Cours 5 Metallurgie Du Soudage

Cours 5 : Base de la métallurgie du soudage métallurgie du soudage

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1. INTRODUCTION

Tous les procédés de soudage impliquent le chauffage la fusion et leTous les procédés de soudage impliquent le chauffage, la fusion et le refroidissement du métal. Ces variations de température ont un impact direct sur la structure de la zone soudée. Cette structure peut déterminer la dureté, la résistance, la résilience et la ductilité du métal de la zone soudée.

Adjacente à la zone fondue se trouve une zone qui atteint une température élevée, mais qui ne fond pas. Cette zone est appelée zone affectée thermiquement (ZAT) ou zone thermiquement affectée (ZTA)thermiquement (ZAT) ou zone thermiquement affectée (ZTA).

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1. INTRODUCTION

D l f it l it ti t l l E ff t dé itDans les faits, la situation est un peu plus complexe. En effet, on décrit habituellement un cordon de soudure effectué en une seule passe comme étant composé de deux zones : le métal de base et la ZAT.

Un examen métallographique minutieux révèle qu'un cordon de soudure peut en fait être divisé en quatre zones :

1 l it f d1- la zone composite ou zone fondue2- la zone non-mélangée3- la zone partiellement fondue4- la ZAT

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1. INTRODUCTION

1) La zone composite, ou zone fondue, dans laquelle un volume du métal de base fondu avec ou sans métal d'apport surchauffé se mélange pour former un alliage dont la composition nominale constitue un intermédiaire entre celle du métal de base et celle du métal d'apportun intermédiaire entre celle du métal de base et celle du métal d apport, le tout conditionné par le taux de dilution;

2) La zone non-mélangée, qui résulte de la formation d'une couche ) g , qfondue stagnante (de 100 à 1000 μm d'épaisseur) en périphérie de la zone mélangée. Comme il ne se produit là aucun mélange mécanique, la composition du métal de cette zone est identique à celle du métal de base à l'exception de changement mineurs provoqués par la diffusion;base, à l'exception de changement mineurs provoqués par la diffusion;

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1. INTRODUCTION

3) La zone partiellement fondue, qui est une zone où la température maximale atteinte se situe entre le liquidus et le solidus du métal de base, ce qui conduit à une fusion partielle;

4) La ZAT, qui est la portion du métal de base à l'intérieur de laquelle tous les changements microstructuraux provoqués par le soudage se produisent à l'état solide.

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2. CYCLE THERMIQUE DE SOUDAGE

Dans le cas du soudage à l'arc, le cycle thermique comporte quatre étapes importantes:

1- Le chauffage2- La fusion3- La solidification4- Le refroidissement

Le chauffage est le résultat de l’énergie de l’arc électrique transformée enchaleur, qui produit la fusion du métal. La fusion amène à l'état liquide l'électrode et les bords de la pièce à joindre. La solidification est une étape importante du soudage, car elle détermine la structure de la zone fondue. Enfin, le refroidissement a lieu après la solidification complète de la zone fondue. Après la solidification, la température est encore assez élevée. Durant le refroidissement de la pièce, de nombreuses réactions métallurgiques se produisent autour de la zone soudée.

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Pendant que la source de chaleur (arc électrique) se déplace le long des bords à souder, le matériau environnant s'échauffe, atteint une température maximale puis se refroidit. La loi suivant laquelle la température varie, en un point de la pièce en fonction du temps porte le nom de "cycle thermiquepoint de la pièce, en fonction du temps, porte le nom de cycle thermique de soudage".

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Aux abords immédiats de la zone fondue, le métal de base subit les effets du cycle thermique de soudage qui provoque des transformations liées à la température maximale atteinte et aux conditions de refroidissement du joint Soudé.

