La soudabilité

La suite des cours de l’ouvrage “Technologie du soudage” par Jean MATON, se fait avec le chapitre 2 qui est nommé par son auteur Technologie de soudage

Si vous préférez lire le cours précédent qui traite des principaux procédés de soudage ou le sommaire

Cette partie traite de la soudabilité

• 2.1 Définition du soudage
• 2.2 Les aspects du soudage des métaux
• 2.3 Principaux procédés de soudage
  
• 2.4 La soudabilité
  2.4.1 Définition
  2.4.2 La soudabilité métallurgique
  2.4.3 Influence des éléments d’addition et des impuretés
  2.4.4 Recherche du carbone équivalent ( Ceq )
  2.4.5 Détermination de la température de préchauffage
  2.4.6 Méthode de l’ IRSID
  2.4.7 La soudabilité globale ou constructive
  2.4.8 La soudabilité opératoire ou relative
  2.4.9 Les impuretés
• 2.5 Méthodes de traitements thermiques après soudage
• 2.6 Effets mécaniques du cycle thermique
• 2.7 Règles pour la conception des pièces soudées
• 2.8 Préparation des assemblages soudés
• 2.9 Position de soudage de l’assemblage
• 2.10 Outillages de montage
• 2.11 Représentation normalisée des soudures
• 2.12 Position et symboles sur le dessin

La soudabilité d’un matériau métallique est une propriété complexe et de nombreuses définitions ont été proposées. Nous retiendrons celle de l’ IIS ( Institut International de la Soudure ).

2.4.1 Définition

On considère qu’un matériau métallique est soudable à un degré donné, par un procédé et un type d’application donnés, lorsqu’il se prête, moyennant les précautions correspondant à ce degré, à la réalisation d’une construction entre les éléments de laquelle il est possible d’assurer la continuité métallique par la constitution de joints soudés qui, par leurs caractéristiques locales et les conséquences globales de leur présence, satisfont aux propriétés requises et choisies comme base de jugement.

On distingue :

• La soudabilité locale ou métallurgique
• La soudabilité globale ou constructive
• La soudabilité opératoire ou relative

2.4.2 La soudabilité métallurgique

Elle est conditionnée par les transformations métallurgiques, sous l’effet de la fusion et du refroidissement postérieur, dans les zones soudées ( métal déposé et ZAT ) et qui peuvent conduire ( Fig 2-6 ) à des structures fragiles dans lesquelles des risques de fissuration peuvent apparaître, dont le plus important est le risque de fissuration à froid. Lorsque l’on examine la coupe macrographique Fig 2-6 d’un assemblage soudé, on constate l’existence de zones distinctes :

a) La zone fondue : Partie du métal de base participant à la réalisation du joint et la zone de remplissage dont la section dépend de la nature du chanfrein et de l’épaisseur des pièces à souder.

b) La ZAT : Zone Affectée Thermiquement ( t° > Ac3 ) appartenant au métal de base mais ayant subi les effets du cycle thermique. Sa morphologie est cependant hétérogène à causes des différentes températures atteintes et l’on distingue, près de la zone fondue, la zone de liaison qui subit la température la plus élevée et qui est, par conséquent, la plus perturbée.

c) Le métal de base : Le métal n’a pas subi d’effets thermiques

Les propriétés physiques qui influent sur la soudabilité des aciers inoxydables, comparativement aux aciers carbone, sont le suivantes :

• Un point de fusion inférieur : la température nécessaire pour obtenir la fusion du métal est moins élevée; par conséquent, l’énergie nécessaire pour le soudage sera moindre.
• Une conductibilité thermique plus faible : ce facteur accroît encore l’importance de prévoir une moins grande énergie pour le soudage, car une conductibilité thermique
• Une résistance électrique plus élevée : plus la résistance électrique est élevée, plus le bain de fusion est facile à créer. Par contre, l’amorçage de l’arc est plus difficile.
• Pour toutes ces raisons, la taille de la ZAT d’un acier inox sera de +/- 50% plus importante que celle d’un acier au carbone, dans les mêmes conditions ( voir EN 1011-3 ).
• Les fontes blanches ne se soudent pratiquement pas. Les autres fontes (grises, malléables et nodulaires) peuvent être soudées sous certaines conditions. Les fontes nodulaires étant de loin les plus faciles à souder ( voir EN 1011-8 )
• Les alliages d’aluminium sans durcissement structural ( Al pur, Al + Mg, Al + Mn, Al + Si ) ont une bonne soudabilité ( TIG, MIG, plasma ) avec métal d’apport compatible.
  Les alliages à durcissement structural ( Al + Mg + Si, Al + Cu, Al + Zn + Mg ) sont plus difficile à souder ( MIG ) et nécessitent plus de précautions ( EN 1011-4 ).

