« Soudage » : différence entre les versions

 

 

 

L’origine du soudage remonte à l’âge des métaux :

Tous ces procédés connaîtront leur essor industriel vers 1920.

 

[[Image:SMAW.welding.navy.ncs.jpg|thumb|250px|right|Fig. 1. Soudage à l'arc à l'électrode enrobée]]

[[Image:AlfredPalmerwelder.jpg|thumb|250px|right|Fig. 2. Soudage au fil fourré]]

: Les bords des pièces à souder sont maintenus pressés l'un contre l'autre et mis en mouvement jusqu'à ce que le frottement provoque la fusion, les pièces sont alors vivement rapprochés et maintenues sous pression. {{T|[[/Soudage par friction|le soudage par friction]]}}

 

 

* '''Le soudage à l'air chaud''' :

: Un faisceau laser est dirigé sur les pièces à souder, dont l'une est obligatoirement transparente pour la longueur d'onde du laser utilisé, l'interface ou l'autre pièce étant obligatoirement opaque. L'énergie ainsi absorbée engendre la chaleur requise pour le soudage.

 

 

Beaucoup de procédés de soudage utilisent l'arc électrique comme source d'énergie de fusion car la chaleur de l'arc peut être facilement concentrée et maîtrisée. La physique du transfert de métal à travers d'un arc électrique a été largement étudié au cours du {{XXe}} siècle. L'arc électrique consiste en un flot relativement élevé de courant électrique maintenu à travers une colonne de gaz ionisé appelé plasma.

 

L'utilisation d'un arc plasma (ou d'une torche plasma) comme source de chaleur est plus récent. L'arc plasma s'obtient par constriction d'un arc électrique dans un vortex de gaz plasmagène (''hélium, argon'') créé par une tuyère intégrée aux torches plasma. C'est donc au moyen de forces mécaniques exercées sur l'arc électrique que celui-ci passe à l'état de plasma. La température de l'arc plasma peut atteindre 25000°C.

 

L'effet Joule est utilisé dans différents procédés de soudage comme les procédés de soudage par résistance, électrogas et électroslag. Dans le premier cas la chaleur générée s'exprime comme suit :

 

:<math>I =\;</math> Intensité, en ampères, traversant le bain de fusion,

:<math>t =\;</math> Temps pendant lequel le courant électrique est établi.

 

Dans le cas du soudage à la flamme de l'acier, celle-ci doit posséder deux caractéristiques qui sont :

La chaleur totale fournie par la flamme oxyacétylèninque est de 1260 kJ/mol. La première réaction fournit 36% de la chaleur totale.

 

 

La soudure exothermique regroupe tous les procédés qui utilisent une source de chaleur obtenue par une réaction chimique exothermique créée entre les bords de pièces à souder. L'exemple le plus représentatif de l'utilisation de ce procédé est le raboutage de rails de chemins de fer.

 

 

La chaleur ou la pression ou une combinaison des deux sont les sources d'énergie couramment utilisées en soudage. La physique du soudage met en oeuvre des phénomènes très complexes de la thermodynamique, la chaleur, l'électricité, le magnétisme, le LASER et l'accoustique...

Le soudage implique généralement l'utilisation d'une source de chaleur localisée aux abords du joint soudé comme par exemple celle obtenue par effet joule, utilisé dans le procédé de soudage par résistance (''électrique''), obtenu au droit du point de soudure lors du passage du courant électrique dans la résistance de contact formée par les deux pièces à souder maintenue pressées l'une contre l'autre. La friction ou la décharge électrique (étincellage ou arc électrique) entre pièces à souder illustrent aussi l'application locale de l'énergie de soudage utilisés de manière performante dans bons nombres de procédés.

L'une des manières d'observer une source de chaleur en soudage, comme un arc électrique par exemple, est de considérer deux processus distinct de transfert de chaleur. La chaleur est tout d'abord transférée de la source vers la surface de la pièce à souder puis vient ensuite la conduction, de la surface de contact vers les régions plus froides du matériau. Ces deux processus sont quelque peu en concurrence. Dans le cas d'une source à haute intensité, comme par exemple le faisceau d'électrons, l'énergie est d'abord déversée sur la surface ciblée de manière si rapide que la fusion locale se produit avant même que le phénomène de conduction soit significatif. A l'autre extrémité, une source de très faible intensité, comme la flamme d'un bec bunzène par exemple, peu transmettre une grande quantité de chaleur à la pièce sans jamais qu'elle atteingne la fusion. L'efficacité d'une source de soudage dépend essentiellement et de manière critique de son intensité.