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La zone affectée thermiquement est constitué de :

1- Région où le métal de base n'a pas atteint une température de 600°C. A difi ti i ifi ti d ét l d bAucune modification significative du métal de base.2- Entre 600°C et Ac1 ,quelques modifications apparaissent (revenu).3- Entre Ac1 et Ac3, l'austénitisation partielle du métal donne naissance à une t t à i t è fistructure à grains très fins.

4- Entre Ac3 et 1200°C environ, il y a apparition de structures de normalisation et de structures plus grossières.5 Au delà de 1200°C au contact de la zone fondue (zone de liaison) une5- Au delà de 1200°C, au contact de la zone fondue (zone de liaison), une structure à gros grains confère au métal une forte trempabilité; d'où, après refroidissement, des structures aciculaires grossières ou même parfois des str ct res de trempe C'est dans cette région ( one à gros grains) q e lesstructures de trempe. C'est dans cette région (zone à gros grains) que les risques de fissures à froid sont les plus élevés.

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La zone affectée thermiquement est constitué de :

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Les cycles de chauffage et de refroidissement ont donc pour conséquences principales :

- des transformations métallurgiques dans la zone fondue et dans la ZAT;- la création de contraintes résiduelles qui peuvent causer des déformations ou des fissures.

Trois principaux facteurs déterminent les effets du cycle thermique de soudage sur le métal :

- la quantité de chaleur transférée à la pièce par le procédé de soudage;- les températures atteintes dans la ZAT;- la vitesse de refroidissement du métal.

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L'intérêt de l'étude du cycle thermique de soudage est qu'elle permet:

- d'interpréter ou de prévoir la nature des phénomènes engendrés;- de connaître l'étendue des zones affectées thermiquement lorsque le phénomène qui y prend naissance est défini par une température maximale atteinte.

Les cycles thermiques de soudage dépendent des variables suivantes:

1 position et distance du point considéré par rapport à la ligne de soudure;1- position et distance du point considéré par rapport à la ligne de soudure;2- procédé de soudage et ses paramètres;3- épaisseur des pièces et type de joint;4 propriétés d métal de base4- propriétés du métal de base;5- température initiale de la pièce.

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1- Influence de la position et distance du point considéré par rapport à la ligne de soudure

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E d lti l' l d l th i d i t lEn soudage multi-passes, l'analyse des cycles thermiques devient plus Complexe. Sur de grandes longueurs, chaque passe a le temps de se refroidir presque complètement avant le dépôt de la passe suivante et les cycles th i d h t ti t i dé d t l dthermiques de chaque passe sont pratiquement indépendants les uns des autres. Par contre, l'action thermique atténuée des passes postérieures peut modifier la structure de la ZAT, allant même jusqu'à provoquer le revenu de certaines structures de trempe.

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2- Influence du procédé de soudage et ses paramètres

La variable qui, du point de vue des cycles thermiques, distingue les différents procédés de soudage, est la quantité de chaleur (ou d'énergie) introduite par unité de longueur de joint soudé, aussi appelée énergie linéaire.

100060 )/( ××××

=S

KIVmmKJE

10 90SAWK Facteur

procédé)selon1et0(entrethermiqueefficacitéd'facteur)( arcl' à intensité

)( arcl' àtension ==

KampèreIvoltV

0.85-0.65 :FCAW 0.85-0.65 :GMAW

1-0.90:SAW

(mm/min) soudage de vitesseSprocédé)selon 1,et 0(entrethermiqueefficacitéd'facteur

==K

0.50-0.20 :GTAW 0.85-0.50 :SMAW

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2- Influence du procédé de soudage et ses paramètres

Plus l'énergie linéaire est élevée, plus importante est la quantité de chaleur que le joint doit évacuer, plus le bain de fusion est gros, plus la ZAT est étendue et plus lente est la vitesse de refroidissement. La figure ci-dessous illustre la variation des vitesses de refroidissement entre 800 et 500°C en fonction de l'énergie linéaire.

