« Soudage » : différence entre les versions
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== Histoire du soudage ==
L’origine du soudage remonte à l’âge des métaux :
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Tous ces procédés connaîtront leur essor industriel vers 1920.
== Présentation des principaux procédés de soudage ==
=== Les procédés de soudage des métaux ===
[[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]]
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: 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]]}}
=== Les procédés de soudage des plastiques ===
* '''Le soudage à l'air chaud''' :
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: 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.
== Sources d'énergie électrique ==
===Arc électrique===
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 un arc électrique a été largement étudiée 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.
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L'utilisation d'un arc plasma (ou d'une torche plasma) comme source de chaleur est plus récente. 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 25.000°C.
===L'effet joule===
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 :
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avec :
:<math>H =\;</math>
:<math>I =\;</math> Courant électrique en ampères,
:<math>R =\;</math> Résistance électrique au droit des électrodes en ohms,
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:<math>I =\;</math> Intensité, en ampères, traversant le bain de fusion,
:<math>t =\;</math> Temps pendant lequel le courant électrique est établi.
== Sources d'énergie chimique ==
=== La flamme ===
Dans le cas du soudage à la flamme de l'acier, celle-ci doit posséder deux caractéristiques qui sont :
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Différents gaz combustibles sont utilisés, les flammes résultantes peuvent être classées selon le maximum de température atteint par une flamme neutre :
{| border cellspacing="0" width="500"
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|GNL/méthane|| 2742 ||2350
|}
La réaction de combustion de l'acétylène dans l'oxygène se produit en deux étapes. La première réaction se produit juste en sortie du bec du chalumeau dans le cône lumineux bleuté (dard) de la flamme. Elle est le résultat de la combustion du mélange oxygène/acétylène tel qu'effectué par les réglages du chalumeau. Cette réaction est oxydante, le dard ne doit jamais être maintenu en contact avec la pièces à souder.
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La chaleur totale fournie par la flamme oxyacétylèninque est de 1260 kJ/mol. La première réaction fournit 36% de la chaleur totale.
=== La réaction exothermique ===
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.
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== Physique du soudage ==
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
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 (
* les réactions exothermiques (la flamme et l'aluminothermie),
* l'arc électrique et les plasmas,
* le
* les LASER,
* l'effet Joule (soudage par résistance, l'électroslag, l'électrogas).
Les procédés de soudage utilisant ces sources d'énergie sont habituellement désignés voire identifiés à partir du type d'énergie employé. La sources de chaleur peut être soit mobile soit fixe par rapport aux pièces à souder, selon le type de procédé ou le genre d'application. Ces
* '''Le soudage à l'arc électrique :'''
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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 benzène 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 source 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 :
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Avec :
:<math>H = \;</math>
:<math>P = \;</math> Puissance à l'arc électrique en watts (W), et
:<math>V = \;</math> Vitesse d'avance de l'arc électrique millimètre par seconde (mm/s).
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La formule devient :
::<math>H = \frac{P.t}{L} \;</math>
Si le but est de déterminer les effets précis de la chaleur de l'arc sur le matériau à souder, l'énergie nette de soudage :<math>H_{net} \;</math> doit être employée :
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En règle générale les principales valeurs du coefficient de transfert sont les suivantes :
:: Procédés de soudage à l'arc TIG et MIG (absence de laitier) : <math>f_1 = 0.7 </math>
:: Procédés de soudage à l'arc EE et MAG (bain de fusion protégé par un laitier d'épaisseur inférieure à 2 mm au plus) : <math>f_1 = 0.8 </math>
:: Procédés de soudage à l'arc sous flux pulvérulent (bain de fusion protégé par un laitier de 4 à 5 mm d'épaisseur) : <math>f_1 = 0.9 </math>
Pour un dépôt de soudure « L » effectué en une minute (60s) la formule devient :
::<math>H_{net} = 60.f_1\frac{U.I}{L} \;</math>
Exemples de calculs d'énergie de soudage pour quelques cordons de soudure déposés en une minute (60s) dans différentes conditions :
{| border cellspacing="0" width="500"
Ligne 339 ⟶ 330 :
|}
=== Concept d'efficacité de fusion ===
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 :
Ligne 366 ⟶ 357 :
Le coefficient 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 coefficient <math>f_2</math> est le rapport entre la quantité minimale de chaleur requise pour atteindre la fusion et la quantité d'énergie de soudage nette mise en œuvre :
::<math>f_2 = \frac{Q.A_{mf}}{H_{net}} = \frac{Q.A_{mf}.V}{f_1P} = \frac{Q.A_{mf}.V}{f_1UI}\;</math>
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'efficacité 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.