2.4.3 Influence des éléments d’addition et des impuretés

La métallurgie actuelle fait de plus en plus appel à des aciers ayant des caractéristiques de plus en plus complexes. Si l’ajout de certains éléments confèrent à ces aciers des propriétés intéressantes, ceux-ci vont modifier les réactions au soudage. Quant aux impuretés, elles jouent toujours un rôle important sur les résultats mécaniques.

Eléments d’addition ( principaux ) :

• a) Carbone ( C ) : C’est l’élément prépondérant lors du soudage. Quoique nécessaire pour augmenter
  la résistance à la rupture, son rôle sera à la fois actif et défavorable. Son influence sur l’effet de trempe du métal de base et dans la ZAT est importante. Il peut agir seul, mais très souvent en relation avec d’autres éléments trempant tels que le Mn; Cr et Mo par exemple.
• b) Manganèse ( Mn ) : Comme pour le carbone, il augmente la résistance à la traction mais ne diminue
  pas l’allongement. Par son rôle désoxydant, les caractéristiques sont donc améliorées. Ex. à 13%, il confère à l’acier une forte résistance aux chocs et à l’usure ( acier Hadfield ). Dans le cas des aciers ordinaires, sa teneur varie de 0,3 à 0,9% et pour les aciers à haute limite élastique ( HLE ) de 1 à 1,8%.
• c) Chrome ( Cr ) : Elément trempant très actif, c’est la raison pour laquelle sa teneur reste
  inférieure à 1% dans les aciers au carbone, de la classe des soudables. A forte teneur en ( C ) et de ( Cr ), les aciers sont durs et résistent à l’usure.
  Allié au nickel ( Ni ), ils constituent les aciers inoxydables et réfractaires. A très basse teneur en ( C ) et à un pourcentage de 13%, il fait partie de la gamme des aciers spéciaux dits ” intachables “. Le chrome est un élément dont on doit tenir compte lors du soudage.
• d) Nickel ( Ni ) : Sans conférer un rôle trempant aux aciers, il améliore les propriétés générales.
  Allié au chrome, il constitue les aciers inoxydables. Il est utilisé dans les aciers auto-trempant allié au
  ( Cr ) et au ( C ) et surtout dans les aciers travaillant à basse température ( 3 à 9% et t° ≈ -190°C ).
• e) Molybdène ( Mo ) : Très actif au point de vue trempe, élément noble. Dans les aciers de construction, la teneur est en générale de 0,5 à 1%, dans ce cas, il augmente la résistance à chaud
  ( fluage ) et diminue les risques de fragilité. Il améliore la résistance à la corrosion dans les aciers inoxydables ( ex. tuyauterie véhiculant de l’ UREE dans l’industrie chimique ).
• f) Cuivre ( Cu ) : Toujours à faible teneur ( 0,5% ), il améliore la résistance à la corrosion à l’eau de mer ( ex. palplanches ). Attention aux porosités lors du soudage avec des électrodes de qualité médiocre.
• g) Silicium ( Si ) : Agent désoxydant, se retrouve en faible pourcentage ( ≤ 0,2 % ) sans influence néfaste. Au-delà, il augmente la résistance à la traction, mais diminue l’allongement.
• h) Aluminium ( AL ) : Affine le grain, il est retenu dans la composition du métal d’apport pour le soudage oxy-acétylénique des aciers. C’est un désoxydant efficace.
• i) Titane ( Ti ) : Il s’oppose à la trempabilité à l’air des aciers au chrome courants. C’est un élément puissant de résistance à la surchauffe. Il combat la précipitation du ( C ) et réduit la corrosion inter granulaire. Il donne une meilleur résistance à chaud à l’oxydation ( soudures ). C’est un agent stabilisant dans les aciers inoxydables.

2.4.4 Recherche du carbone équivalent ( Ceq )

Utilisé pour les aciers au carbone, le carbone équivalent est une mesure qui détermine assez bien la trempabilité d’un acier, car plus la teneur en ( C ) est élevée, plus l’acier est susceptible de subir la trempe. La soudabilité d’un acier est donc dépendante de son carbone équivalent Ceq. Pour calculer Ceq, on utilise soit la formule établie par l’ IIS ( Institut International de Soudure ) soit la formule du BVRA
( GDB ) qui font intervenir le carbone, le manganèse, le silicium, le chrome, le molybdène, le vanadium, le nickel et le cuivre. On trouve parfois le phosphore dans certaines formules.

a) Méthode de l’ IIS :

Le tableau Fig 2-8 donne quelques valeurs de Ceq pour des aciers connus.

b) Méthode BVRA :

Si Ceq ≤ 0,4 : L’acier est parfaitement soudable à température ambiante, pas de risque élevé de trempe.

