Préchauffage et traitement thermique après soudage

Ce que l'inspecteur en soudage doit savoir sur le préchauffage et le traitement thermique après soudage

Lors du soudage de certains matériaux de base et dans certaines conditions de service, un préchauffage et/ou un traitement thermique après soudage peuvent être nécessaires. Ces types de traitements thermiques sont requis pour assurer une intégrité de soudure appropriée et empêchent ou éliminent généralement les caractéristiques indésirables dans la soudure terminée. Toute forme de traitement thermique est coûteuse car elle nécessite un équipement, du temps et une manipulation supplémentaires. Pour ces raisons, le traitement thermique ne doit être effectué qu'après une étude approfondie des avantages qu'il peut offrir. Dans certains cas, un traitement thermique est obligatoire, notamment pour les profilés lourds en acier faiblement allié, alors que dans d'autres cas, il constituera une précaution justifiable pour éviter toute défaillance prématurée en service.

Plusieurs raisons justifient d'inclure ces traitements thermiques dans le mode opératoire de soudage. Nous examinerons certains des plus courantes.

Préchauffage

Le préchauffage, tel que défini dans les termes et définitions de soudage standard d'AWS, est « la chaleur appliquée au métal de base ou au substrat pour atteindre et maintenir la température de préchauffage ». La température de préchauffage est définie par le même document comme « la température du métal de base dans le volume entourant le point de soudage immédiatement avant le début du soudage. Dans une soudure multipasse, il s'agit également de la température immédiatement avant le démarrage de la deuxième passe et des suivantes » (température entre passes).

Comment effectuer le préchauffage

Le préchauffage peut être effectué à l'aide de brûleurs à gaz, de flammes à oxycombustion, de couvertures chauffantes, d'un chauffage par induction ou d'un chauffage dans un four. Pour obtenir des résultats supérieurs, il est essentiel que le chauffage soit uniforme autour de la zone d'assemblage. Un chauffage intense et non uniforme est peu utile pour retarder le refroidissement et peut être préjudiciable en provoquant des contraintes résiduelles plus élevées, une distorsion ou des changements métallurgiques indésirables dans le matériau de base.

Lorsqu'un préchauffage est spécifié, l'ensemble de l'assemblage soudé doit être chauffé uniformément sur toute l'épaisseur du matériau jusqu'à la température minimale souhaitée. Pour obtenir une température uniforme sur toute l'épaisseur du matériau, il est souhaitable d'appliquer les sources de chauffage sur un côté de la surface du matériau et de mesurer la température du matériau sur le côté opposé.

Chaque fois que le chauffage et la mesure de la température doivent être effectués sur la même surface, l'inspecteur doit veiller à étendre le chauffage au-delà de cette surface. Il est important de s'assurer que toute l'épaisseur du matériau a été chauffée à une température uniforme.

Outre l'établissement d'une température de préchauffage, une limitation de la température entre passes peut devoir être envisagée pour certaines applications. Cette information doit être précisée dans le descriptif du mode opératoire de soudage. Lorsqu'une température entre passes est spécifiée, la zone de soudure doit être inspectée avant de déposer le cordon de soudure suivant. Le soudage ne peut pas se poursuivre si la température mesurée dépasse les conditions maximales entre passes spécifiées dans le mode opératoire de soudage. La soudure doit pouvoir refroidir jusqu'à la limite supérieure spécifiée de la température entre passes avant de poursuivre la soudure.

En fonction des propriétés métallurgiques du matériau et/ou des propriétés mécaniques souhaitées du composant soudé, la température de préchauffage et entre passes peut être évaluée pour diverses raisons. Par exemple, une procédure de soudage d'acier doux, ayant une faible teneur en carbone, une trempabilité relativement faible, et qui est utilisée dans une application sans exigences de service particulières, peut utiliser une température minimale de préchauffage et entre passes basée sur l'épaisseur du matériau.

