REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Université Mohamed Boudiaf De M’sila Faculté des sciences et sciences de l’ingénieur Département de Génie Mécanique MEMOIRE Présenté par MAKRI Hocine En vue de l’obtention du diplôme de MAGISTER En Génie Mécanique Option : Energétique Thème : Etude des méthodes d’inspection et de détermination de la forme et la taille des fissures Application aux cordons de soudure Soutenue le :08/07 /2004 Devant la commission d’examen composée de : A. BOUCHOUCHA Président Professeur Université de Constantine A. TAIBI Rapporteur C.C (Dr) Université de M’sila S. MEZIANI Examinateur Professeur Université de Constantine B. NECIB Examinateur Professeur Université de Constantine E. BEGHIDJA Examinateur M.C Université de Constantine M. ZAOUI Invité C.C Université de M’sila A-PDF MERGER DEMO http://www.a-pdf.com Résumé : Lors du soudage multi passes, les phénomènes thermiques brusques se produisant, influent sur les structures métallographiques et les caractéristiques mécaniques du cordon. L’utilisation des moyens destructifs et des critères de rupture comme l’intégrale J ainsi que les moyens non destructifs à savoir les ultrasons, sont largement utilisés dans le cas du soudage pour l’étude et la prospection des fissures. Cette étude a été appliquée à un produit de soudage, fil fourré SG3 déposé par procédé de soudage MAG sur un métal E36-3 en tôles de laminage à chaud. Une première approche a été réalisée par des essais destructifs sur un mouton pendule décrivant le comportement des cordons de soudure à différentes températures avec l’observation microscopique pour la caractérisation de la déchirure par les courbes J-∆a. Les courbes J-∆a déterminent la résistance à la propagation de la fissure. Une deuxième approche a été réalisée avec essais non destructifs utilisant deux techniques ultrasonores différentes pour le dimensionnement des défauts simulant des fissures dont la formation est purement hasardeuse. Mots-clés : Fissures des cordons de soudure – Rupture - Résilience - Contrôle non destructif – Intégrale J Abstract: During welding multipass, the abrupt thermal phenomena occurring, influence the metallographic structures and the mechanical characteristics of the cord. The use of the destructive means and the criteria of rupture like the J integral as well as the non destructive means namely the ultrasounds, are largely used in the case of welding for the study and the cracks prospection. This study was applied to a product of welding, filled wire SG3 deposited by MAG process of welding to a metal E36-3 out of sheets of hot rolling. A first approach was carried out by destructive tests on a sheep pendulum describing the behavior of the weld beads at various temperatures with the microscopic observation for the characterization of the tear by the J-∆a curves. The J-∆a curves determine the propagation strength of the crack. A second approach was carried out with non-destructive tests using two different ultrasonic techniques for the dimensioning of the defects simulating from the cracks whose formation is purely hazardous. Key Words : Weldbeds cracks - Rupture - Resilience - Non Detructif Testing - J Integral Sommaire Remerciements……………………………………………………………………1 Dédicaces………………………………………………………………………….2 Symboles utilisés………………………………………………………………….3 Introduction générale…….……………………………….….…………………....5 Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. 1- Introduction……………………………………………………………………..8 2- Aspect thermique du soudage…. ……………………………………………….8 2.1- Cycle thermique du soudage mono passe….……………………………....8 2.2- Cycle thermique du soudage multi passes………………………………..10 1)- Influence de la pièce à souder.………………………………………….11 2)- Influence du préchauffage et du post-chauffage ……………………….11 3)- Notions d’état quasi-stationnaire.………………………………………11 3- Aspects métallurgique du soudage …….……………………………………...13 1)- Zone de fusion …………………………………………………………13 2)- Zone surchauffée……………………………………………………….13 3)- Zone de normalisation………………………………………………….13 4)- Zone à température maximale comprise entre Ac1 et Ac3….…………13 5)- Zone de recristallisation………………………………………..………14 6)- Métal de base……………………………………………………..…….14 3.1- Elaboration de la zone fondue ………………………………………......15 3.1.1- Comportement physico-chimique des éléments présents…………….15 1)- La volatilisation…………………….……………………………….….15 2)- Influence du milieu Gazeux…………………………………….…..…..15 3.1.2-Solidification de la zone fondue……………………………….………16 1)- Orientation cristalline à la zone de liaison (Epitaxie)…………………..16 2)- Conséquences de l’épitaxie et de la croissance sélective…………….....17 3)- Influence de la vitesse de soudage……………………………….……..18 4)- Influence de l’énergie de soudage………………………….………..….20 3.1.3-Transformation en phase solide au cours du soudage (échauffement)....20 3.1.4-Transformation en phase solide au cours du soudage….……………....23 1)- Un mode dit perlitique (ou Ar’)…..…………………………………......23 2)- Un mode dit bainitique (ou Ar’’)………………………………………..23 3)- Un mode dit martensitique (ou Ar’’)……………………..…………......24 3.1.5- Particularités de la transformation perlitique en soudage………….......26 1)- Soudage en une seule passe…………………………………………......26 2)-Effets sur les propriétés mécaniques……………………..…….…….. ..27 3)-Solution vis à vis de la fragilisation……………………………….….....27 3.1.6-Soudure en plusieurs passes………………………………………..…..27 1)- Propriétés mécaniques…………………………………………….….....27 4-Conclusion.………………………………………………………….………......28 Chap. II : Les Techniques de contrôle des soudures. 1- Introduction…………………………………………………………………...30 2- Les principaux défauts de soudures…………………………………….….….30 1) Les inclusions gazeuses………………………………………….….…..30 2) Les inclusions solides……………………………….………….……….30 3) Défauts de fusion ( collage)……………………….…………………......30 4) Défauts de pénétration…………………………….………………..…....30 5) Sillons aux caniveaux et morsures en surface………..……………..…....31 6) Retassures de cratère…………………………………….…………........31 7) Fissurations………………………………………….…….…………......31 3- Les fissures.………………………………………………………………….....31 3.1. Fissuration à chaud…………………………………………………..….....31 1) - Facteurs métallurgiques.………………………………….…………….32 2) - Facteurs géométriques et tenso-thermiques………………………….....32 3.2 - Fissures par arrachement lamellaire………………………….……….…..33 3.3 - Fissures à froid……………………………………………….…….….....33 1)- Les fissures transversales…………………………….…………….…....34 2)- Les fissures dans la ZAT……………….…………………….…….……34 4- Contrôle des soudures……………………………………….…………………..41 1)- Contrôle avant le soudage…………………………….…………….……41 2)- Contrôle au cours du soudage……………………….……………….…..41 3)- Contrôle après le soudage……………………….……………………….41 4.1- Contrôles destructifs……………………………………….……………....42 1) - Essai de texture………………………………………….………….…...42 2) - Essai mécaniques………………………………………….……….…....42 3) - Examens macrographiques et micrographiques…………………….…..42 4.2 - Contrôles non destructifs…………………………………………….…..42 4.2.1 - Examen visuel…………………………………………………….…...42 4.2.2 - Contrôle par ressuage…………………………………………….……42 4.2.3- Contrôle par magnétoscopie…………………………………………....44 4.2.4 - Examen radiographie…………………………………………….…….46 1)- Les sources de rayonnements…………………………………………...47 2)- Le matériel de contrôle………………………………………………….48 4.2.5 - Examens par courants induits………………….………………………51 4.2.6 - Contrôle par émission acoustique…………………………….………..52 4.2.7 - Examen par ultrason…………………………………….……………..53 1)- Ondes longitudinales ou ondes de compression……………………..…..53 2)- Ondes transversales ou ondes de cisaillement……………….………….53 3)- Ondes de Rayleigh ou ondes de surface………….……………………....53 4)- Ondes de Lamb ou ondes de surface……………………….…………….54 1. Méthodes de contrôle des soudures par ultrason………………….…….....54 1). Méthode par échographie…………………………….…………………..55 2). Méthode par transmission………………………………………………..55 2. Méthodes de dimensionnement des fissures longitudinales dans une Soudure……………………………………………………………………....55 1). Méthode à –6dB.……………………………...…………………………..55 2). Méthode de la courbe G.……..…………………………………………...56 3). Méthode de dimensionnement avec un palpeur focalisé……………….....56 3. Méthode de dimensionnement des fissures verticales.…………..……………....58 1). Contrôle en ondes longitudinales.…………….……………………….......58 2). Contrôle en ondes à incidence oblique.…………….………………….......59 a. Contrôle en ½ bond……………………….………….…………………59 b. Contrôle en 1 bond………………………………………………....….59 3). Méthode TOFD.…………………………………….……………….…...61 4). Méthode d’écho de bout de fissure SPOT.………….…………..……….62 5- Conclusion…………………………………………………….….……….…….63 . Chap. III : Etude théorique des fissures. 1- Introduction……………………………………………………………….……...64 2- Modèle élasto plastique…………………………………………..………..….….64 2.1.- Phases de propagation d'une fissure………………………………….…….64 1)- L'initiation (ou amorçage) de la fissure…………….….…………….…....64 2)- La propagation stable………………………………..….……………..…65 3)- La propagation rapide……………………………….…….…………….……....65 2.2.- Modes de rupture………………………………………..…………….…....65 2.3.- Analyse des fissures en élasticité linéaire bidimensionnelle…...................66 a -Hypothèses………………………………………………………..……...66 b -Etat de contrainte plane………………………………………….….…....66 c - Etat de déformation plane………………………………………..………66 2.4.- Facteur d’intensité de contrainte…………………………………..………...67 2.5.- Relation entre contraintes et le facteur de concentration de contrainte……..68 1)- Contraintes…………………………………………………………....