Si 0,45 ≤ Ceq ≤ 0,7 : L’acier est moyennement soudable, un préchauffage de 100 à 400 °C sera nécessaire. La température exacte sera déterminée au paragraphe suivant. On est confronté à un risque de fissuration à froid.

Si Ceq > 0,7 : L’acier est difficilement soudable; préchauffage; électrodes spéciales; traitements thermiques

Par la suite il faut calculer le carbone équivalent compensé ( Ceqc )qui va prendre en compte les épaisseurs à souder, soit : Ceqc = Ceq ( 1 + 0,005 e )
Si Ceqc ≤0,45 il n’y a pas de risque de trempe.

Eqcr = %Cr + %Mo + ( 1,5 x %Si ) + ( 0,5 x %Nb ) + ( 0,5 x %Ta ) + ( 2 x %Ti ) + %W + %V + %Al
Eqni = %Ni + ( 30 x %C ) + ( 0,5 x %Mn ) + ( 0,5 x %Co )
La composition chimique d’un cordon de soudure dépend des compositions chimiques des métaux d’apport et des métaux de base, ainsi que de la proportion de chacun des métaux. Quant à la structure cristalline, elle dépend de la forme des cristaux dans le cordon de soudure, des conditions de refroidissement, d’un traitement thermique éventuel après soudage.

Le diagramme de Schaeffler ( Fig 2-9A ) permet :

• De choisir un métal d’apport adapté, tout en en garantissant de bonnes qualités métallurgiques.
• D’apprécier la structure de la zone fondue
• De prévoir les risques métallurgiques pour l’assemblage soudé.

Il est présenté avec en abscisse l’équivalent chrome Eqcr et en ordonnée l’équivalent nickel Eqni.

Il est divisé en 4 zones représentant les différentes structures rencontrées par le soudage des aciers inoxydables, à savoir :

• La MARTENSITE ( M ) => Fissuration martensitique au-dessus de 400°C.
• L’ AUSTENITE ( A ) => Fissuration à chaud au-dessus de 1250°C.
• LA FERRITE ( F ) => Risque de grossissement des grains au-dessus de 1150°C.
• L’ AUSTENITE – FERRITE ( A + F ) => Fragilisation en phase sigma après traitement thermique entre 450 et 900°C.

Exemples numériques:

1) Soit à souder 2 pièces en inox de qualités différentes sans métal d’apport, sachant que:
– Pour la pièce 1 : Inox de type 1.4301 ( X5CrNi 18-10 )

Analyse : 9,5%Ni ; 0,06%C ; 1,8%Mn; 18%Cr; 0,4%Si
Eqcr = 18 + ( 1,5 x 0,4 ) = 18,6%
Eqni = 9,5 + ( 30 x 0,06 ) + ( 0,5 x 1,8 ) = 12,2% ( Point 1 )

– Pour la pièce 2 : Inox de type 1.4401 ( X5CrNiMo 17-12-2 )
Analyse : 12,2%ni; 0,05%C; 1,7%Mn; 17,5%Cr; 0,3%Si; 2,8%Mo
Eqcr = 17,5 + 2,8 + (1,5 x 0,3 ) = 20,75%
Eqni = 12,2 + ( 30 x 0,05 ) + ( 0,5 x 1,7 ) = 14,55% ( Point 2 )

Reportons ces valeurs sur le diagramme Fig 2-9A. On trace le segment 1-2, le joint soudé correspondant se situera sur ce segment ( au milieu si les 2 inox participent de manière identique à la formation du cordon, ou plus près de 1 ou de 2 selon que l’un des 2 inox participe le plus à la formation de ce cordon
( phénomène de dilution ).

2) Soit à souder 2 pièces de même inox austénitique, mais avec métal d’apport.
Inox type 1.4303 ( X4CrNi 18-12 )
Analyse : 12,5%Ni; 0,06%C; 1,8%Mn; 17,7%Cr; 0,3%Si
Ce qui nous donne : Eqcr = 18,15% et Eqni = 15,2%. Cet inox aura une analyse correspondant au point 3 sur le diagramme Fig 2-9A. Nous adopterons un métal d’apport caractérisé par Eqcr = 28% et Eqni = 18%, ce qui nous donnera le point 4 sur le diagramme.
La structure du cordon de soudure se situera sur le segment 3-4 correspondant au mélange du métal de base et du métal d’apport. L’analyse exacte du cordon de soudure dépendra de la dilution des 2 matériaux ( Fig 2-9B ) et se situera à une distance du point 4 égale à : ( 3-4 ) x dilution (%) /100.