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: <math>f_2=0.3\;</math>
: <math>Q=10\;</math> <math>J/mm^3</math>
:: <math>A_{mf} = \frac{(0,8).(0,3).24.180}{5.10}\ = 20,7 mm^2;</math>
== Sources d'énergie ==
=== L'arc électrique ===
=== Transfert du métal ===
=== Vitesses de fusion ===
=== Propriétés physiques des métaux et des gaz de protection ===
== Écoulement thermique en soudage ==
[[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 :
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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.
=== Pics de température ===
[[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.
Dans le cas d'une soudure simple passe sur un assemblage plan bout à bout, la distribution du pic de température en métal de base adjacent à la soudure est donné par :
<center><math>\frac{1}{T_m - T_i} = x\frac{4,13(\rho \cdot C_v)E_p}{H_n} + \frac{1}{T_f - T_i}</math></center>
Avec :
:<math>x \;</math> = distance à la zone de liaison où l'on veut connaître le pic de température,
:
:<math>T_m \;</math> = température maximum atteinte en (°C) à la distance x (mm) de la zone de liaison (frontière entre le métal qui a fondu et celui qui n'a pas fondu). On considère qu'un point pris sur la zone de liaison a atteint la température de fusion,
:
:<math>T_i \;</math> = température initiale de la pièce (°C),
:
:<math>T_f \;</math> = température de fusion du métal de base (°C),
:
:<math>\rho \cdot C_v \;</math> = chaleur spécifique volumique en : <math>J</math>/<math>mm^3</math>°C (produit de la masse volumique du matériau en g/<math>mm^3</math> par la chaleur spécifique du métal à l'état solide en J/g.°C),
:
:<math>E_p \;</math> = épaisseur de la tôle (mm),
:
:<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> coefficient de transfert, U = tension de soudage, I = intensité de soudage et V = vitesse de soudage),
L'équation du pic de température peut être utilisée de deux manières :
Ligne 467 ⟶ 452 :
* Quelle est la température maximum atteinte à 6 mm de la ZL ?
:<math>\frac{1}{T_m - 20} = 6 \cdot \frac{4,13(0,0044)10}{1.331} + \frac{1}{1.525 - 20}</math>
::'''La température maximum atteinte à 6 mm de la zone de liaison est <math>T_m = 693^\circ C \;</math>'''
* dans les mêmes conditions de soudage, quelle est la largeur de la ZAT sachant, pour le métal de base considéré, qu'elle est comprise entre ZL et l'isotherme à 735°C ?
:<math>\frac{1}{735 - 20} = x \cdot \frac{4,13(0,0044)10}{1.331} + \frac{1}{1.525 - 20}</math>
::'''La largeur de la ZAT est de 5,4 mm'''
* Il est des cas où les propriétés mécaniques de certains aciers sont obtenues par traitements thermiques comme la trempe associée à un revenu. La température de revenu est généralement inférieure au point de transformation <math>A_1</math>. Dans le cas du soudage, tout chauffage à une température supérieure à la température de revenu peut, en théorie, produire un effet de sur-revenu et dégrader les propriétés mécaniques dans la zone ainsi affectée. Il peut alors être intéressant d'évaluer la largeur de la ZAT qui s'étend jusqu'à l'isotherme qui correspond à la température de revenu disons, pour l'étude de cas ci-dessous, 450°C. Tout autre autre paramètre étant égal par ailleurs :
:<math>\frac{1}{450 - 20} = x \cdot \frac{4,13(0,0044)10}{1.331} + \frac{1}{1.525 - 20}</math>
::'''La largeur de la zone comprise entre FL et l'isotherme à 450°C est de 12 mm'''
* Les aciers appartenant à la famille des aciers trempés/revenus sont fréquemment préchauffés avant soudage. Ce préchauffage produit, comme effet secondaire, l'élargissement de la ZAT. En reprenant le cas ci dessus avec un préchauffage de 200°C :
:<math>\frac{1}{450 - 200} = x \cdot \frac{4,13(0,0044)10}{1.331} + \frac{1}{1.525 - 200}</math>
::'''La largeur de la zone comprise entre FL et l'isotherme à 450°C est de 24 mm. Dans le cas présent, le préchauffage a doublé l'étendu de la ZAT !'''