…....68 2)- Déplacements………………………………………………………....…...69 2.6.- Etude des fissures du point de vue énergétique (modèle énergétique)……...69 1) - Cas statique.……………………………………………………..………...70 2) - Cas dynamique………………………………………………..…………..70 2.7- Facteur d’intensité critique……………………………………..………..…..71 2.8- Taux de libération d’énergie……………………………………..………......72 3- La complaisance………….………………………………………..…..……….....73 3.1.- Définition…………………………………………………………..…….….73 3.2.- Discussion………………………………………………………..……….....74 4- Ecartement en fond de fissure (COD)………………………………..…….……..74 4.1- Discussion…………………………………………………………..………..75 4.2- Signification physique illustrée du COD……………………….…………....75 4.3- Application de la méthode de la complaisance……………………………...76 4.4- Relation entre la complaisance et la longueur de la fissure.………………...76 5- L’intégrale J…………………………………………………………....………....78 5.1- Définition……………………………………………………….….………..78 5.2- concept de l’intégrale J……………………………………….….………....78 5.3- Propriétés de l’intégrale J.…………………………………….….…………79 6- Conclusion……………………………………………………..…………..……..82 Chap. IV : Expérimentations. 1- Introduction……………………………………………………………………….85 2- Les Matériaux d’expérimentation………………………………………………...86 2.1. Métal de base…………………………………………………………….…..86 2.1.1. Donnés techniques………………………………………………….........86 1) Composition chimique………………………………………………….….86 2) Caractéristiques mécaniques.………………..………..……………….…...86 2.2.- Métal d’apport………………………………………….……….…………86 2.2.1.- Données techniques………………………………….……………..….86 1) Compositions chimiques……………………………………………….....86 3- Paramètres de soudage………………………………………...…………..…….87 4- Préparation des éprouvettes…………………………………..…………...…….87 4.1. Présentation des éprouvettes……………………………….….….……….88 4.1.1. Eprouvettes pour les essais destructifs…………………….……..……88 4.1.2. Echantillons pour essais non destructifs………………………….….…89 5 – Matériel utilisé………………………………………………….….…….…….91 5.1. Contrôle destructif………………………………………………..….……91 1) Matériel pour les essasi de résilience……………………………………..91 2) Matériel pour le contrôle de la température de l’essai………….………..91 5.2. Matériel pour le contrôle non destructif………………………..………....91 1) Générateur……………………………………………………..….….…..91 2) Palpeurs………………………………………………………..….……...91 6 - Essais destructifs……………………………………………….…….….…..….94 6.1. Etude de la température de transition………………………….….………..94 6.1.1. Déroulement des essais………………………………….…….………..95 6.1.2. Etude de la nature de la rupture………………………….……………..95 6.2 - Essai de microdurté………………………………………..…………….96 6.2.1. Déroulement des essais…………………………………..…………….96 6 .3. Observation microscopique…………………………………..…………...97 6.3.1. Introduction……………………………………….……….…………...97 6.3.2. Déroulement de l’essai…………………………………….….…….…..97 6.4. Etude de la fissuration…………………………………………….……….99 6.4.1. Introduction……………………………………….………….………....99 6.4.2. Déroulement des essais…………………………………….……….…..99 1) Mesure du JIc…………………………………….…………………….....99 6.4.3. Etude des mécanismes de fissuration…………………………….….100 6.5. Essais non destructifs……………………………….………………...…..101 6.5.1. Introduction…………………………………….………………...…...101 6.6.2. Déroulement des manipulations…………………………………...….101 1) Préparation des surfaces de la pièce a contrôler……………….…..……101 2) Calibrage de l’appareil…………………………………………….…….102 a. Réglage de l’échelle horizontale (balayage) ………………….…….....102 b. Vérification du point d’émergence et de l’angle de réfraction……..….102 3). Réglage du gain………………………………………………….….….103 4) Dimensionnement des défauts………………………………….………….…..103 Chap. V : Résultats et interprétations. 1- Etude de la température de transition………………………….………….…...104 2- Etude de la cristallinité…………………………………………….…………..106 2.1. Discussion………………………………………………………….……..107 2.2. Conclusion………………………………………………………………..107 3- Essais de Micro dureté………………………………………………………...108 3.1. Interprétations………………………………………………….………….....110 4- Etude de la microstructure……………………………………………………..111 4.1. Observations micrographiques……………………………………………111 4.1.1. Aperçu général de la zone affectée thermiquement…………………..111 4.1.2. Aperçu général de la zone proche du joint…………………………….111 4.1.3. Observations micrographiques du métal de base………………..……..112 4.1.4. Microstructure de la ZAT loin du joint………………………………..113 4.1.5. Microstructure de la ZAT………………………………………….…..114 4.1.6. Microstructure de la ZAT a proximité du joint………………………..114 4.1.7. Microstructure de la zone limite de la zone fondue……………….…...115 4.1.8. Micrographies de la Zone fondue……………………………….….….116 4.2. Discussion……………………………………………………………….....118 4.3. Conclusion………………………………………………………………….119 5- Résultats des essais de fissuration……………………………….…………….120 5.1. Remarques………………………………………………………………….120 5.2. Mécanismes de la rupture………………………………………………….121 5.2.1 Amorçage de la fissure…………………………………………………..121 5.2.2. Propagation…………………………………………………………….123 5.3. Interprétation des résultats de fissuration………………………………….125 6- Résultats des essais aux ultrasons……………………………………………….126 6.1 Calibrage de l’appareil……………………………………………………...126 1) Contrôle en incidence directe…………………………………………….126 2) Contrôle en incidence oblique…………………………………………....126 6. 2. Dimensionnement des défauts……….……………………………….…..127 1) Contrôle par la méthode d’écho d’anomalie………………….……….….126 2) Contrôle par la méthode oblique.………………………….……………...131 6.3. Traitements des résultats…………………………………….……………...136 1) Incidence directe…………………………………………………………..136 2) Incidence oblique……………………………………………………….....138 6.4. Remarques…………………………………………………………………..138 6.5. Interprétation………………………………………………………………..141 6.6. Conclusion………………………………………………………………......141 Conclusion et perspectives……… …………………………………..…..…..142 Références bibliographiques…………………………………………..…..…..143 Annexes…………………………………………………………………………...147 - 1 - REMERCIEMENTS L’ensemble des pages qui constituent ce mémoire, représente l’expression d’une recherche effectuée dans les laboratoires de Métallurgie- Essais du C.P.G de Constantine et de Métallurgie- Plasma de M.E.I M’sila. Je tiens à remercier messieurs A.TAIBI et M.ZAOUI d’avoir dirigé ces travaux en ayant suivi son déroulement avec un très vif intérêt. Mes remerciements sincères, vont à monsieur le Professeur A.BOUCHOUCHA d’être intervenu pour moi auprès des responsables du CPG et d’avoir accepté la présidence du jury aux laborantins Je remercie également messieurs S.MEZIANI, B.NECIB et E.BEGHIDJA d’avoir bien voulu lire ce travail et participer au jury. Je remercie enfin, l’ensemble des personnes du laboratoire de Métallurgie du CPG, DJ.DEGHDAK et N.ACHETE ainsi que A.DILMI, A. BENHAFID et M.GUECHICHI des ateliers de maintenance MEI qui grâce à une cordiale atmosphère de travail, mont aidé tout au long de la réalisation de cette étude. A tous je leur adresse un amical souvenir. • A la mémoire de mon père • A ma mère • A ma famille, et mes enfants • A tous ceux qui me sont chers Symboles utilisés. - 3 - Symboles utilisés : θ : Température ∆ tθ2θ1 : Temps de passage entre deux températures. R : Vitesse de solidification. Vs : Vitesse de soudage. Θ : L’angle entre la normale aux isothermes et la direction de soudage U : La tension électrique. I : l’intensité du courant électrique. Ci : (curie) Unité exprimant la quantité des radiations. Bq : (becquerel) Unité exprimant la quantité des radiations. Vp : Volume de la zone plastique N : Nombre de coups. A : Coefficient de proportionnalité. Rp : Rayon de la zone plastique. E : Module de young. G : module d’élasticité au cisaillement. ν : Coefficient de poisson. ρ: Masse volumique. CL : Vitesse de propagation des ondes ultrasonores longitudinales. CT : Vitesse de propagation des ondes ultrasonores transversales. CR : Vitesse de propagation des ondes ultrasonores de Rayleight CS : Vitesse de propagation des ondes ultrasonores de surface. d : Profondeur du défaut. h : Hauteur du défaut. e : Epaisseur de la tôle. l : Parcours sonore. i : Angle d’incidence du faisceau ultrasonore. α : Angle de réfraction faisceau ultrasonore. a : Position du palpeur par rapport au défaut. Pt : Position de l’extrémité du palpeur par rapport au défaut. 