURE 84

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80 6.3.6.2 Paramètre de fissuration Cett Cette e mé méth thode ode est est basé basée e sur sur l'ut l'util ilis isat atio ion n du temp temps s de refr refroi oidi diss ssem emen entt t100 depui depuis s la tempér températu ature re maxi maxi jusqu' jusqu'à à 100 100°c. °c. Elle Elle est identique identique dans dans son princi principe pe à la précéden précédente te et revient à déterminer les conditions de soudage (température de préchauffage) permettant d'avoir le temps de refroidissement t100 du cordon supérieur à un temps critique t 100c fonction : du matériau défini par un carbone équivalent P cm, du taux d'hydrogène, de l'intensité de bridage déterminée expérimentalement ou par calcul. La détermination du t 100c se fait par l'intermédiaire du paramètre de fissuration P w. Pour tout apport de chaleur supérieur à 6KJ/cm, on a : t100c(s) = 2238 Pw - 562 avec Pw = Pcm + H/60 + Kb /40.103 Pcm = C + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 H taux d'hydrogène dans le métal fondu (ml/100gr) Kb intensité de bridage La détermination du t100 se fait à l'aide d'abaques (Figure 85) à partir : de l'épaisseur de la pièce, de l'énergie nominale, de la température de préchauffe.

Temps de refroidissement t100 FIGURE 85 La démarche est la suivante (Figure 86) : Calcul du paramètre de fissuration Pw Détermination du temps de refroidissement t100c Détermination de la température de préchauffe à l'aide des abaques

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Démarche d'étude FIGURE 86

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7 Lexique Arrachement lamellaire Austénitisation Bain de fusion Bainite Beurrage Bridage Champ magnétique Chaude de retrait Chauffage Conductivité électrique Conductivité thermique Contrainte Contrainte résiduelle Cristallographie Cycle thermique Déformation Densité de courant Diffusivité thermique Dilution Dissolution de carbures Effet Marangoni Essais mécaniques Fissuration à chaud Fissuration à froid Fissuration au réchauffage Flux thermique Force électromagnétique Grossissement du grain Inclusion Intensité de bridage Martensite Montage de soudage Pénétration Perlite Perméabilité magnétique Porosité Pression de l'arc Recristallisation Refroidissement Relaxation des contraintes Retassure Retrait angulaire Retrait longitudinal Retrait transversal Séquence de soudage Solidification Soudabilité Soudage discontinu Soudage multipasses Soudabilité

Lamellar cracking or tearing Austenitizing Weld pool, Molten pool Bainite Buttering Restraint Magnetic flux Flame-shrinking Heating Electric conductivity Thermal conductivity Stress Residual stress Crystallography Temperature curves Distorsion, strain Current density Thermal conductivity Dilution Carbide dissolution Marangoni effect Mechanical tests Hot cracking Cold cracking Reheat cracking Heat flow Electromagnetic force Grain growth Inclusion Intensity of restraint Martensite Fixture Penetration, Depth of fusion Pearlite Magnetic permeability Porosity Arc pressure Recrystallization Cooling Stress relieving Pipe Angular shrinkage Longitudinal shrinkage Transverse shrinkage Sequence welds Solidification Weldability Intermittent welding Multipass welding Claude PHILIP - ENSAM

83 Soudage pas de pèlerin Soufflure Striction Surfusion Tension superficielle Transformations au chauffage Transformations au au re refroidissement Viscosité Vitesse de refroidissement Zone fondue

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Backstep welding Blow-hole Contraction of area Surfusion Interfacial tension, surface tension Heating transformations Cooling tr transformations Viscosity Cooling rate Molten zone


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8 Bibliographie R. BAUS, W. CHAPEAU Application du soudage aux constructions EYROLLES J. CORNU Notions fondamentales Traité de soudage automatique

HERMES J.P. FERTE Brasage-diffusion Soudage et Techniques Connexes Vol 48; n°9/10; 1994 H. GRANJON Bases métallurgiques du soudage Publications de la Soudure Autogène EYROLLES Mécanosoudage Conception - Fabrication Publication du CETIM Metals Handbook Volume 6 Welding and brazing

Soudabilité


metallurgie-soudage

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