* Finalement, la plus simple et plus importante conclusion que l'on puisse tirer de l'équation du pic de température est que la zone affectée par la chaleur est directement proportionnelle à l'impact thermique. En reprenant encore l'exemple ci dessus, sans préchauffage et en supposant une énergie de soudage augmentée de 50% soit 2.000 J/mm :
:<math>\frac{1}{450 - 20} = x \cdot \frac{4,13(0,0044)10}{2.000} + \frac{1}{1.525 - 20}</math>
::'''La largeur de la ZAT a aussi augmenté de 50% soit 18mm'''
L'équation du pic de température peut donc être très intéressante et utile. Il faut cependant redéfinir les hypothèses qui ont permis son élaboration. Tout d'abord l'équation du pic de température découle de ce qu'on appelle l'écoulement thermique sur tôle mince, c'est à dire lorsque les phénomènes de conduction se produise de façon bidimensionnelle (''selon des chemins parallèles aux surfaces de la tôle''). L'équation s'applique donc dans le cas d'un soudage mono-passe pleine pénétration sur joint bout à bout sans considération de l'épaisseur. Elle peut aussi s'appliquer au soudage multipasse, limité à 4, à condition de tenir compte de la température entre passe que l'on affecte à <math>T_i</math>.
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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.
=== Vitesses de refroidissement ===
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.
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Dans le cas d'une tôle mince ne requérant pas plus de quatre passes pour un soudage bout à bout, la vitesse de refroidissement est donnée par :
::<math>V_r = 2 \pi k \rho C_v \left( \frac{E_p}{H_n}\right)^2 (T_c-T_i)^3 </math>
=== Comment faire la distinction entre tôle mince et tôle épaisse ===
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 œuvre.
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Cependant, l'équation pour tôle mince ne s'applique que dans le cas d'un écoulement latéral de la chaleur comme, par exemple, dans le cas du soudage pleine pénétration en une passe d'un joint bout à bout.
La différence entre tôle épaisse et tôle mince reste cependant assez subjective car les qualificatifs « ''mince'' » et « ''épais'' » ne sont pas des critères absolues, aussi est-il nécessaire de définir de manière plus rationnelle un critère de choix. Ce critère est un nombre sans dimension
::<math>\epsilon = E_p \sqrt{ \frac{\rho C_v(T_c-T_i)}{H_n}}</math>
Ligne 553 ⟶ 521 :
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%.
=== Vitesse critique de refroidissement et température de préchauffage ===
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.
Dans le cas du soudage des aciers qui prennent la trempe, le premier problème à résoudre consiste à déterminer la vitesse critique de refroidissement. Ceci peut être réalisé simplement et efficacement de manière expérimentale en étudiant la dureté sous cordon de plusieurs passes de soudure déposées sur un coupon en tôle de même nuance que l'acier à tester (''en anglais « Bead On Plate Test »'') et en ne faisant varier que la vitesse de progression du soudage, toutes choses étant égales par ailleurs.
Ligne 578 ⟶ 545 :
:<math>H_n = \frac{0,9 \cdot 23\cdot 450}{9} = 1.035 \; J/mm</math>
Pour cette valeur d'énergie de soudage, l'épaisseur relative est :
:<math>E_r=9\sqrt{\frac {0,0044(550-50}{1.035}}=0,41</math>
C'est donc l'équation pour tôle mince qui s'applique, et :
:<math>\frac{V_r}{2 \pi k} = 0,0044 (\frac{9}{1.035})^2 (550-50)^3 = 41,6 \;</math>
ce qui donne une vitesse critique de refroidissement de :
:::::<math>V_r = 2 \pi (0,028)41,6 = 7,3 \;^\circ C/s</math>
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 permis 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.