2S : Distance entre deux palpeurs associés. TOF : Temps de vol des échos ultrasonores. TOFD : Temps de vol des échos ultrasonores Diffractées. ε : Déformation. σ : Contrainte normale. τyz : Contrainte de cisaillement. fij (θ) : fonction de l’angle polaire à l’extrémité de la fissure. K : facteur d’intensité. O(r): reste d’autres termes. KT : Facteur de concentration de contraintes. So : Surface initiale de la fissure à t = 0. A(t) :Aire de la fissure crée dans le solide au cours du temps. Rp : Résistance pratique du matériau considéré. Ux : Déplacement principal suivant la direction x. U : travail effectué par une force extérieure. V : Energie élastique récupérable stockée dans le solide. Wc : Energie cinétique de propagation de la fissure. W(ε) : Densité élastique ou densité d’énergie de déformation D : Somme des Energies dissipées de façon irréversible. Symboles utilisés. - 4 - gI : La force d’extension de la fissure le taux de restitution de l’énergie. gIc : La valeur critique de gI ou aussi caractéristique du matériau. P : L’énergie potentielle stockée dans la structure. ∂ A: L’incrément de surface qui correspond à l’extension de la fissure. C : La complaisance d’une structure. P : La charge. Pc : Charge critique. U : Energie de rupture. COD ou δ : Ecartement en fond de fissure. V : Ecartement mesuré. Z : Epaisseur des cales. a : Longueur de la fissure n : Coefficient définissant le centre de rotation des deux parties de l’éprouvette . W : Largeur de l’éprouvette. B :Epaisseur de l’éprouvette. q : Déplacement. S : Distance entre appui. Г : Chemin dans le plan autour de l’extrémité de l’entaille W : Densité d’énergie de déformation. : Tenseur de déformation en chaque point du plan. T : Vecteur traction en un point du contour Г. σij :Tenseur de contraintes nj : Cosinus directeur. ds : Un élément d’arc. σp : Limite élastique. m : Coefficient dépendant du taux de consolidation. Da ou ∆a : progression de la fissure. ∆e : Déplacement de la charge dans le domaine élastique. b: Ligament restant b = W- a U i,i+1 :la variation de l’énergie entre le point i et i+1. γ : coefficient prenant valeur 1 pour la flexion en 3 points. ai+1- ai : croissance de la fissure entre i et i+1. ijε Introduction générale. - 5 - Introduction générale: Les problèmes liés au soudage sont d’une façon générale complexe et difficile à analyser quantitativement compte tenu du grand nombre de paramètres intervenant. La plus part des travaux sont consacres à l’étude de la fissuration des cordon lorsque les fissures se propagent dans le métal de base, ces fissures sont assez fréquentes et les plus dangereuses ; aussi de nombreux aciéristes cherchent à améliorer les caractéristiques du métal de base et son comportement vis - a -vis des cycles thermiques et des contraintes résultant des différentes procédées de soudage. La recherche de défauts dans les matériaux constitue une des préoccupations majeures des industries de pointe comme l’aéronautique, l’aérospatiale ou le domaine automobile. En effet, la mise au point de matériaux dont les caractéristiques mécaniques sont adaptées à une utilisation spécifique nécessite certains procédés de fabrication (laminage à chaud ou à froid des aciers, assemblages de plis dans les structures multicouches, assemblages par soudage ou autres procédés) qui risquent de générer des imperfections, dès la conception. De plus, le matériau subit, au cours de sa vie, des contraintes mécaniques ou thermiques qui le fragilisent et peuvent faire apparaître des défauts. Des techniques fiables doivent alors être mises en œuvre pour établir le diagnostic d’un matériau et détecter les inhomogénéités qui pourraient compromettre son utilisation. Longtemps les industriels ont opté pour les méthodes destructives de contrôle et d’expertise mais avec le progrès enregistré en électronique et en informatique Les méthodes de contrôle non destructif (CND) ont vite pris le dessus, car elles permettent de tester une structure sans provoquer de modifications irréversibles. Elles représentent donc un enjeu industriel important du point de vue économique puisque les pièces testées peuvent être de nouveau utilisées lorsque aucun défaut n’a été révélé. Certaines méthodes de CND sont basées sur les rayons X, la magnétoscopie, la microscopie ultrasonore ou l’holographie laser, et sont utilisées pour localiser les défauts internes ou de surfaces. Ces techniques sont cependant lourdes à mettre en œuvre et peuvent nécessiter des précautions d’emploi très contraignantes. La génération d’ultrasons dans les matériaux peut alors apporter une solution à ces problèmes. Il existe en effet des procédés de génération ou de détection d’utilisation aisée et de récents développements dans le domaine des transducteurs ultrasonores à couplage par fluide ou par air permettent de réaliser facilement des contrôles sans contact avec les matériaux. De plus, différents types d’ondes peuvent être choisis selon les applications. Les ondes de volumes, par exemple, permettent de tester des échantillons en profondeur. Les ondes de surface, étudiées en premier lieu par Lord Rayleigh à la fin du XIXe siècle, sont appropriées au contrôle des surfaces ou des interfaces entre les matériaux. Les ondes guidées, comme les modes SH, sont plus indiquées lorsque de grandes structures doivent être contrôlées et le potentiel des ondes de Lamb à détecter les défauts dans les plaques ou les conduites a largement été démontré par le passé. Les ondes ultrason permettent en effet de réaliser des inspections rapides, sur site industriel et sont, par exemple, employées dans les industries pétrochimiques lors du contrôle de conduites de gaz ou de pétrole. Les canalisations sont généralement enterrées et s’étendent sur plusieurs centaines de kilomètres et les ondes ultrasonores constituent alors un moyen de les tester sur plusieurs dizaines de mètres, sans les déterrer. Ces techniques de contrôle peuvent aussi être utilisés dans la métallurgie pour inspecter les gammes de produits. Ils présentent alors l’intérêt majeur de permettre le contrôle, en temps réel, sur une chaîne de fabrication. Introduction générale. - 6 - Les ondes ultrasonores semblent donc être un choix judicieux pour détecter les défauts surtout pour un pays comme le notre, qui ne peut se permettre l’usage de moyens plus coûteux comme les rayons X et gamma ou autre. De plus, leur entretient revient encore plus cher. Notre travail se situe dans un autre domaine : celui des contrôle des produits de soudage et des procédures attachées à ces procédure toutes indispensables qu’elle soient révèlent une insuffisance pour inspecter toutes les anomalies du cordon, compte tenu des progrès réalisés dans le domaine de la mécanique de la rupture et le contrôle peuvent conduire dans certains cas à des interprétations erronés. Nous avons étudié un produit de soudage correspondant à des conditions d’emploi assez simples mais mettant en jeu des procédures de mise en œuvre spécifiques : Procédé à fil fourré Dans cette approche, nous avons travaillé sur des soudures multi passes, le produit a été testé sur des chanfreins en V peut bridé, le nombre de passes est fonction de l’épaisseur, comme on le verra ces paramètres ont une influence sur le comportement mécanique du cordon. Pour réaliser notre étude nous avons utilisé : D’une part des moyens d’étude métallographiques (microscope optique) et d’autre part des moyens d’essais mécaniques mouton pendule (flexion 3 points). Ce dispositif expérimental nous a permit de tracer les courbes (J-∆a) et de déterminer les valeurs de : Jic, appartir de des courbes Dans une autre approche, nous savons que les ondes acoustiques dont la proportion en amplitude dépend des caractéristiques du défaut, permettent donc d’envisager la résolution du problème inverse, c’est-à-dire d’appréhender la géométrie du défaut à partir de mesures acoustiques. Tout d’abord, il est cependant nécessaire de comprendre parfaitement les mécanismes qui interviennent dans la réflexion sonore et de développer des méthodes rapides et efficaces d’étude du phénomène. La solution proposée dans le cadre de cette thèse consiste à traiter les problèmes de diffraction d’ondes ultrasonores par un défaut. Les champs acoustiques ou échos recueillis au niveau des transducteurs, sont traduis en valeurs qui serviront ultérieurement d’estimer la taille d’un défaut en fonction du temps du parcours du signal perçu, Pour les mêmes produits. L’objectif principal de ce travail est de quantifier des fissures verticales réalisées dans des plaques fonction de leurs interactions avec des ondes ultrasonores. Il s’agit donc de résoudre le problème direct qui consiste à prédire les durées des parcours des diverses ondes réfléchies ou transmises par un défaut soumis à un mode incident. Présentation des différents chapitres: Le premier chapitre de ce document s’intéresse aux notions de la métallurgie du soudage et se rapporte ainsi aux phénomènes thermiques (influence des cycles de chauffage et nombre de passes), chimiques (milieu environnant: l’enrobage ou gaz protecteur ou dégagé) et physiques (vitesse de soudage, intensité de soudage) qui interviennent durant l’élaboration du cordon de soudure que ce soit lors du chauffage (soudage) ou lors du refroidissement (après soudage), et met en rapport les facteurs aux structures attendues. Dans le deuxième chapitre on met la lumière sur les différents types de défauts relatifs à la structure soudées(défaut de position par exemple du à une mauvaise exécution) ou relatif au cordon de soudure (soufflures, inclusions ou fissures), toute notre attention à été Introduction générale. - 7 - portée sur les types de fissures, les causes qui sont à l’origine de leur formation, ainsi que sur les outils de prospection et de détection des fissures dans un premier temps, on fait ensuite illusion aux méthodes de contrôle utilisées dans l’industrie, et sont exposés d’une manière générale les essais destructif et non destructifs, toute notre attention est portée sur les techniques ultrasonores et les méthodes de détection et d’estimation des défauts et les différents phénomènes intervenant lors de la diffraction, surtout que son application n’est pas restreinte en fréquence et sa rapidité d’exécution laisse envisager la résolution du problème inverse qui consiste à identifier un défaut à partir des ondes captées au niveau des récepteurs. Dans le troisième chapitre on présente les techniques d’expertise mécanique par les essais destructifs pour les éprouvettes de flexion en trois points, nous avons retenu la méthode de l’intégral J pour la détermination de la longueur critique (JIc) de la fissure. Le quatrième et le cinquième chapitre présentent respectivement les expériences et les résultats obtenus par les essais destructifs et non destructifs. On procède à la caractérisation du matériau par des essais de texture servant à déterminer la nature de la rupture ainsi que des mesures expérimentales des fissures en fonction des efforts appliquées sont toutes menées sur des éprouvettes de flexion en trois points. Des mesures de tailles de défauts par deux techniques ultrasonores sont effectues sur des défauts simules car l’obtention de défauts est purement hasardeux. Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 8 - 1- Introduction : Le soudage est un moyen d’assurer la continuité métallique par le concours de plusieurs phénomènes; thermique, métallurgique, chimique. Cerner le problème du soudage revient obligatoirement à faire une approche selon les aspects qui le caractérisent a savoir : [10] • Aspect thermique. • Aspect chimique. • Aspect thermomécanique. 2- Aspect thermique du soudage : Caractérisé par l’intervention d’une source de chaleur, le plus souvent en mouvement, parfois immobile (exemple : soudage par résistance) dont la nature et la puissance qu’elle peut atteindre déterminent les possibilités pratiques d’utilisation. Le soudage comporte, la où il intervient, des échauffements rapides, dans de nombreux cas plus rapides que ceux qui correspondent à l’état d’équilibre en phase solide des alliages concernés. Si l’on veut prévoir ou interpréter l’effet métallurgique du soudage, il est donc nécessaire de tenir compte de la vitesse d’échauffement, en particulier lorsqu’on cherche à simuler le cycle thermique de soudage pour reproduire les structures qui en résultent. L’effet de l’échauffement rapide est accusé par la brièveté du séjour à la température maximale, température qui avoisine la température de fusion. Le gradient de température qui résulte de la localisation de l’échauffement entraîne une vitesse de refroidissement en général élevée, elle-même fonction, pour chaque matériau, non seulement du procédé de soudage utilisé, mais aussi du mode opératoire pratiqué pour l’application de ce procédé. Pour ces raisons, toute analyse métallurgique des effets de l’opération du soudage doit être précédée et éclairée par une étude thermique approfondie [10] 2.1. Cycle thermique du soudage mono passe: Le cycle thermique lors de l’opération de soudage mono passe se traduit par un chauffage rapide jusqu’à une température proche de la température de fusion et par une cinétique de refroidissement qui dépend des paramètres opératoires : • Energie de soudage • Te de procédé • Epaisseur de la pièce Pour caractériser la loi de refroidissement, plusieurs paramètres peuvent être adoptés : • Vitesse moyenne • Vitesse à une température donnée : (dθ / dt) θ = θ1 • Temps de passage entre deux températures : ∆ tθ2θ1= tθ1 – tθ2 Pour choisir un paramètre de refroidissement, il doit être indépendant de tout autre paramètre. (D’après l’Institut de Soudure I R S I D) : • Le temps écoulé entre 800 C° et 500C° • Le temps écoulé entre 700 C° et 300C° 21 21 tt − − θθ Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 9 - Ces deux paramètres de refroidissement déterminent la microstructure fig.1.1. Deux autres paramètres, la vitesse de refroidissement à partir de 300 et le temps écoulé entre 300 et 100 C° les Japonais prennent en considération les conditions d’hydrogénation des soudures [31] c’est à dire le comportent des soudures en fissuration à froid . [1]. [3] Ces deux paramètres sont représentatifs des conditions de refroidissement dans le domaine de transformation de l’austénite ils permettent d’apprécier la Z A C (siège de fissures) Fig.1.2. - Cycle thermique pour le soudage multi passes Fig.1.1- Paramètres de refroidissement des soudures Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 10 - 2.2. Cycle thermique du soudage multi passes : Au voisinage de la première passe on observe les cycles thermiques les plus sévères, par rapport à la température maximale atteinte et la rapidité du refroidissement. Les passes suivantes provoquent à cet endroit des cycles de plus en plus atténues. Lorsque le temps entre les passes est inférieur à une certaine valeur qui dépend des conditions de soudage, fig.1.2 la température minimale au point A augmente à chaque passe. Suivant la disposition des passes, une même température (exemple : A3 dans les aciers) peut être dépassée deux ou plusieurs fois en une région donnée au cours des passes successives. La structure finalement observée en cette région est le résultat de la succession des cycles correspondants. Le dépôt d’une passe modifie la structure de la passe précédente (ou des passes précédentes), en produisant sur celle-ci un recuit ou un revenu de la structure. Voir Fig.1.3 représentant les modifications dues au cycle thermique pour le soudage multi passes. [1]. Cette observation vaut aussi bien pour la ZAT que pour le métal fondu, lui aussi réchauffé et, s’il y a lieu, transformé au cours des passes successives. [10] La notion de pré et post chauffage, qui concerne essentiellement la première et la dernière passe, doit être complété par la notion de température entre passes. Cette température est définie comme étant la température atteinte au refroidissement par le métal déposé avant le dépôt de la passe suivante. Elle est à la fois température de préchauffage pour la passe suivante et température minimale du post –chauffage pour les passes précédentes. [1]. [3] Divers facteurs interviennent sur l’allure des cycles thermiques et donc sur la répartition thermique, on peut en citer : Fig.1.3.- Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 11 - 1) Influence de la pièce à souder : Intervient par ses propriétés physiques (conductibilité thermique, capacité calorifique). Il faut tenir compte aussi de l’influence géométrique (épaisseur, position des pièces à souder, chanfreins). Influence de la température initiale (joue sur le temps de séjour à haute température ainsi que sur la vitesse de refroidissement) elle peut être contrôlée par un préchauffage. 2) Influence du préchauffage et du post-chauffage : Le préchauffage et le post-chauffage sont utilisés pour éviter la formation de structures fragiles dans la Z A T, et pour permettre à l’hydrogène dissout dans les pièces de diffuser vers l’extérieur. Le préchauffage des pièces à assembler permet de : • Diminuer la vitesse de refroidissement dans le domaine de transformation de l’austénite, et par la suite, limiter les transformations physico-chimiques. • Réduire la teneur en hydrogène en fin de refroidissement et faciliter son dégagement pour éviter la formation de soufflures. • Réduire les déformations et ralentir la croissance des contraintes le principal but du préchauffage est l’amélioration des conditions de refroidissement en vue d’éviter la formation de constituants de trempe ou semi trempe (la martensite). La température de préchauffage est d’autant plus élevée que le pouvoir trempant de l’acier est plus énergétique. Le post chauffage consiste à interrompre le refroidissement naturel du joint soudé et à maintenir celui-ci à une température au moins égale à celle du préchauffage; Permet à l’hydrogène de s’échapper et suspend la croissance des contraintes liées au refroidissement entre 300 et 100°C ; qui permet de caractériser la quantité d’hydrogène diffusible. Le post-chauffage est nécessaire, dans le cas des pièces à forte trempabilité ; quand l’action du préchauffage n’atteint pas les résultats demandés [12] 3) Notions d’état quasi-stationnaire : Dans le cas de soudage avec déplacement de la source de chaleur, Si nous relevons, au moyen d’un couple thermoélectriques, les courbes θ = f (t) en des points A1, A2….etc. situés à la même distance d’un cordon de soudure à l’arc et à des distances croissantes de l’origine O de ce cordon, supposé en pleine tôle fig.1.4, [10]. La température maximale θm atteinte croit avec la distance parcourue à partir du début du cordon, puis se stabilise à une valeur qui devient constante, tant que la source de chaleur progresse à une vitesse uniforme, l’énergie demeurant constante. Les lois de refroidissement, déterminées d’après la mesure des temps de refroidissement entre deux températures, deviennent identiques, donc les courbes θ = f (t) deviennent superposables des que la source a franchi un certain parcours. L’énergie dépensée par la conductibilité dans la pièce est à chaque instant compensé par l’énergie fournie au niveau de la source de chaleur. On peut dire donc que les isothermes demeurent identiques à elles-mêmes et se déplacent avec la source. Leurs enveloppes sont des lignes parallèles au cordon. Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 12 - Grâce à l’état quasi stationnaire nous pouvons limiter notre détermination des courbes température- temps à des points repartis sur une droite perpendiculaire à la ligne de soudure. [10] Fig.1.5 – Transformation de l’acier dans la zone réchauffée. Fig.1.4- Etat quasi-stationnaire Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 13 - 3- Aspects métallurgiques du soudage: Les caractéristiques d’un acier sont fonction de sa nature et de sa composition chimique, la structure étant elle-même liée à la composition chimique et au traitement thermique que subit l’acier. Les principes généraux de la métallurgie (édifice cristallin, composition chimique, transformation d’état de structure, modifications chimiques), s’appliquent aux caractéristiques mécaniques et chimiques, de la zone fondue des soudures. L’examen métallographique de la soudure fait apparaître une grande diversité de structures. On observe pour chaque joint soudé divers aspects qui rendent compte de la variation du cycle thermique subi en chaque point examiné. La température et le temps de chauffage ainsi que les vitesses de refroidissement produisent des modifications qui affectent la dimension des grains et les phases en présence. Parce que le bain de fusion a un volume relativement restreint, son refroidissement est rapide et les cristaux qui se solidifient sont orientés dans la direction du gradient de température. Leur dimension dépend de la température et de la cinétique de refroidissement. Voir fig.1.5 qui donne une représentation schématique d’un joint soudé perpendiculairement à la ligne de fusion. [4], [2]. On distingue plusieurs zones : fig.1.6 [1]. 