 

 

'''Pour étudier l'écoulement thermique en soudage dans le but de déterminer comment une souce de chaleur peut affecter le matériau à souder, il est fondamental d'acquérir le concept de l'énergie de soudage (''en anglais le "Heat input"'').''' Dans le cas du soudage à l'arc électrique, l'énergie de soudage est la quantité d'énergie transférée par unité de longueur de soudure tout au long du déplacement de la source de chaleur (l'arc électrique), exprimée en joules par millimètre. L'énergie de soudage est calculée en rapportant la puissance totale en watts de l'arc électrique par sa vitesse de déplacement en millimètre par seconde :

|}

 

 

La fonction primaire de la plupart des sources de chaleur est de fondre le métal. La quantité de métal qui peut être fondue pour produire une certaine longueur de soudure est déterminée par le mode opératoire utilisé, c'est à dire :

:: <math>A_{mf} = \frac{(0,9).(0,3).24.180}{5.10}\ = 20,7 mm^2;</math>

 

 

 

 

 

 

[[Image:Welded joint.JPG|thumb|450px|right|Fig. 6. Représentation schématique du joint soudé]]

Afin d'anticiper et de maîtriser les évènements métallurgiques en soudage, il est important d'établir les conditions thermiques produites par une sources de chaleur concentrée telle qu'utilisée en soudage au sein et aux abords des soudures telles que :

En soudage l'impact de la chaleur est bref et local se déplaçant de proche en proche au rythme de la progression de la soudure. Les évènements thermiques survenus dans un joint soudé peuvent être mis en évidence sur prélèvement poli et attaqué avec un réactif approprié. Dans le cas des aciers courants, l'un des réactifs les plus utilisé est le nital ; un mélange savamment dosé d'alcool (90 à 95%) et d'acide nitrique.

 

[[Image:Conduction thermique.gif|right|thumb|220px|Fig. 7. Propagation par conduction dans le plan à partir d'un point chaud. La hauteur en un point donné indique la valeur de la température en ce point]]

La prédiction et l'interprétation des transformations métallurgiques en un point du joint soudé nécessitent quelques connaissances sur la distribution des maximums de température atteints en ces endroits spécifiques.

En soudage à l'arc l'électrique se pose souvent le choix de travailler en passes larges ou en passes étroites. Le choix est motivé d'après des considérations techniques et économiques dans les deux cas. Cependant, dans la seconde option (plusieurs passes à basse énergie), les conditions seront favorable à la réduction de la largeur ZAT et d'autant plus que l'on maintiendra une température entre passe assez basse.

 

 

Un autre aspect important de l'écoulement thermique est l'étude de la vitesse de refroidissement en soudage. Ces vitesses, de l'ordre de plusieurs dizaines de degrés par seconde, sont sans commune mesure avec celles rencontrées dans d'autres domaines de la métallurgie comme la sidérurgie et la fonderie ou l'ordre de grandeur est de quelques degrés par minute.

::<math>V_r = 2 \pi k \rho C_v \left( \frac{E_p}{H_n}\right)^2 (T_c-T_i)^3 </math>

 

 

Dans une tôle épaisse, l'écoulement thermique est tridimensionnel (''diffusion de la chaleur de façon latérale et dans l'épaisseur''). L'équation pour tôle épaisse s'applique, par exemple, pour caractériser la vitesse de refroidissement sous cordon d'une petite passe de soudure déposée sur une tôle de masse importante par rapport à l'énergie de soudage mise en oeuvre.

Quand <math>\epsilon</math> est compris entre 0,6 et 0,9, l'équation pour tôle épaisse donne des vitesses des refroidissement trop rapides et l'équation pour tôle mince trop lentes cependant, en prenant arbitrairement une valeur de <math>\epsilon = 0,75</math>, l'erreur commise sur <math>V_r</math> n'excède pas 15%.

 

 

Plus la température initiale <math>T_i</math> de la pièce à souder est importante et plus la vitesse de refroidissement sera lente. Le préchauffage est souvent utilisé à cette fin pour éviter la formation de structures hors équilibre, souvent fragiles. Par exemple, dans le cas du soudage d'un acier trempant, il existe une vitesse de refroidissement critique au delà de laquelle les structures fragiles de trempe (''de type martensitique'') peuvent se développer dans les zones thermiquement affectées. Il apparaît alors un grand risque de fissuration de ces structures fragiles sous cordon par effet combiné de l'hydrogène introduit lors du soudage et des contraintes mécaniques (''dilatations et retraits''). L'utilisation de l'équation appropriée de la vitesses de refroidissement peut alors servir à déterminer la vitesse critique de refroidissement en fonction des conditions de soudage en vue de calculer une température de préchauffage.

:::::<math>T_i =550-\sqrt{\frac{7,3 \cdot 1.152}{2 \cdot\pi \cdot0.028}}=332 \;^\circ C</math>

 

 

Le type de joint joue un rôle prépondérant sur l'écoulement thermique et donc sur la vitesse de refroidissement. Un joint en « Té » va se comporter comme un radiateur à trois « ailettes » et la chaleur résultant de l'énergie de soudage est évacuée plus rapidement que sur un joint ne comportant que deux « ailettes » de refroidissement : c'est à dire bout à bout ou en angle. Les calculs précédents sont alors légitimes si l'on se ramène à un cas de soudage bout à bout, pour cela on ne tiendra compte, dans les calculs, que des deux tiers de l'énergie de soudage.