Ligne 615 ⟶ 575 :
:<math>H_n = \frac{0,9 \cdot 21\cdot 195}{3,2} = 1.152 \; J/mm</math>
En supposant l'équation pour tôle mince toujours applicable, on obtient :
:::::<math>\frac{V_r}{2 \pi k} = 0,0044 (\frac{8}{1.152})^2 (550-50)^3 = 26,5 \;</math> ▼
▲:<math>\frac{V_r}{2 \pi k} = 0,0044 (\frac{8}{1.152})^2 (550-50)^3 = 26,5 \;</math>
ce qui donne, pour ce cas, une vitesse de refroidissement de :
▲:::::<math>V_r = 2 \pi (0,028)26,5 = 4,7 \;^\circ C/s</math>
Cette vitesse de refroidissement étant plus lente que la vitesse critique calculée, il n'est pas nécessaire d'appliquer un préchauffage. Cependant, si ces mêmes paramètres de soudage sont appliqués sur une tôle d'épaisseur 25 mm :
L'épaisseur relative devient :
:<math>E_r=25\sqrt{\frac {0,0044(550-50}{1.152}}=1,1</math>
C'est donc l'équation pour tôle épaisse qui s'applique où l'on remplace les symboles par les valeurs déjà connues :
:<math>7,3 = \frac{2 \pi 0.028(550-T_i)^2}{1.152}</math>
Soit
:::::<math>T_i =550-\sqrt{\frac{7,3 \cdot 1.152}{2 \cdot\pi \cdot0.028}}=332 \;^\circ C</math>
=== Influence du type de joint ===
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.
Ligne 665 ⟶ 615 :
Si l'on remplace le joint bout à bout par un joint en « Té », l'énergie de soudage devient :
:<math>H_n = \frac{2}{3}\cdot\frac{0,9\cdot21\cdot 195}{3,2} = 768\; J/mm</math>
Calcul de la nouvelle vitesse de refroidissement. En supposant l'équation pour tôle mince toujours applicable, on obtient :
:<math>\frac{V_r}{2 \pi k} = 0,0044 \left( \frac{8}{768} \right)^2 (550-50)^3 = 59,7 </math>
ce qui donne, pour ce cas, une vitesse de refroidissement de :
:::::<math>V_r = 2 \pi (0,028)59,7 = 10,5 \; ^\circ C/s</math>
'''La vitesse de refroidissement est plus de deux fois plus grande que sur un joint bout à bout !''' Il est nécessaire d'apporter un complément de chaleur par un préchauffage approprié afin de ramener la vitesse de refroidissement à une valeur convenable et d'éviter ainsi la formation des structures fragiles pouvant conduire à la fissuration à froid.
Pour être dans les mêmes conditions de refroidissement que dans le premier cas, c'est à dire d'obtenir une vitesse de refroidissement de 4,7°C/s, il s'agira de trouver la valeur appropriée de <math>T_i</math> en remplaçant les symboles de l'équation par des valeurs connues :
:<math>0,0044 \left( \frac{8}{768} \right)^2 (550-T_i)^3 = 26,5</math>
:<math>T_i = 550 - \sqrt[3]{\frac{26,5}{0,0044}\cdot \left( \frac{768}{8} \right)^2}=381\;^\circ C</math>
Cette température de préchauffage de <math>381\;^\circ C</math> est assez conservatrice car elle est basée sur une vitesse de refroidissement de 4,7 °C/s située bien en dessous de la vitesse critique de refroidissement de 7,3 °C/s. En choisissant une vitesse de refroidissement de 6 °C/S il sera possible d'abaisser la température de préchauffage tout en conservant une bonne marge de sécurité.
En introduisant une vitesse de refroidissement de 6°C/s dans l'équation, on obtient une nouvelle égalité :
:<math>\frac{6}{2\cdot \pi \cdot0,028} = 0,0044 \left( \frac{8}{768} \right)^2 (550-T_i)^3 = 34,12</math>
D'où l'on tire une nouvelle valeur de préchauffage :
:<math>T_i = 550 - \sqrt[3]{\frac{6}{2\cdot \pi \cdot 0,028 \cdot 0,0044} \cdot \left( \frac{768}{8} \right)^2} = 135\;^\circ C</math>
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'').
=== Conclusion ===
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 œuvre ; la température de 250°C peut très bien être trop élevée ou pas assez.
Ligne 719 ⟶ 654 :
'''Pour des problèmes de santé, de sécurité du travail et de confort du soudeur, pour réduire la largeur des zones affectées thermiquement et pour des raisons économiques il y a toujours intérêt à obtenir, lorsque c'est possible, les températures de préchauffage les plus basses.'''
== Transformations à l'état solide ==
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 inter-métallique, une transformation allotropique, un eutectoïde voire une combinaison des trois si ce n'est les trois à la fois.