Les modes opératoires de soudage utilisés pour les aciers faiblement alliés et les aciers au chrome-molybdène aptes au traitement thermique avec des exigences d'impact spécifieront normalement une exigence minimale et maximale pour les températures de préchauffage et entre passes. Ces matériaux faiblement alliés peuvent avoir une trempabilité élevée et sont sensibles à la fissuration par hydrogène. Laisser ces matériaux refroidir trop rapidement ou les surchauffer peut sérieusement affecter leurs exigences de performance. Lors du soudage des alliages de nickel, nous nous intéressons principalement à l'apport de chaleur élevé pendant l'opération de soudage. L'apport de chaleur du procédé de soudage et la température de préchauffage et entre passes peuvent sérieusement affecter ces matériaux. Un apport de chaleur élevé peut entraîner une liquéfaction constitutionnelle excessive, une précipitation de carbure et d'autres phénomènes métallurgiques nocifs. Ces changements métallurgiques peuvent favoriser la fissuration ou la perte de résistance à la corrosion. Les procédures de soudage de certains alliages d'aluminium tels que les séries 2xxx, 6xxx et 7xxx aptes au traitement thermique sont souvent concernées par une réduction globale de l'apport de chaleur. Avec ces matériaux, la température maximale de préchauffage et entre passes est contrôlée pour minimiser ses effets d'hybridation et de vieillissement sur la zone affectée par la chaleur (HAZ) et la perte de résistance de rupture qui en résulte.

Dans les applications critiques, la température de préchauffage doit être contrôlée avec précision. Dans ces situations, des systèmes de chauffage contrôlables sont utilisés et des thermocouples sont fixés pour surveiller la pièce chauffée. Ces thermocouples fournissent un signal à l'unité de contrôle qui peut réguler la source d'énergie nécessaire au chauffage. À l'aide de ce type d'équipement, la pièce chauffée peut être contrôlée avec des tolérances extrêmement étroites.

Pourquoi le préchauffage est-il nécessaire

Les principales raisons justifiant le préchauffage sont les suivantes :

a) Pour évacuer l'humidité de la zone de soudure : généralement, ceci est réalisé en chauffant la surface du matériau à une température relativement basse, juste au-dessus du point d'ébullition de l'eau. Cela assèche la surface de la plaque et élimine les contaminants indésirables pouvant autrement provoquer une porosité, une fragilisation par hydrogène ou une fissuration par introduction d'hydrogène pendant le procédé de soudage.

b) Pour diminuer le gradient thermique : tous les procédés de soudage à l'arc utilisent une source de chaleur à haute température. Une forte différence de température se produit entre la source de chaleur localisée et le matériau de base froid à souder. Cette différence de température provoque une dilatation et une contraction thermiques différentielles, ainsi que des contraintes élevées autour de la zone soudée. La réduction du différentiel de température par le préchauffage du matériau de base minimise les problèmes associés à la distorsion et aux contraintes résiduelles excessives. Si un préchauffage n'est pas effectué, une grande différence de température peut être présente entre la zone de soudure et le matériau de base. Cela peut provoquer un refroidissement rapide, entraînant la formation de martensite et une fissuration probable lors du soudage de certains matériaux à haute trempabilité.

Traitement thermique après soudure

Différents types de traitements thermiques après soudage sont utilisés pour diverses raisons et divers matériaux.

a) Relaxation des contraintes - un traitement thermique après soudage est le plus généralement utilisé pour la relaxation des contraintes. L'objectif de la relaxation des contraintes est d'éliminer toutes les contraintes internes ou résiduelles qui peuvent être présentes lors de l'opération de soudage. La relaxation des contraintes après soudage peut être nécessaire pour réduire le risque de brisure franche, éviter une déformation ultérieure lors de l'usinage ou éliminer le risque de corrosion sous contrainte.

b) Obtenir une structure métallurgique appropriée - Pour certains aciers alliés, un traitement de trempe thermique peut être nécessaire pour obtenir une structure métallurgique adaptée. Ce traitement est effectué après le refroidissement de la soudure, mais dans certaines circonstances, il peut être nécessaire de l'effectuer avant le refroidissement pour éviter la fissuration.

c) Normalisation après soudage - Les structures de soudure extrêmement grossières en acier, telles que celles obtenues avec le procédé de soudage sous laitier électrolytique, peuvent nécessiter une normalisation après soudage. Ce traitement affine la structure à gros grains, réduit les contraintes après soudage et élimine les zones dures dans la zone thermiquement affectée.

d) Retrouver les propriétés d'origine - Les alliages à durcissement par précipitation, tels que les alliages d'aluminium pouvant être traités thermiquement, doivent parfois subir un traitement thermique après soudage pour retrouver leurs propriétés d'origine. Dans certains cas, seul un traitement de vieillissement est utilisé, bien qu'un traitement thermique en solution complète et un traitement de vieillissement artificiel permettent une meilleure récupération des propriétés après soudage.

Lorsque les opérations de soudage impliquent un préchauffage et/ou un traitement thermique après soudage, il est important que l'inspecteur du soudage comprenne ces exigences pour s'assurer qu'elles sont correctement respectées, conformément aux exigences du mode opératoire de soudage et/ou aux exigences du code.