Le taux de dilution permet de connaître la composition chimique de la zone fondue .

2.4.5 Détermination de la température de préchauffage

Il est parfois nécessaire de préchauffer afin d’éviter la formation d’une structure très dure dans la ZAT. Ce durcissement est du à l’influence du carbone et certains éléments d’alliage. Le durcissement est d’autant plus important que le refroidissement est rapide.
Donc, plus la zone de soudage est importante et chaude, plus ce durcissement sera important. On préchauffe alors pour limiter les écarts de températures et on gère le refroidissement de manière à le rendre plus long dans le temps. Ainsi, on limite les risques de durcissement et de fissurations. Plus la température sera élevée, plus la vitesse de refroidissement devra être lente.

La température de préchauffage est fonction de plusieurs paramètres dont :

• La présence de certains éléments d’alliages en plus du carbone.
• De l’épaisseur des pièces à souder.
• Du type d’acier ou de métal
• Du procédé de soudage.
• Du traitement thermique éventuel.
• Du métal d’apport.

Pour les aciers, on recherche le coefficient de soudabilité ( S ), en fonction de leur teneur en carbone. Il varie de 0 à 10 et peut être représenté par une courbe.
Les aciers au carbone ou faiblement alliés seront dits :

• Parfaitement soudables : pour un % de C compris entre 0 à 0,25%, S sera de 9 ou 10. Toutefois, si les épaisseurs sont fortes, un préchauffage peut être envisagé.
• Moyennement soudables : Pour un % de C compris entre 0,25 et 0,45%, S sera de 7 à 9
• Soudable après préchauffage : Pour un % de C compris entre 0,45 à 0,65 %, S sera de 5 à 7
• Difficilement soudables : Pour un % de C > 0,65%, S sera de 0 à 5

a) Calcul de la température de préchauffage Tp – Méthode de l’ IIS

On peut également utiliser le diagramme de SEFERIAN ( Fig 2-10 ):

b) Calcul de la température de préchauffage Tp – Méthode du BWRA ( British Welding Reserach Association )
C’est une méthode bien adaptée au soudage à l’électrode enrobée et qui prend en compte :

• L’indice de sévérité thermique ( TSN )
• L’indice de soudabilité ( S )
• Le diamètre des électrodes ( d )

On commence par déterminer le TSN ( Thermique Severity Number ) prenant en compte la géométrie et l’épaisseur de l’assemblage et on divise par 6 la somme des épaisseurs dépendant des chemins de dispersion de la chaleur.
Exemple : Pour un assemblage en Té, il y a donc 3 chemins de dispersion possible => il y aura donc 3 épaisseurs. Soit

Puis on calcule l’indice de soudabilité en fonction du pourcentage en Ceq de l’acier à souder et du type d’électrodes choisies ( voir formule du BWRA ) ou en consultant le tableau ci-dessous.

Ensuite, à partir d’un nouveau tableau, en fonction du TSN, du S et du diamètre de l’électrode, on obtient la température minimale de soudage.
Pour préchauffer un métal, on utilise l’induction, les brûleurs fixes, les foyers. Le contrôle de la température peut se faire au moyen de crayons thermocolor, à l’aide de thermo-couples, ou par coloration.

Exercices résolus:
Calculer la température de préchauffage d’un acier contenant 0,4 %C; 0,6 %Mn et 0,15 %Si, sachant que son épaisseur est de 50 mm par la méthode de l’ IIS et celle du BWRA.

– Méthode de l’ IIS

=> acier moyennement soudable donc préchauffage

Cecq = 0,525 ( 1 + 0,005 x 50 ) = 0,6563

La Fig 2-10 donne sensiblement la même valeur ( 225 °C )

– Méthode BWRA

=> acier soudable avec préchauffage

Supposons que la pièce soit soudée bout à bout ( soit 2 épaisseurs )

Nous utiliserons des électrodes rutiles %C 0,39 à 0,45 soit S = F le tableau Fig 2-11 nous donne Tp = 225°C pour des électrodes Ø 5.