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3- Influence de l’épaisseur des pièces et du type de joint

La chaleur introduite dans un joint par l'opération de soudage s'élimine principalement par conduction à travers le matériau (on néglige la part relativement faible cédée à l'air). Pratiquement toute la matière autour du cordon de soudure concourt à la dissipation de la chaleur. Il faut donc tenir compte de l'épaisseur des pièces à souder, mais aussi de la géométrie du joint. La figure ci-dessous montre, en fonction des types de joints soudés, l'écoulement du flux thermique dans une ou plusieurs directions. Pour un matériau donné, le refroidissement sera plus rapide si le flux thermique dispose d'un plus grand nombre de directions pour s'écouler.

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Une augmentation de l'énergie linéaire abaisse la vitesse de refroidissement. Pour les tôles fortes, la vitesse de refroidissement est inversement proportionnelle à l'énergie linéaire. Par exemple, doubler l'énergie linéaire réduit de moitié la vitesse de refroidissement. Pour les tôles minces, l'énergie linéaire a plus d'effet sur la vitesse de refroidissement, doubler l'énergie linéaire réduit la vitesse de refroidissement d'un facteur quatre.

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4- Influence des propriétés du métal de base

Les propriétés physiques du métal de base qui influencent le plus les cycles y ythermiques sont la conductibilité thermique et la chaleur spécifique; tout autre condition restant égale par ailleurs, la vitesse de refroidissement leur est directement proportionnelle.p p

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4- Influence des propriétés du métal de base

Le cuivre, conducteur par excellence, élimine la chaleur avec une telle rapidité qu'il exige par rapport à l'acier, à épaisseur égale, des apports thermiques spécifiques beaucoup plus importants et aussi, bien souvent, l'aide d'un préchauffage.p g

En ce qui concerne les aciers, on peut dire que l'influence des éléments d'alliage sur la conductibilité thermique est très faible, de sorte qu'il n'y a pas g q , q y plieu de faire de distinction sous ce rapport entre les aciers ordinaires et les aciers faiblement alliés. Cela n'empêche pas que du point de vue métallurgique les conséquences sont très différentes.q

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5- Influence de la température initiale des pièces

Le préchauffage a pour effet de diminuer la vitesse de refroidissement. En effet, plus la température initiale des pièces est élevée, plus leur refroidissement est lent. Le préchauffage sert aussi à éliminer l'humidité de la surface des pièces, diminuant ainsi les risques d'absorption d'hydrogène par le bain de fusion.

Dans le cas des aciers, cette vitesse est très importante. Dans le but de diminuer cette vitesse dans la région du nez de la courbe TTT, on effectue un préchauffage de la pièce avant le soudage. Cette opération a pour effet de déplacer la courbe du cycle thermique vers le haut, comme le montre la figure De la page suivante. Cette figure permet d'observer qu'avec un préchauffage, les températures maximales atteintes sont plus élevées, la zone de fusion est plus large et les vitesses de refroidissement à la températures critique sont plus faibles.

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5- Influence de la température initiale des pièces

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3. EFFETS MÉTALLURGIQUES DU CYCLE THERMIQUE

1- Température des zones atteintes

La zone fondue est la partie du joint dans laquelle le métal devient en fusion pendant le soudage. Puisque la température du métal fondu est très élevée, la chaleur de la zone fondue se répand dans la région avoisinante et fait augmenter la température de celle-ci. On appelle zone affectée thermiquement (ZAT) la région voisine de la zone fondue qui atteint une température très élevée mais ne fond pas. Selon la structure des grains du métal de base, on peut diviser en différentes régions la zone du métal atteinte par la chaleur du Soudage.

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La zone de fusion est la partie du joint de soudure dans laquelle le métal est venu en fusion et s'est solidifié après le soudage. Comme son nom l'indique, la zone de liaison est la région dans laquelle le métal de base et le métal d'apport se sont mélangés pendant la fusion. La zone de surchauffe est la zone adjacente à la zone de fusion. Dans cette région, les grains de la structure subissent un grossissement exagéré sous l'effet de la température élevée (au-dessus d'environ 1100°C). Dans la zone de transformation, l'acier peut se durcir sous l'effet d'un refroidissement rapide. La transformation peut être totale dans la zone où la température a dépassé Ac3 (910°C pour le fer pur) ou partielle dans la zone où la température est demeurée comprise entre Ac1 et Ac3 ( entre 723°C et 910°C).