1) Zone de fusion (structure basaltique) : Qui pour une soudure multi passes est constituée par une alternance de zones thermiquement régénérés et de zones brutes de solidification à grains orientés. 2) Zone surchauffée : A granulation grossière où la température maximale atteinte est très élevée (entre 1200 et 1500). Le refroidissement rapide de l’austénite surchauffée, dont le grain atteint des dimensions importantes, donne la structure de Widmannstaetten, structure très fragile. Dans ce cas, la ferrite ou la cémentite pro-eutectoide précipite isolement au cours de leur migration en direction des joints des grains d’austénite. Leur précipitation s’effectue alors le long des plans de clivage du cristal d’austénite où elle se trouve facilitée. Le constituant pro- eutectoide précipite le long de ces plans sous forme de plages de grandes dimensions. La section de celle –ci par le plan duquel s’effectue l’observation du métal au microscope donne lieu à l’apparition d’aiguilles plus ou moins allongées, orientées dans des directions déterminées fig.1.7 Les structures de Widmannstaetten doivent être effacées par un traitement de normalisation, car sinon elles sont la source de la plupart des problèmes soulevés par le soudage des aciers. 3) Zone de normalisation : Où la granulation est plus fine que dans le métal de base. La température atteinte est légèrement supérieure à Ac3. 4) zone à température maximale comprise entre Ac1 et Ac3 : C’est une zone de transformations incomplètes. L’austénite résiduelle se Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 14 - transforme en perlite fine, et les grains de ferrite pro-eutectoide ne se modifient pas. La granulation dans cette zone n’est pas très homogène. L’austénitisation partielle du métal conduit pour cet acier à une structure à grains très fins. 5) Zone de recristallisation: Où la température maximale atteinte est comprise entre 500 et Ac1. Certaines modifications métallurgiques peuvent déjà avoir lieu dans cette zone :précipitations et coalescence en présence d’éléments dispersifs, sur revenu dans certains aciers trempés-revenus, légère globularisation de la perlite dans les aciers normalisés. 6) Métal de base : Où la température maximale atteinte resta inférieure à environs 500°C, dans laquelle on ne détectera pas de modifications structurales visibles. Fig.1.6.-Transformations structurales dans la ZAT : représentation schématique et micrographies. Dans la Zone1 : θ < 600° et dans la Zone3 : Ac3 > θ > Ac1 et dans la (zone de liaison) Zone2 : θ > 1200° structure à gros grains Fig.1.7- structure de weidmannstaten Zone 6 Zone 2 Zone 3 Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 15 - 3.1. Elaboration de la zone fondue : Nous pouvons parler du soudage comme une opération d’élaboration, a condition de tenir compte des conditions particulières dans lesquelles cette opération se déroule, qui sont : • Le comportement physico-chimique des éléments présents dans la phase liquide (métal d’apport ou métal de base) qui peuvent être sujets à la volatilisation ou réagir entre eux. • L’influence du milieu environnant, qu’il soit gazeux (atmosphère ou autre), liquide (laitier) ou solide (métal de base). Le cas particulier de la zone de liaison. 3.1.1. Comportement physico-chimique des éléments présents : Plusieurs phénomènes peuvent accompagner l’opération de soudage, on peut en citer : 1) La volatilisation : Elle est susceptible d’intervenir au cours du soudage pour un élément donné, lorsque la température de fusion de cet élément est largement dépassée, on peut citer le cas du zinc qui est nocif pour la santé (fond à 419°C). En soudage à la pression atmosphérique, outre le zinc, la fumée de soudage à l’arc est formée de métaux d’addition des aciers alliés ou non alliés, tel que le fer, le manganèse, le chrome, le titane et l’aluminium. Mais le fer constitue la part la plus importante des fumées de soudage à l’arc. Le manganèse subit aussi la volatilisation durant le soudage à l’arc et qui pose un problème pour l’organisme, Normalement, le phénomène de volatilisation est limité à cause de la rapidité du processus de soudage, alors qu’il est beaucoup plus important en soudage MIG.[12] La solution est d’utiliser un produit d’apport à très bas carbone ou stabilisé au niobium, qui lui n’est pas volatil mais l’inconvénient c’est la fissuration à chaud et la fragilisation en particulier. 2) Influence du milieu Gazeux : Lors du soudage à l’arc, la nécessité d’une protection s’est imposée en raison des caractéristiques très faibles obtenues, la recherche de meilleures propriétés à motivé, en même temps que d’autres effets, la mise au point d’électrodes enrobées qui fournissent une double protection par un dégagement gazeux et un laitier liquide ou un flux en poudre ou par l’emploi d’un gaz protecteur (soudage MAG) ou inerte (soudage MIG). En soudage avec électrode enrobée ou fil fourré l’hydrogène en solution sursaturée tend à quitter le métal en fusion vers l’extérieur [10]. Mais il est aussi à même d’évoluer par diffusion en phase solide, dans la zone fondue ZF comme dans la zone affectée thermiquement ZAT. Cette diffusion commence des le refroidissement et se poursuit ultérieurement, est influencée d’une part par la teneur initiale en hydrogène à la fin du refroidissement, d’autre part par la différence de coefficient de diffusion entre l’austénite et la ferrite, car l’hydrogène diffuse mieux dans cette dernière [8]. La présence de l’hydrogène a pour conséquences la fragilisation de la ferrite ou de la martensite, par insertion des ions H+ dans le réseau cristallin de ses deux constituants, qui se déplace à la faveur du mouvement de dislocation. Cette insertion à pour effet : Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 16 - La fragilisation de la ferrite est liée au mécanisme de formation de la tache blanche : appelé œil de poisson lors des essais de traction statique. [10] Celle de la martensite est à l’origine de la fissuration à froid. De ce fait nous pouvons retenir que l’hydrogène est un facteur de fissuration en soudage [30]. 3.1.2. Solidification de la zone fondue : Le bain de fusion peut être défini comme étant, à un instant donné, constitué par un certain volume en déplacement de métal à l’état liquide produit par la fusion du métal de base et éventuellement alimenté par un apport extérieur, il est limité ; • A l’avant par la surface de l’isotherme de fusion du métal de base. • A l’arrière par l’interface liquide/solide résultant de son avancement. • Surmonté, selon le procédé de soudage, par le gaz protecteur ou le laitier liquide provenant du flux ou de l’enrobage. Cette surface n’est pas uniforme, car elle subit l’impact de la source de chaleur dont l’effet dynamique n’est pas négligeable, ainsi que celui du gradient de température, qui crée des mouvements de convection. Enfin, le déplacement de la source de chaleur se traduit par celui du bain de fusion qui engendre un mouvement de métal liquide depuis l’avant, où il se forme, vers l’arrière où il se solidifie et ceci latéralement et en profondeur. Le bain de fusion conserve donc sa forme si l’état quasi stationnaire des températures est maintenu, ainsi que le régime de l’apport éventuel de métal. 1) Orientation cristalline à la zone de liaison (Epitaxie) : La solidification s’amorce sur l’interface métal fondu/métal de base, à l’endroit où sa section transversale est maximale, sur cette interface dont le déplacement constituera la zone de liaison, la cristallisation du métal en cours de solidification se fait suivant le mode épitaxique fig.1.8 [28][10]. Selon lequel les cristaux du solide en formation adoptent l’orientation des cristaux du métal de base sur lequel ils reposent ou le métal sou adjacent. Cela veut dire qu’on doit voir les joints de grains du métal de base traverser la zone de liaison et trouver sans discontinuité leurs prolongements dans les joints de grains du métal fondu solidifié. Telle est la position de départ des grains de solidification, qui se trouvent modifies plus tard par un autre phénomène, dit de croissance sélective. Fig. 1.9 qui fait que, pour les métaux industriels ou les alliages, certains grains se développent au dépend des autres ou apparaissent à leur place et ont une direction de croissance privilégiée selon laquelle la vitesse de croissance y est maximale. Tandis que, dans le cas d’un métal pur un cristal naissant au sein de la phase liquide est susceptible de se développer à la même vitesse dans toutes les directions permises par sa structure. Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 17 - fig.1.8- montrant le sens de croissance sélective des grains. (Épitaxie) fig.1.9- montrant le sens privilégié de croissance des grains au dépend des autres qui disparaissent. Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 18 - Conséquences de l’épitaxie et de la croissance sélective : Cette croissance se traduit par la disparition des grains les moins favorablement orientées, d’où une diminution du nombre de grains, donc augmentation de leur taille par rapport à leur grosseur initiale et peut être ces grains eux-mêmes perdront leur privilège pour être remplacés par d’autres mieux orientés. Une autre conséquence très importante de l’épitaxie à la zone de liaison réside dans le fait que la taille les grains de solidification, au départ, déterminée par celle des grains du métal de base qui jouxtent cette zone (qui est le siège de la surchauffe). En particulier dans le cas des aciers, toute action tendant à limiter le grossissement du grain dans le métal de base (mode opératoire, composition) se traduit par un effet bénéfique vis-à-vis des grains de solidification dans la zone fondue, à condition que le chauffage du à une passe ne provoque pas de changement de constitution dans la passe précédente sur laquelle elle repose : épitaxie très apparente. 2) Influence de la vitesse de soudage : Considérons une passe de soudage avec l’hypothèse d’un régime de solidification 2D dans le plan comprenant les sens travers de soudage. La forme du bain de fusion correspond alors à celle schématisée sur la fig.1.10 et fig.1.11 forme du bain de fusion. La vitesse de solidification R est liée à la vitesse de soudage Vs par la relation : R = Vs * cos Θ Eqn (2.2) Θ : est défini comme l’angle entre la normale aux isothermes et la direction de soudage. R est alors minimale sur les bords du bain de fusion et maximale et égale à Vs au centre du bain (à l’opposé, le gradient thermique est maximal sur les bords (croissance planaire) et minimal au centre (croissance dendritique)). La solidification se produit à l’arrière du bain, entre les points A et B (Θ = 90°) et le point C (Θ = 0°). Toutefois il existe une vitesse limite de solidification RLimite. Tant que R < RLimite (vitesse de soudage lente et bain arrondi) les grains se développent bien perpendiculairement au isothermes et leur direction d’élongation est parallèle au sens de soudage dans le centre du bain (cas a), fig.1.12. Si la vitesse de soudage augmente mais reste inférieure à RLimite, la forme du bain de fusion est plus allongée et les grains se développent jusqu’à la partie centrale quasi-transversalement par rapport à la direction de soudage (cas b) fig.1.12. Si la vitesse de soudage est encore plus importante et devient supérieure à RLimite, la solidification orientée perpendiculairement aux isothermes n’est plus possible et la cristallisation se fait alors d’une manière équiaxe (cas c) fig.1.12. fig.1.10- cinétique de refroidissement Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 19 - Fig1.13 - coupe longitudinale d’une soudure montrant le sens de croissance Fig1.12 - influence de la vitesse sur l’épitaxie fig.1.11- cinétique de refroidissement Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 20 - 3) Influence de l’énergie de soudage : L’énergie de soudage E, ramenée à une unité de longueur, est déterminée par l’équation : E = UI / Vs Eqn (2.1) U : la tension. I : l’intensité du courant. Vs : la vitesse de soudage. C’est le régime thermique produit, dépendant entre autres de l’énergie fournie, qui va agir sur la vitesse de solidification. En principe, une forte énergie de soudage entraîne une plus forte pénétration des passes et donc une plus grande hétérogénéité de la structure. [28] L’étendue de l’arc et la quantité d’énergie apportée par rapport aux dimensions de la pièces a assembler et en fonction du temps jouent un rôle très important dans la détermination de la structure après solidification dans le métal fondu et au voisinage et peut aider à conclure en ce qui est des modifications de structure dans le métal de base. Les soudages MIG ou MAG couvre le domaine d’énergie 5 à 30 J/cm, ce qui correspond à des temps de refroidissement entre 800 à 500°C de l’ordre de 30 à 40 secondes selon l’épaisseur et selon la température initiale de plus ils sont caractérisées d’un effet thermique localisé s’étendant sur une zone limitée. 3.1.3. Transformation en phase solide au cours du soudage (échauffement) : Le métal de base subit des transformations en phase solide, (dans le cas du soudage à plusieurs passes) et éventuellement le métal fondu lors de l’échauffement qui accompagne le soudage. Un acier à l’état recuit est constitué à froid par de la ferrite α et de la cémentite Fe3C, selon des proportions indiquées par le diagramme d’équilibre Fe-C, la constitution est fonction de la température, les changements de constitution sont réversibles si les variations de température sont compatibles avec l’état d’équilibre. Si tel n’est pas le cas, le retour à l’ambiante se traduit par l’apparition en état hors d’équilibre de constituants différents des constituants initiaux, à la limite, par le maintient de la constitution à la température atteinte au cours du chauffage. Dans le cas d’un acier, les constituants α + Fe3C existants à l’ambiante font place, à partir de A3 (à 900°C selon la teneur en carbone) à la solution γ dite austénite. Si le refroidissement qui suit est suffisamment lent, on retrouvera à l’ambiante la ferrite et la cémentite dans les proportions initiales, on les retrouve dans l’agrégat appelé perlite, ou les deux constituants sont disposés en lamelles Fig1.14- coupe transversale montrant le sens privilégié de croissance Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 21 - alternées (structure); si non, les conditions de l’équilibre ne sont pas respectées et la constitution finale sera différente en raison de la trempe qui peut conduire à la martensite. D’après la fig. 1.15, si un métal à l’état écroui 1 est soumis à un chauffage, on assiste à une recristallisation. On voit apparaître, au voisinage de la température de recristallisation θR , des germes 2 qui se développent en une structure équiaxe 3 dont les grains sont d’autant plus fins que le degré d’écrouissage initial est élevé. Cette structure est dite recristallisation primaire, se stabilise avec un léger grossissement du grain jusqu’à θs. À θs commence la surchauffe (recristallisation secondaire), les propriétés mécaniques évoluent en sens inverse des effets de l’écrouissage à savoir, le métal retrouve sa capacité d’allongement et la résistance que lui avait conféré l’écrouissage diminue. Dans le cas d’un acier non ou faiblement allié, à cause de l’intervention de la transformation α/ γ, qui à lieu à la température du point A3, légèrement au dessus de θ R α de recristallisation de la ferrite est limitée entre θ R α et A3, car à partir de cette dernière température, la réaction α/ γ produit un autre mécanisme, l’effet de normalisation qui limite la largeur de la zone adoucie. On montre dans la fig. 1.16 que à cause de l’évolution du grain qui se trouve interrompue par la transformation α/ γ, on trouve une structure a grains fins encadrée par deux structures grossières, l’une résultant de la recristallisation et le début de la surchauffe de la ferrite, l’autre de la surchauffe de l’austénite qui engendre héréditairement un gros grain de ferrite au refroidissement. Fig1.15- représentation des modifications structurales au cours du chauffage Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 22 - Fig.1.16- Figure illustrant l’effet de la recristallisation et la surchauffe sur la structure d’un acier écroui Recristallisation et surchauffe de la ferrite Surchauffe de l’austénite, Grossissement des grains Structure fine Méta écroui Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 23 - 3.1.4. Transformation en phase solide au cours du soudage (refroidissement) : Le diagramme de la fig.1.17 [10] représente aussi la succession des phénomènes au cours du refroidissement à partir de l’état austénitique obtenu à haute température, état qui, à l’état d’équilibre, se maintient jusqu’à la température de A1, de la ferrite, dite pro-eutectoide, qui dissout très peu de carbone, l’austénite s’enrichit en cet élément, jusqu’à atteindre la teneur eutectoide (0.85%) à la température de A1, à la quelle elle donne naissance à un ensemble ferrite perlite constitué de ferrite pro-eutectoide et de la perlite à 0.85%. Ces constituants et leurs proportions ne sont conformes aux indications du diagramme Fe-C qu’en condition d’équilibre c’est à dire refroidissement lent, tout changement de ces conditions se traduit par des écarts par rapport aux indications du diagramme Fe-C, écarts qui peuvent affecter la proportion ou la nature des constituants ainsi que leur structure. Pour rendre compte de l’influence de la loi de refroidissement à partir de l’état austénitique à une température donnée, le diagramme TRC ou pour un ensemble donné de lois de refroidissement à partir d’une même température d’austénitisation. Ces diagrammes sont inutilisables pour les causes suivantes et qui sont des particularités du soudage : • Les températures d’austénitisation variables, mais atteignent des valeurs élevées supérieures aux traitements thermiques. • Le temps de chauffage est très court qu’en traitement thermique. Il à fallu tracer des TRC spécialement pour le soudage, directement lisibles en fonction des conditions de soudage (énergie), elle mêmes souvent transposées en termes de temps de refroidissement correspondant aux diverses épaisseurs et températures initiales. Fig. 1.18 [8] [10] représente les diagrammes TRCS Les diagrammes TRC fig1.19 [10] font apparaître pour chaque acier, trois modes distincts de transformation de l’austénite, dont l’apparition dépend pour un acier donner de la loi de refroidissement, à savoir : 1) Un mode dit perlitique : (ou Ar’) Les constituants qui apparaissent sont conformes au diagramme Fe-Fe3C et apparaissent dans l’ordre indiqué par ce dernier, a savoir, successivement : ferrite pro-eutectoide puis agrégats ferrite cémentite qui résulte d’un mécanisme de germination et croissance de la cémentite. Ce mode qui, met en œuvre la diffusion prévaut pour les refroidissements lents (partie droite du diagramme TRC). 