2.4.6 Méthode de l’ IRSID

( Institut de Recherche de la Sidérurgie )

But : Déterminer le temps de refroidissement entre 800 et 500 °C pour des aciers courant, si on connaît l’énergie nominale mise en jeu en fonction de la géométrie du joint et du procédé de soudage. Il permet également de vérifier la nécessité ou non d’un préchauffage.
Energie nominale = énergie ou quantité de chaleur transmise au joint.

dans laquelle

• Us = tension de soudage en volt
• Is = intensité de soudage en Ampère
• v = vitesse de soudage cm/min

Energie corrigée = énergie qui permet le calcul du temps de refroidissement

Soit Eeq = En . k . η = énergie équivalente dans laquelle :

• Ec = énergie corrigée = En . k = kJ/cm
• K = coefficient de joint ( Fig 2-13 )
• Η = coefficient de rendement d’arc prenant en compte le rayonnement

Pour le soudage à l’arc avec électrodes enrobées : η = 1
” ” MIG / MAG : η = 0,7
” ” TIG : η = 0,5

Exemple numérique
Considérons une liaison par soudure à plat avec chanfrein à 60° sur une tôle en S235JR d’épaisseur 7 mm. La soudure est effectuée au moyen d’électrodes enrobées ( procédé 111 ) de diamètre d = 2,5 mm avec une vitesse de dépôt de 10,8 cm/min.

Solution:
Calcul du temps de refroidissement de 800 à 500°C

– La tension de soudage s’obtient à partir des relations :
Is = 50 ( d – 1 ) = 50 ( 2,5 -1 ) = 75A
Us = ( 0,04 x Is ) + 21 = ( 0,04 x 75 ) + 21 = 24 V

Nous expliciterons ces formules prochainement.

sachant que k = 1 ( soudure à plat ) et η = 1 ( électrode enrobée )
Eeq = 10 x 1 x 1 = 10 kJ/cm

Portons ces valeurs sur la Fig 2-13 pour une épaisseur de 7 mm , nous obtenons pour un Δt 800/500 = 18s

Donc pas de préchauffage nécessaire.

Composition chimique du S235 JR : 0,17 %C ; 1,4 %Mn; 0,04 %P; 0,04 %S; 0,009 %N

Le diagramme de SEFERIAN Fig 2-10 montre que pour cette valeur de Ceq et de l’épaisseur il ne faut pas préchauffer.

2.4.7 La soudabilité globale ou constructive

Elle concerne les problèmes liés au comportement des joints soudés dans une construction, compte tenu de l’influence de facteurs tels que :

• Forme de la pièce, de sa masse et les caractéristiques mécaniques du métal
• Bridage et l’existence de tensions internes
• Possibilités de répartition des déformations à travers la structure
• Conception de la construction soudée et le type de joint

2.4.8 La soudabilité opératoire ou relative

Elle est liée aux problèmes rencontrés par le soudeur ou l’opérateur, lors de l’exécution du joint par un procédé donné comme par exemple, la grande fluidité d’un bain de fusion dans le cas des aciers austénitiques pour le soudage en position.

2.4.9 Les impuretés

Elles évidemment néfastes, on tente de les éliminer lors de l’élaboration des aciers, mais certaines peuvent provenir de l’opération de soudage. L’oxygène ( O ), l’azote ( N ) proviennent de l’air ambiant, le soufre ( S ) et le phosphore ( P ) proviennent du matériau de base, l’hydrogène ( H ) provient de plusieurs sources.

• a) L’oxygène : L’acier se combine avec l’oxygène en formant des oxydes, ce qui diminue la résistance du matériau. Une forte teneur en O2 diminue la résilience.
• b) L’azote : Rend l’acier fragile à la température de 200°C. Pendant le soudage, il est source de nitrures et cause de vieillissement.
• c) Le phosphore : Rend l’acier cassant à basse température. Lors du soudage, il est source de criques, de soufflures et exige parfois l’utilisation d’un enrobage basique.
• d) Soufre : Tout comme le phosphore, c’est un élément très défavorable, car il agit sur les caractéristiques mécaniques et sur la soudabilité. Il rend l’acier cassant à chaud, abaisse le niveau de résilience et est source de porosités lors du soudage ( proportions de S et P dans les aciers de construction voir chapitre 1 ).
• e) L’hydrogène : Sa présence, au cours du soudage, est due à l’humidité de l’air, à la pollution des pièces à souder ( graisse, peinture, rouille, etc … )- mais le plus souvent à l’humidité dans les enrobages. L’hydrogène provoque la corrosion fissurant.

Si vous souhaitez voir le cours précédent sur lesprocédés de soudage ou le suivant qui traite des traitements thermiques après soudage

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