Ligne 740 ⟶ 675 :
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.
=== Diagramme TTT (Temps - Température - Taux de transformations) ===
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>
Ligne 754 ⟶ 689 :
[[Image:DiagrammeTTT.GIF|center|thumb|750px|Fig. 9. Exemple d'un diagramme Temps, température, taux de transformation d'un acier au chrome]]
=== Courbes TRC (transformations en refroidissement continu) ===
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
[[Image:Diagramme TRC.GIF|center|thumb|650px|Fig. 10. Exemple de diagramme TRC]]
== Temps de solidification ==
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.
Le temps de solidification du métal fondu, en seconde, dépend de l'énergie net apportée en soudage :
:<math>S_t = \frac{C_f \cdot H_n}{2 \cdot \pi \cdot k \cdot \rho C (T_f - T_i)^2}</math>
Avec :
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exemple :
Dans les conditions du cas No1 :
:<math>S_t = \frac{2 \cdot 768}{2 \cdot \pi \cdot 0,028 \cdot 0,0044 (1525 - 20)^2} = 0,88s</math>
On constate immédiatement que le temps de solidification en soudage n'a rien de comparable avec les temps de solidification rencontrés chez les fondeurs et les aciéristes. Dans les conditions de refroidissement les plus sévères, un lingot de fonderie mettra plus d'une minute pour se solidifier ce qui représente déjà plus de soixante fois un temps de solidification en soudage. Rien d'étonnant à ce que les structures de solidification en soudage n'aient rien à voir avec celles rencontrées en fonderie ou en
▲On constate immédiatement que le temps de solidification en soudage n'a rien de comparable avec les temps de solidification rencontrés chez les fondeurs et les aciéristes. Dans les conditions de refroidissement les plus sévères, un lingot de fonderie mettra plus d'une minute pour se solidifier ce qui représente déjà plus de soixante fois un temps de solidification en soudage. Rien d'étonnant à ce que les structures de solidification en soudage n'aient rien à voir avec celles rencontrées en fonderie ou en acièrie et se trouvent fort éloignées des conditions prévues par les diagrammes de solidifications.
[[Image:Dendrite formation.gif|thumb|650px|right|Fig. 11. Solidification dendritique]]
La plus part des alliages utilisés dans l'industrie se solidifient par un processus de ségrégation dendritique et l'une des caractéristiques les plus remarquables d'un métal fondu est la distance entre bras de dendrite. La dendrite est en quelque sorte le
La croissance des dendrites est [[w:Épitaxie|épitaxique]], c'est à dire calquée et orientée par rapport aux cristaux solides de la zone de liaison. Les cristaux solides et les cristaux en formation possédant un certain nombre d'éléments de symétrie communs dans leurs réseaux cristallins. Si la vitesse de solidification est trop rapide il y a alors apparition d'îlots dendritiques dans le liquide qui se comporteront comme autant de germes de solidification.
Lorsque les impuretés sont très peu solubles dans le métal de base, elles forment généralement, avec lui, des eutectiques à bas point de fusion qui ont tendance à se localiser essentiellement aux frontières des cristaux puisqu'ils constituent les dernières fractions d'alliage à se solidifier. Inversement, au réchauffage, ce sont ces mêmes fractions d'eutectiques qui se liquéfieront en premier provoquant prématurément une
L'espace inter-dendritique est proportionnel à la racine carrée du temps de solidification. Si l'on compare deux passes de soudure, l'une en angle au plafond l'autre en verticle montante ; l'énergie de soudage peut être quatre fois plus élevée dans le second cas que dans le premier. L'espace inter-dendritique sera deux fois plus important dans le second cas que dans le premier. En d'autres termes :
* plus l'énergie de soudage est importante et plus on laisse le temps aux germes cristallin de se développer de manière compétitive et aboutir ainsi à une structure grossière, et
* plus l'énergie de soudage est faible et moins on laisse de temps aux germes dendritique de croître ce qui résulte en une fine structure de
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.
=== Représentation schématique d'un bain de fusion ===
==== Chauffage ====
La première période est caractérisée par la vitesse de chauffage Vc et par la température maximale Tm atteinte. L’importance de la zone affectée par l’élévation de la température est fonction pour un matériau et une pièce donnée, de l’énergie de soudage et de la température initiale des pièces.
