« Soudage » : différence entre les versions

L'exemple le plus ancien consiste en des petites boîtes circulaires en or datant de l'age du bronze et assemblées par chauffage et martelage d'un joint constitué de deux surfaces se recouvrant. Il a été estimé que ces boîtes ont été fabriquées il y a plus de 2000 ans. Pendant l'age du bronze, les egyptienségyptiens et les peuples de l'est méditérannéenméditerranéen ont appris à assembler par soudage des pièces en fer. plusieurs outils datant approximativement de 3000 ans ont été retrouvés.

:<math>H =\;</math> EnergieÉnergie générée en joules ou watts.seconde,

* les réactions exothermiques (la flamme et l'aluminiothermiealuminothermie),

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 bunzènebenzène 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 soucesource 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 :

Où <math>f_1 \;</math> représente un coéficientcoefficient de transfert exprimé comme le rapport entre la quantité de chaleur effectivement transmise à la pièce à souder et la puissance totale générée par la source de chaleur. Dans pratiquement tous les cas de soudage à l'électrode enrobée, la différence entre <math>H\;</math> et <math>H_{net}\;</math> n'est pas d'une grande importance car le coéficientcoefficient de transfert est très proche de 1 (''dans tous les cas plus grand que 0,8'').

En règle générale les principales valeurs du coéficientcoefficient de transfert sont les suivantes :

Le coéficientcoefficient d'efficacité de fusion, <math>f_2</math>, caractérisant une passe de soudure peut être déterminé en mesurant la surface travers de la section soudée et l'énergie nette de soudage. Le coéficientcoefficient <math>f_2</math> est le rapport entre la quantité minimale de chaleur requise pour atteindre la fusion et la quantiéquantité d'énergie de soudage nette mise en oeuvreœuvre :

L'efficacité de fusion dépend à la fois du procédé de soudage et du matériau de base. Elle dépend aussi de facteurs comme la configuration du joint et l'épaisseur de la tôle. Le coefficient d'éfficacitéefficacité de fusion est inversement proportionnel à la conductivité thermique du matériau de base. Plus la conductivité thermique est élevée, plus vite la chaleur sera évacuée, par conduction, de la zone à souder.

:<math>H_n \;</math> = énergie de soudage net en J/mm. Dans le cas du soudage à l'arc électrique : <math>\frac{f_1UI}{V}</math> avec (<math>f_1 =</math> coéficientcoefficient de transfert, U = tension de soudage, I = intensité de soudage et V = vitesse de soudage),

'''EtudesÉtudes de cas :'''

La vitesse de refroidissement en un point proche ou ayant atteint un pic de température peut influer de manière significative sur la structure métallurgique, les propriétés voire la solidité du joint soudé. Les structures métallurgiques produites par les pics de températures atteintes et les vitesses de refroidissement associées, notamment sur les matériaux dotés de points de transformation à l'état solide, sont spécifiques du soudage et ne sont pratiquement jamais rencontrées, par exemple, chez les acièristesaciéristes et les fondeurs.

Le calcul et la comparaison des vitesses de refroidissement nécessitent de spécifier scrupuleusement les conditions de réalisation. La méthode la plus pratique consiste à établir la vitesse de refroidissement à l'axe du métal fondu dès l'instant ou le metalmétal atteint une température critique <math>T_c</math>. A une température bien en deçà de la température de fusion, la vitesse de refroidissement de la soudure et de la zone thermiquement affectée sousjacentesous-jacente (zone sous cordon) est pratiquement indépendante de la position. Dans le cas des aciers carbone et faiblement alliés, la température critique la plus pertinente est celle qui correspond au nez de transformation perlitique des courbes TTT (Temps, Température, Transformation). La température exacte n'est pas critique mais doit être la même pour tous les calculs et comparaisons. La valeur de <math>T_c=550</math>°C est satisfaisante pour la majorité de ces aciers. L'application principale issue de l'étude des vitesses de refroidissement est ladéterminationla détermination de la nécessité d'un préchauffage et de sa température.

Dans le cas d'une tôle mince ne requiérantrequérant pas plus de quatre passes pour un soudage bout à bout, la vitesse de refroidissement est donnée par :

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 oeuvreœuvre.

Un relevé des paramètres de soudage est effectué pour chacun des cordons de soudures déposés sur le coupon afin de déterminer l'énergie de soudage correspondante. Nous supposons, dans notre exemple, que les vitesses de progression de soudage sont les suivantes ; 9, 10, 11 et 12 mm/s. Avant d'effectuer chaque cordon, il est important de vérifier que la température intitialeinitiale n'excède par les 50°C prévu, ceci afin que les résultats soient comparables.

Nous connaissons maintenant la vitesse maximum de refroidissement qui, avec une certaine marge de sécurité, évite la production de structures fragiles qui contribuent, pour partie, à l'apparition du phénomène de fissuration à froid. Il existe, en métallurgie, une approche particulière de la transformation de structure en refroidissement continu. Celle-ci a permipermis d'élaborer, pour des types d'aciers, des courbes ou diagrammes TRC très utiles pour prévoir l'apparition de structures en fonction de la vitesse de refroidissement.

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 oeuvreœuvre ; 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 afectéesaffectées 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 intermétalliqueinter-métallique, une transformation allotropique, un eutectoïde voire une combinaison des trois si ce n'est les trois à la fois.

Dans le cas d'un acier de construction par exemple l'auténite ou <math>Fe_\gamma</math> (''structure cubique face centrée''), stable entre les points de transformation A1 et A3 peut donner naisancenaissance, pendant le refroidissement, à plusieurs phases comme :

:- un composé intermétalliqueinter-métallique, la cémentite (<math>Fe_3C</math>), et

Cependant, lorsqu'on refroidit très rapidement un matériau de ce type depuis la température où cette phase est à l'équilibre, sans laisser le temps nécessaire aux transformations de phase par germination / croissance de se produire, on gèle en quelque sorte les éléments en solution à l'intérieur de la matrice et il se produit un changement instantané ne mettant pas en oeuvreœuvre les phénomènes de germination / croissance mais un glissement brutal, voire un cisaillage, selon des axes privilégiés de la structure de la phase initiale, c'est la '''transformation martensitique'''. Toute la phase qui peut se former à une température donnée apparaît pratiquement en une seule fois, par cisaillement / déformation plastique de la struturestructure environnante, laissant le reste de la phase initiale en condition métastable (''dans le cas de notre acier, en austénite dite résiduelle''). La transformation s'amorce à nouveau si la température s'abaisse et par création de nouveaux domaines (''et non pas la croissance de domaines déjà formés''). La vitesse d'apparition des plaques de martensite et de l'ordre de 2500km/h (''vitesse de propagation d'une onde élastique dans un métal''). La température d'initiation de la transformation martensitique est désigné par le point Ms pour ''martensite start'' et la température de fin par le point Mf pour ''martensite finish''.

En réglerègle générale les structures martensitiques sont douces et malléables (exemples : la martensite des aciers à 9% de nickel pour applications cryogéniques et celle du duralumin qui se travaille sur ''trempe fraîche''). Cependant, la martensite produites dans les aciers trempés est dure et fragile de par la présence du carbone. Cette dureté croît dans le même sens que la teneur en carbone.