2) Un mode dit bainitique : (ou Ar’’) Dans ce mode intervient la diffusion dont la constitution finale (ferrite et cémentite) qui est ici, conforme (aux proportions prés) à celle du diagramme Fe -Fe3C mais de chronologie différente, la ferrite (par germination et croissance) à partir de l’austénite en retenant momentanément le carbone en solution sursaturée, puis ce carbone précipite sous forme finement dispersée. Ce mode à lieu pour les lois de refroidissement intermédiaires, il présente plusieurs variantes structurales Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 24 - dont certaines la rattachent à la transformation perlitique (bainite supérieure, ferrite aciculaire), d’autres à la transformation martensitique (bainite inférieure). 3) Un mode dit martensitique : (ou Ar’’) Se traduit par la précipitation directe, sans diffusion d’un constituant appelé martensite, dont la teneur en carbone est la même que celle de l’austénite mère et qui apparaît brutalement, par fractions échelonnées en fonction de température décroissante, à partir de Ms jusqu’à Mf. La transformation martensitique se produit pour les lois de refroidissement les plus rapides (partie gauche du diagramme TRC) ces modalités de refroidissement se produisent dans des domaines délimités par des «lois critiques » fig.1.19 diagrammes classiques de refroidissement, où «temps de refroidissement critiques » diagrammes TRC soudage. • Le mode perlitique intervient au niveau le plus élevé (en dessous A1) • Le mode bainitique au niveau moyen • Le mode martensitique au niveau inférieur C’est la raison pour laquelle en soudage les études sont consacrées aux transformations pérlitiques et martensitiques. Fig.1.17- La succession des phénomènes au cours de l’échauffement et du refroidissement d’une soudure. [10] Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 25 - Fig.1.19 –diagramme TRC fig.1.18- Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 26 - 3.1.5. Particularités de la transformation pérlitique en soudage: 1) Soudage en une seule passe: Les conditions qui permettent au mode perlitique d’intervenir au refroidissement sont ; la vitesse de refroidissement et e la grosseur initiale du grain de l’austénite qui se transforme. Si ce grain est relativement fin, comme c’est le cas à la périphérie de la zone austénitisée par diffusion qui donne lieu à la séparation de la ferrite pro- eutectoide puis à la formation de la perlite lamellaire (agrégat Fe α+Fe3C) voir fig. 1.20a [10] [5], qui conduisent à une structure a grains, comparable, dans le cas des soudures, à celle du métal de base (ou même, éventuellement, plus fine) si ce dernier était initialement à l’état recuit. On constate que l’espace inter lamellaire (distance entre lamelles Fe α et Fe3C) est plus faible dans la ZAT que dans le métal de base qui s’est refroidi lentement car l’espace diminue si la vitesse de refroidissement augmente, donc en résulte un durcissement modéré par rapport au métal de base. Si le grain de l’austénite est grossier, comme c’est le cas dans la zone de surchauffe, le processus de diffusion se trouve gêné et la séparation de la ferrite pro-eutectoide tend a se faire aux joints de grains de l’austénite et à l’intérieur des grains, ou elle se dispose suivant le plan de plus grande densité atomique, l’agrégat lamellaire (Fe α+Fe3C) colmatant ensuite le volume délimité par ces plans voir fig. 1.20 b. Ainsi se forme une structure apparentée à la structure de widmanstaetten caractérisée par la disposition géométrique des plages de ferrite, qui résulte de leur orientation selon des plans cristallographiques de l’austénite mère. Ce processus de transformation entraîne l’hérédité structurale. Les limites des grains d’austénite surchauffée qui ont donné naissance à cette structure sont soulignées par le réseau intérgrannulaire de ferrite pro- eutectoide, cependant que les plages intra granulaires héritent de celle des grains d’austénite mère. Dans le métal fondu la transformation ne donne jamais naissance à une structure pareille à celle décrite plus haut même lorsqu’elle à lieu selon le mode perlitique. L’orientation des grains de solidification, ainsi que leurs dimensions, leur hétérogénéité chimique fournissent les conditions pour qu’apparaissent une structure de zone de surchauffe à savoir apparition de ferrite pro-eutectoide aux joints et à l’intérieur des grains d’austénite et cela se produit compte tenu de l’épitaxie. (fig1.20c) Fig.1.20- Transformation pérlitique en soudage Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 27 - 2) Effets sur les propriétés mécaniques: Les transformations à l’échauffement puis au refroidissement dans la ZAT se traduisent par une variation des propriétés mécaniques par rapport à celles du métal de base. Si ce dernier est à l’état initial (recuit) : la diminution de l’espace inter lamellaire de l’agrégat perlitique s’accompagne d’une augmentation de la dureté (limite élastique, résistance à la traction) et d’une diminution de la résilience (augmentation de la température de transition) dans la zone de surchauffe. Cette relative fragilisation, qu’accompagne une certaine fragilité de la zone fondue est due à la ferrite pro-eutectoide, est d’autant plus marquée que la surchauffe est plus intense (énergie de soudage plus élevée). 3) Solution vis à vis de la fragilisation: Il y a deux possibilités qui aboutissent au même résultat à savoir, éviter la précipitation de ferrite pro eutectoide massive aux joints de grains ou à l’intérieur des grains d’austénite en la remplaçant par une ferrite plus fine (ferrite aciculaire) très apparentée à la bainite supérieure. -Normalisation à une température supérieure légèrement à A3 suivie d’un refroidissement à l’air, cette austénitisation efface la structure antérieure dans la ZF ainsi que dans la zone surchauffée. -Pour éviter le traitement thermique, on utilise des éléments d’addition qui réduisent le grossissement du grain d’austénite dan la ZF et/ou on modifie le processus de précipitation de la ferrite au cours du refroidissement. 3.1.6. Soudure en plusieurs passes: Le cycle thermique en soudage en plusieurs passes, provoque une ré- austenitisation, dans toute une partie du métal déposé et transformé ainsi que dans la ZAT, et par suite une nouvelle transformation au refroidissement ; ce qui peut se produire une ou plusieurs fois en un seul point donné, selon la disposition et l’importance des passes, jusqu’à ce que la température A3 n’y soit plus atteinte. Chaque ré-austenitisation, entraîne, si l’acier et les conditions de soudage le permettent, une régénération structurale qui se traduit par un affinage des grains de ferrite et de perlite résultant de la passe antérieure, cet effet est favorisé dans le métal fondu par une tendance de ce dernier à la surchauffe fig.1.21. [10][5]. 1) Propriétés mécaniques: Résilience supérieure à celle d’une seule passe car le métal se transforme dans le domaine pérlitique. fig.1.21 - transformations en soudage en plusieurs passes Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 28 - 4- Conclusion : La microstructure de la ZAT dans le cas de la soudure multi passe dépend : • Des pics de température. • De la cinétique de refroidissement. • De la composition chimique du matériau à souder. • Du nombre de passes. • Des conditions de soudage (vitesse de soudage, intensité de soudage). Les constituants structuraux qui existent dans la ZAT d’une soudure pour le cas des aciers ferritiques. On distingue : 1) Ferrite proeutectoide : a. Ferrite aux joints des grains: La précipitation de la ferrite s’effectue à partir des joints des anciens grains austénitiques. Ces cristaux forment un réseau qui dessine la structure primaire. b. ferrite pro-eutéctoide polygonale: C’est une seconde forme de ferrite pro-eutéctoide correspond aux cristaux de ferrite ayant germé de manière intra granulaire. Il présente une forme équiaxe. La transformation de l’austénite en ferrite polygonale est accompagnée d’un important affinage du grain (un grain austénitique donne naissance à plusieurs grains feritiques) c. Ferrite aciculaire : Cette ferrite à un aspect plus équiaxe et elle s’obtient pour des vitesses de refroidissement et des teneurs en carbone croissantes de l’austénite. Ces aiguilles de ferrite croissent à partir des anciens joints austénitiques vers le centre et se présentent avec des orientations très marquées. De telles structures où les cristaux de la phase précipitée ont une orientation définie par rapport à ceux de la matrice dont ils proviennent, sont des structures du type de Widmannstaetten.fig.1.7 2) Bainite : a. Bainite supérieure : (fig. d) Elle se forme aux températures intermédiaires de la transformation bainitique .dans les aciers de composition voisine de l’eutectoide, la bainite apparaît sous la forme d’un agrégat de ferrite et de cémentite. La cémentite se présente en petits bâtonnets très différents de lamelles de la perlite. On admet que la ferrite qui se forme la première croit sous la forme d’une aiguille, rejetant le carbone en excès sur ses flancs et donnant lieu à l’apparition de cémentite qui précipite dans l’austénite adjacente. La cellule ferritique se développe ensuite latéralement au détriment de l’austénite appauvrie en carbone. Une nouvelle aiguille ferritique, adjacente à la première, se développe a son tour et ainsi de suite. b. Bainite inférieure : (fig. c) C’est une phase qui apparaît à une température inférieure à la transformation bainitique isotherme et est formée de plaquettes beaucoup plus fines que celles définies ci-dessus. 