Cette élévation de température va se traduire par l’apparition de zone austénitique (ZAT) définie pour les aciers par l’inégalité : Tm
Le chauffage se traduit par les phénomènes suivants :
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I - Transformations au chauffage
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¤ La bainite inférieure (structure aciculaire, voisine de la martensite) ;
== Examens, essais et mesures ==
Toutes structures métalliques allant des ponts aux réacteurs nucléaires 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.
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Ce chapitre est dédié au méthodes d'examens, de mesures et d'essais qui peuvent être utilisé pour évaluer les propriétés et caractéristiques d'un joint soudé.
=== Pièce soudée représentative ===
Les éprouvettes d'essais sont prélévées dans une pièce soudée dont les dimensions sont suffisantes pour permettre un soudage aussi représentatif que possible :
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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 supervisés par un organisme tiers.
=== Essais de traction ===
[[Image:Traction cylindrique.jpg|thumb|200px|center|Fig. . Eprouvettes d'essais de traction en métal fondu]]
=== Essais de pliage ===
[[Image:Essais Pliage.jpg|thumb|200px|right|Fig. . Eprouvettes d'essai de pliage]]
Cet essai permet de déterminer l'aptitude à la déformation par pliage du joint soudé. Il est décrit dans des normes, des codes de construction ou les cahiers des charges des donneurs d'ordre.
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En règle générale, l'essai de pliage requière deux pliages endroit et deux pliages envers soudure ou quatre pliages côtés.
=== Essais de dureté ===
=== Essais de résilience - Ténacité ===
[[Image:Mouton charpy.JPG|thumb|200px|left|Fig. . Schéma de principe du mouton pendule de Charpy]]
[[Image:Eprouvette resilience.jpg|thumb|200px|right|Fig. . Barreaux de résilience à entaille en "Vé"]]
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[[Image:Courbe transition.JPG|thumb|300px|right|Fig. . Courbe de transition de ténacité obtenue à partir de 7 séries de trois éprouvettes d'essai. La température de transition est de moins 50°C et l'énergie de rupture correspondante de 46 joules]]
La graduation de la machine permet généralement d'obtenir directement une valeur en joule.
Le résultat est fonction de la valeur moyenne de l'énergie de rupture obtenue sur les trois éprouvettes d'une série ainsi que la valeur minimum comparées aux valeurs d'acceptation du cahier des charges (''ou code ou norme'') pour la température d'essai requise. Le profil de l'entaille joue un rôle prépondérant dans la réussite ou non de l'essai. Une solution acceptable pour réaliser l'entaille est l'usinage à la broche.
Lorsque des séries d'essais sont effectuées à différentes températures, on peut mettre en évidence la température de transition entre domaine ductile et domaine fragile d'un matériau. La séparation entre domaine fragile et domaine ductile est déterminée par l'examen du faciès de rupture de chaque éprouvette afin de détecter le lot présentant 50% de surface fragile. La température d'essai de ce lot d'éprouvette est la température de transition du matériau, température à laquelle on peut faire correspondre l'énergie de rupture.
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La plupart des aciers de construction sont sensibles au vieillissement, c'est à dire à une fragilisation dans le temps due à un déplacement vers les hautes températures de leur température de transition de ténacité. Pour déterminer la sensibilité au vieillissement d'un joint soudé on recherche la température de transition sur éprouvette vieillie que l'on compare à la température de transition déterminée sur éprouvette brute de soudage. Il existe des procédures particulières de traitements thermiques avec refroidissement par étapes (''en anglais « step cooling »'') simulant le vieillissement des aciers, ces traitements thermiques ont des durées longues pouvant atteindre une dizaine de jours.
== Comportement à température élevée ==
=== Traction à chaud ===
=== Essais de fluage ===
== Mécanique de la rupture ==
=== Essais COD ===
== Fatigue des structures soudées ==
=== Contraintes résiduelles et déformation ===
=== Techniques connexes ===
* Le [[brasage]]
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* Le [[rechargement]]
=== Formations en soudage ===
Le soudage et ses applications sont enseignés à divers niveaux qui vont du praticien à l'ingénieur. L'enseignement est dispensé de deux façons :
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:http://www.soudeur.com
=== Bibliographie ==
:Soudage et techniques connexes 1960 - Ryckaline - Ecoulement thermique en soudage
:Welding Journal 1958 - Adams C.M. Jr - Cooling Rates and Peak temperatures in fusion welding
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