Cette température de préchauffage plus basse sera moins perturbante pour le soudeur et réduira d'autant la largeur de la zone affectée thermiquement (''voir le paragraphe sur le pic de température ci-dessus'').

 

 

La sélection d'une température de préchauffage est guidée aussi bien par l'expérience que par le calcul (''quand on dispose des données''). La température optimum est celle qui met à l'abri de la formation des structures fragiles, c'est à dire quelque peu en dessous de la vitesse critique de refroidissement tout en s'allouant une marge de sécurité. Malheureusement, il est encore fréquent de constater que la température de préchauffage est considérée comme une caractéristique physique du métal de base. Il se peut, par exemple, que la température de 250°C soit considérée comme la température de préchauffage d'un acier allié à 2,25% de chrome ! Ceci peut avoir des conséquences très dangereuses pour la tenue du joint soudé dans le temps, car selon le mode opératoire de soudage mis en oeuvre ; la température de 250°C peut très bien être trop élevée ou pas assez.

'''Pour des problèmes de santé, de sécurité du travail et de confort du soudeur, pour réduire la largeur des zones afectées thermiquement et pour des raisons économiques il y a toujours intérêt à obtenir, lorsque c'est possible, les températures de préchauffage les plus basses.'''

 

Dans certains matériaux, pendant leur refroidissement, on peut observer des transformations avec changement de phase par germination / croissance. Ainsi, une phase en équilibre à haute température peut, tout au long de son refroidissement, donner naissance à un composé intermétallique, une transformation allotropique, un eutectoïde voire une combinaison des trois si ce n'est les trois à la fois.

 

C'est au moyen des diagrammes TTT (''temps, température, transformation'') et surtout, dans le cas du soudage, au moyen des diagrammes TRC (''transformations en refroidissement continu'') que l'on étudie ces phénomènes.

 

L'étude de la courbe TTT ci-dessous montre qu'un maintien à une température supérieure à A3 (''AC3'') transforme complètement l'acier en austénite. Trois courbes de refroidissement y sont dessinées : V<sub>1</SUB>, V<sub>2</SUB> et V<sub>3</SUB>

 

[[Image:DiagrammeTTT.GIF|center|thumb|750px|Fig. 9. Exemple d'un diagramme Temps, température, taux de transformation d'un acier au chrome]]

 

Ce sont ces courbes, encore appelées diagrammes TRC qui représentent les différents domaines par lesquels peuvent passer certaines nuances d'acier au cours d'un refroidissement continu. Ces domaines sont l'austénite, la ferrite, la bainite, la martensite ou la perlite. Différentes trajectoires sont tracées pour les vitesses de refroidissement :<math>V_r</math> les plus courantes. Les vitesses de refroidissement pouvant varier grandement, l'échelle de temps est logarithmique. A la frontière de chaque domaine, on donne généralement la proportion (en %) de la phase traversée en fonction de la vitesse de refroidissement. On indique aussi en général la dureté (Rockwell ou Vickers) de l'acier obtenu pour chaque vitesse de refroidissement caractéristique. Comme on peut s'en douter, ces courbes sont d'un très grand intérêt en soudage et l'on pourra se rapprocher des acièristes, des laboratoires d'essais ou des organisations pour la promotion des aciers (OTUA http://www.otua.org/, IRSID par exemple) pour se les procurer.

[[Image:Diagramme TRC.GIF|center|thumb|650px|Fig. 10. Exemple de diagramme TRC]]

 

 

Le temps de solidification joue un rôle extrêmement important dans la structure métallurgique, la sensibilités aux traitements thermiques et la santé interne du métal fondu.

En règle générale, une fine structure dendritique a une meilleur comportement pendant les traitements thermiques. Pour la plus part des métaux, la résistance à la rupture, la limite d'élasticité, la ductilité et la ténacité se trouvent améliorés dans de telles structures dendritique et donc par des temps de solidification plutôt courts. Une soudure verticale montante réalisée en quelques passes larges aura des propriétés mécaniques moins élevées que pour une même soudure réalisée avec un nombre élevés de passes étroites, toutes choses égales par ailleurs.

 

 

 

 

 

Toutes structures métalliques allant des ponts aux réacteurs niucléaires en passant par les boîtes à conserves sont prévues pour satisfaire des conditions de fonctionnement en service. Les assemblages permanents tels que les soudures qui constituent ces structures doivent posséder des propriétés et des caractéristiques compatibles avec ces mêmes conditions.

Dans le cas de la construction d'une structure réglementée (''équipements sous pression par exemple'') il arrive qu'il soit exigé que tous les travaux relatifs à la qualification d'un mode opératoire de soudage soient supervisé par un organisme tiers.

 

 

== Essais de dureté ==

 

= Comportement à température élevée =

 

== Essais COD ==

 

= Fatigue des structures soudées =