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Les températures engendrées par le soudage influencent la grosseur des grains dans les différentes zones. On peut observer l'effet de la température sur la grosseur des grains d'une plaque d'acier au carbone à partir de la zone de fusion jusqu'à la zone non atteinte par la chaleur du soudage.

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Près du joint de soudure, les grains sont gros; ce sont les grains caractéristiques de l'austénite. À mesure que la température diminue (en s'éloignant du joint de soudure), les grains rapetissent et se retrouvent sous forme de ferrite et d'austénite. Enfin, au-dessous de 723°C, la structure de l'acier ne subit plus de transformation et ses grains sont sous forme de perlite et de ferrite.

D'une manière générale, les grains rapetissent à mesure que la température diminue, puis leurs dimensions se stabilisent lorsque l'effet de la chaleur ne se fait plus sentir. Ces changements de structure sont influencés par :

- Procédé de soudage- La méthode de soudage- Les propriétés physiques du métal- L’épaisseur à souder

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Le procédé de soudage. Par exemple, le soudage oxyacétylénique produit une plus grande ZAT que le soudage à l'arc électrique; puisque le métal demeure plus longtemps à l'état liquide, la chaleur a le temps de se diffuser plus lentement. En raison du refroidissement rapide, le soudage à l'arc électrique risque davantage de provoquer la trempe de l'acier;

La méthode de soudage. La méthode de soudage peut contribuer à diminuer le durcissement du métal soudé. Par exemple, en utilisant plusieurs petites passes de soudure, on peut ralentir la vitesse de refroidissement globale du métal et prévenir la trempe de l'acier. Dans ce cas, chaque passe a pour effet de maintenir la chaleur de la précédente, ralentissant ainsi le refroidissement. Ces passes successives modifient la zone de surchauffe. Elles permettent de rendre la structure plus homogène;

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Les propriétés physiques du métal. Chaque métal possède des caractéristiques qui influencent les effets du soudage sur sa structure;

L'épaisseur à souder. L'étendue de la ZAT dépend de l'épaisseur des plaques à souder. Comme nous l'avons mentionné déjà, plus les plaques sont minces, plus la ZAT est grande. En outre, l'épaisseur des plaques détermine également la vitesse de refroidissement: plus les plaques sont épaisses, plus la vitesse de refroidissement est rapide.

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Dans les zones voisines du métal fondu de la soudure, le métal est soumis à certains changements de structure qui varient en fonction de la température maximale et de la vitesse de refroidissement atteintes au sein de ces zones. Près de la zone de liaison, la température maximale atteinte est suffisante pour former une structure entièrement constituée d'austénite et permettre une certaine croissance des grains. Dans les zones plus éloignées de la zone de liaison, la température maximale atteinte n'engendre aucun changement de microstructure. Entre ces deux régions extrêmes, on peut retrouver différentes microstructures, provenant de transformations partielles.

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2- Étude de la zone fondue

Dans cette zone, la température atteinte dépasse celle du liquidus. On y yobtient donc la fusion franche. C'est avec raison que l'on a pu dire que le soudage constituait une opération d'élaboration à petite échelle. En effet, le joint soudé, lorsqu'il est exécuté avec un métal d'apport, résulte du mélange à l'état q pp gfondu de ce métal avec une certaine proportion du métal de base. D'autre part, au cours de la fusion, un certain nombre de réactions se produisent et tendent à modifier la composition chimique élémentaire de la zone fondue.p q

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É2- Étude de la zone fondue

Ces principes généraux expliquent plusieurs des phénomènes observés durant la solidification de la zone fondue des soudures. Pendant que la soudure progresse, le métal de base fond au fur et à mesure au sein du bain de fusion, en même temps que le métal d'apport éventuel qui participe à l'élaboration du bain, puis ce dernier se solidifie au fur et à mesure de la progression, comme le montre la figure ci-dessous. Ce processus peut atteindre un régime stationnaire durant lequel la grosseur du bain reste constante tandis que le soudage s'effectue de proche en proche.

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É2- Étude de la zone fondue

La forme plus ou moins allongée du bain de fusion est fonction du procédé de soudage et de la vitesse d’avance, elle a pour conséquence le fait que tout avancement dl de la source de chaleur se traduit par la liquéfaction d’un certain volume dV de métal, a quoi correspond la solidification du même volume à l’arrière. Mais ce volume occupe une épaisseur δh inférieure a dl.

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É2- Étude de la zone fondue – Vitesse de solidification

v = vecteur de vitesse de soudage

R = vecteur de vitesse de croissance de grains

θ l (R V)θ = angle (R, V)

Pour que la géométrie de bain reste semblable à elle-même :

Il faut R = Vcosθ

Comme la vitesse de soudage, V, est constante, R doit varier en fonction de la

position autour du bain. Les cristaux en croissance derrière la source de

chaleur le long de l’axe central de la soudure (θ = 0°) vont croître plus

rapidement que ceux du bord du bain (θ = 90°). 37


2- Étude de la zone fondue – Vitesse de solidification

Si la vitesse de soudage est petite le bain de fusion est à peu près rond et laSi la vitesse de soudage est petite, le bain de fusion est à peu près rond et la croissance des grains se fait vers le centre du bain de fusion.

Au contraire si la vitesse de soudage est grande le bain s'allonge vers l'arrièreAu contraire, si la vitesse de soudage est grande, le bain s'allonge vers l'arrière et la croissance des grains se fait presque perpendiculairement à l'axe de la soudure, c'est-à-dire que les cristaux se développent transversalement à partir d ôté d b i t d l' d l ddes côtés du bain pour se rencontrer dans l'axe de la soudure.

P tit it d d G d it d dPetite vitesse de soudage Grande vitesse de soudage

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2- Étude de la zone fondue – Vitesse de solidification

La tendance à la fissuration d'un alliage dépend de deux choses principales: saLa tendance à la fissuration d un alliage dépend de deux choses principales: sa composition chimique et les conditions de soudage. Les risques augmentent en particulier avec les vitesses de soudage élevées. En fait, la fissuration dans l'axe de la soudure est souvent le facteur qui limite la vitesse de soudagel'axe de la soudure est souvent le facteur qui limite la vitesse de soudage (notion de fissuration à chaud, à voir au prochain cours).

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É2- Étude de la zone fondue – Aspect macrographique de la zone fondue

Deux aspects macrographiques que l’on peut ainsi mettre en évidence dans la zone fondue de soudures par fusion avec déplacement de chaleur. Ces aspects sont fonction d’une part des caractéristiques thermiques du procédé, du matériau étudié et d’autre part de la vitesse de solidification de ce dernier, comparée à la vitesse de soudage imposée le long de la trajectoire de solidification.

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2 Ét de de la one fond e Aspect macrographiq e de la one fond e2- Étude de la zone fondue – Aspect macrographique de la zone fondue

Dans le cas a, qui est celui d’une soudure relativement lente, le bain de fusion t ll é d’ ù l f d t j t i d lidifi ti i test peu allongé, d’où la forme des trajectoires de solidification qui sont au

départ, perpendiculaires à la zone de liaison et qui s’incurvent progressivement dans le sens du déplacement du bain de fusion. Si la vitesse imposée le long d t j t i t j ’à l ti t l d l f d i fé i àde ces trajectoires est, jusqu’à la partie centrale de la zone fondue, inférieure à la vitesse limite de solidification du matériau considéré, les grains se développent sans obstacle jusqu’à la partie centrale. Il en résulte que, sur la

t l it t t t d l d li i d ti dcoupe transversale, on voit, tout autour de la zone de liaison, des sections de grains de forme allongée, du fait de la trajectoire de solidification fait un angle faible dans le plan de la coupe. Au contraire, dans la partie centrale, on trouve d ti d i d f l l l d l tdes sections de grains de formes quelconques, car le plan de la coupe est sensiblement perpendiculaire à la trajectoire de solidification.

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2 Ét de de la one fond e Aspect macrographiq e de la one fond e2- Étude de la zone fondue – Aspect macrographique de la zone fondue

Le cas b rend compte d’une situation un peu différente dans laquelle la forme ll é d b i d f i t ié à d id Si itallongée du bain de fusion, est associée à un soudage rapide. Si, par sa vitesse

de solidification, le matériau considéré peut voir ses grains s’édifier jusqu’à la partie centrale, on obtient la vue en plan et la coupe transversale illustrée ci-h t L i i d l d li i dé l t ét i thaut. Les grains issus de la zone de liaison se développent symétriquement pour se rejoindre dans la partie centrale, de sorte qu’il n’existe plus, à cet endroit, de zone ou les grains se sont développés perpendiculairement au plan d ’ét it é éd t l D’ ù l’ t té i ti dde coupe comme c’était précédemment le cas. D’où l’aspect caractéristique de la macrographie transversale.

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2 Ét de de la one fond e Croissance des grains2- Étude de la zone fondue – Croissance des grains

Les cristaux ont tendance à croître selon des directions cristallographiques

précises.

Ai i l t t bi t bi f t é ’ t l di tiAinsi, pour les structures cubiques et cubiques faces centrées, c’est la direction

<100> qui est la direction principale de croissance.

C’est la direction pour laquelle les plans atomiques sont les moins denses.

Donc, c’est dans cette direction que la croissance sera la plus rapide.

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Donc le métal de base est porté à son point de fusion, il en résulte une i d i è d l li d f i t lidifi ti é it i lcroissance de grains près de la ligne de fusion et une solidification épitaxiale.

La structure cristalline du bain de fusion s’édifie sur la structure cristalline du métal de base a la zone de liaison. La structure de la soudure hérite de la t t t L lidifi ti d b i d f i it l’ i t ti dstructure support. La solidification du bain de fusion suit l’orientation des

dendrites du métal de base.

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Quel que soit le procédé de soudage par fusion employé, on observe toujours U d dil ti d ét l d b d l d D l ét l d bUn peu de dilution du métal de base dans la soudure. Donc le métal de base est porté à son point de fusion, il en résulte une croissance de grain à partir des grains du métal de base et une solidification épitaxiale.

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2 Ét de de la one fond e Croissance des grains2- Étude de la zone fondue – Croissance des grains.

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2 Ét de de la one fond e Croissance des grains2- Étude de la zone fondue – Croissance des grains.

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2 Ét de de la one fond e Ta de dil tion2- Étude de la zone fondue – Taux de dilution.

d% = s/(s +S)

Où

s = métal de base fondu S = métal d’apport fondu dans la soudure

Le taux de dilution renseigne sur la quantité de métal de base fondu en fonction de la quantité de métal d’apport fondu dans la soudure.

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RÉFÉRENCES

Grangon (H.). – Bases métallurgiques du soudage, Publ. De la soudure autogène, Eyrolles (1989).

Murry (G.). – Soudage et soudabilité métallurgique des métaux ESSA.

Dadian (M.). – Métallurgie du soudage ESSA

Fihey (J-L.). – Notes de cours

ASM H db k V l 6 W ldi B i d S ld iASM Handbook, Volume 6 – Welding, Brazing and Soldering.

Techniques de soudage et de façonnage, Alain Couture, CEGEP de ChicoutimiChicoutimi.

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