3) Martensite : (fig. e) Chapitre I : Aspect thermique et métallurgique du soudage. - 29 - la martensite est un constituant qui est obtenu à partir de l’austénite par un refroidissement très rapide et la réaction ne nécessite aucune diffusion atomique.la martensite fragilise la structure La microstructure de la zone fondue elle dépend de la teneur en carbone en premier lieu et de la cinétique de refroidissement. On peut aboutir dans le cas des aciers à faible taux de carbone à une structure martensitique si le refroidissement est rapide ou de ferrite aciculaire dans d’autres cas, mais à une ferrite régénérée complètement si le refroidissement est lent. Les propriétés mécaniques évoluent en faveur d’une augmentation de la dureté (limite élastique, résistance à la traction) et d’une diminution de la résilience (augmentation de la température de transition) dans la zone de surchauffe s’accompagne d’une fragilité de la zone fondue t due à la ferrite pro-eutectoide. Fig. a - ferrite aux joints Fig. b - ferrite polygonale Fig. e. Martensite Fig. d - Bainite supérieure Fig. c - Bainite inférieure Chapitre II : Techniques de contrôle des soudures. - 30 - 1- Introduction: La majeure partie des discontinuités se produise dans les joints ou dans la ZAT, les soudures comportent des porosités, des inclusions, scories d’impuretés ou des fissures. Parmi ces trois défauts, les fissures sont de loin les plus déterminantes. S’il y a des limites acceptables pour les inclusions et les porosités, les fissures restent inadmissibles. Pour les propos de ce paragraphe, la fissure se distingue d’un autre défaut comme la cassure ; Les soudures casent à cause des contraintes, mauvaise conception du joint, ou fatigue, la fissure en cause ici est due à la solidification, le refroidissement les tensions dues au retrait du joint. Les facteurs de défaillance des assemblages soudés sont de trois ordres différents [21] • Facteur technologique: facteurs associés à l’exécution des soudures. • Facteur métallurgique: facteurs associés à l’altération métallurgique due au soudage. • Facteur mécanique: facteurs associés au dimensionnement des cordons et au tracés des ensembles soudés. 2- Les principaux défauts de soudures: Les défauts les plus importants qui risquent de donner lieu à une reprise du joint ou à mise en cause de la résistance de ces derniers sont: 1) Les inclusions gazeuses: Elles sont causées par la présence de gaz résultant des réactions chimiques dans le métal d’apport et dans les enrobages, par l’humidité des pièces ou des électrodes. Les moyens d’éviter ces défauts sont : • Utilisation d’aciers calmés. • Utilisation d’électrodes soumises à des tests d’agrégation. • Séchage des pièces avant soudage. • Séchage des électrodes à 400°C et conservation à 100°C avant soudage. 2) Les inclusions solides: Ce sont les restes de laitier ou d’autres matières étrangères au joint, disposantes entre les passes ou au croisement de deux ou plusieurs soudures. Pour les éviter, il faut un nettoyage convenable des cordons, et un choix d’électrodes d’un diamètre correspond à l’épaisseur des pièces dessouder. 3) Défauts de fusion ( collage): Elles sont causées par une intensité très faible du courant de soudure ; vitesse très rapide ne permettant pas la fusion du métal. Pour les éviter, il faut faire un choix judicieux de l’intensité du courant et la vitesse d’avancement de l’électrode. 4) Défauts de pénétration: Ils sont dus à une absence de métal à la racine des chanfreins, à cause d’utilisation d’électrode de diamètre trop important, intensité trop faible du courant de soudage, mauvaise préparation des pièces à souder. Pour les éviter, il faut un bon choix de l’intensité du courant de la vitesse d’avancement, et une préparation adaptée aux conditions de soudage. Chapitre II : Techniques de contrôle des soudures. - 31 - 5) Sillons aux caniveaux et morsures en surface: Ce sont, des rainures ou des gorges à la surface des pièces, le long des bords des joints soudés. Ils sont le fait d’une énergie de soudage trop importante ou d’une mauvaise position du fils de l’électrode. Pour les éviter, il faut un choix judicieux de l’énergie de soudage, de la position de l’électrode, et de la température des pièces pendant le soudage. 6) Retassures de cratère: Ce sont des cavités à l’extrémité des cordons, souvent remplies de laitier et pouvant donner lieu à fissuration. Elles sont causes par une solidification rapide du métal après interruption de l’arc. Pour les éviter, il faut un contrôle visuel pendant le soudage, interruption progressive de l’arc en fin d’exécution des cordons. [23] 7) Fissurations: Elles sont définies par la présence de fissures dans le métal fondu ou dans la zone affectée thermiquement (ZAT), Ou dans la zone de liaisons à la jonction de la zone fondue (ZF) et du métal de base, on trouve trois types de fissuration : • Dans le métal de base : l’arrachement lamellaire fig.2.13. • Dans la ZAT : la fissuration à froid surviennent après que le métal est refroidi (aussi appelée fissuration différée) et la fissuration au réchauffage. • Dans la zone fondue : les fissurations à chaud, surviennent aux températures élevées sont relatifs à la solidification. Pour réduire ou écarter le risque de fissuration, le niveau de contraintes résiduelles doit être réduit au minimum en agissant sur les séquences de soudage, le taux d’hydrogène diffusible dans le bain de fusion aussi bas que possible et la durée de refroidissement (∆T 800 - 500) suffisante pour l’obtention d’une structure favorable. 3- Les fissures: 3.1. Fissuration à chaud: C’est une fissure qui se développe quand la soudure se refroidit, elle se situe généralement en plein centre du cordon. Caractérisé par une séparation au milieu du joint, cas des passes uniques, pour les passes multiples ou plusieurs joints sont effectués par bande, la fissure centrale est souvent au milieu de l’ensemble du cordon. fig.2.1, fig.2.2, fig.2.3, fig.2.4. On sait que Toute solidification d’un métal ou d’un alliage s’accompagne d’un retrait; la zone fondue des soudures n’y échappe pas, de telle sorte qu’immédiatement en arrière du bain de fusion le métal qui vient de se solidifier est soumis d’abord à ce retrait à la solidification, puis au retrait d’origine purement thermique qui s’y superpose la compensation de ce retrait par un déplacement du métal de base avoisinant n’est jamais complète (un bridage se produit alors), de telle sorte qu’une déformation plastique à haute température est imposée de proche en proche au métal fondu tant dans le sens transversal que dans le sens longitudinal. La fissuration a chaud affecte les soudures rapides à bain de fusion élancée surtout quand la ductilité à chaud du métal fondu est insuffisante. Les fissures à chaud sont dues à l’association de plusieurs facteurs : • Facteurs métallurgiques (Ségrégation ou hétérogénéité). • Facteurs géométriques et tenso-thermiques (Géométrie du cordon). Chapitre II : Techniques de contrôle des soudures. - 32 - Ces phénomènes sont présents dans le même type de fissure, il est difficile d’identifier la cause, parfois ces phénomènes interagissent. 1) Facteurs métallurgiques (Ségrégation): Elle intervient quand le point de fusion des constituants tels que Phosphore, zinc, cuivre, composés sulfureux, est bas, dans le mélange séparé durant le processus de solidification. Et sont forcés vers le centre du joint, depuis ce sont les derniers a se solidifier et le joint tend à la séparation une fois le métal solidifié rétrécit depuis le centre et peut donner naissance à des fissures. [1]. fig.12 Si l’agent contaminant (entraînant la fissuration) provient du métal de base, la première considération est de limiter le pique du produit coupable, et ce par la limitation de la profondeur de soudage par l’application de courants faibles. La deuxième considération est de déposer un lit de métal d’apport par un soudage à basse énergie avant de souder, ce qui réduit le taux de matière contaminante. Un autre type d’hétérogénéité que l’on peut observer tient au fait qu’au long de son déplacement, le bain de fusion collecte sur ses rives les impuretés ou inclusions diverses que peut composer le métal de base, si ces impuretés sont fusibles et solubles on les retrouvera à l’état ségréguées dans le métal solidifié, comme c’est le cas pour la calamine des aciers, qui peut ainsi provoquer la fissuration du métal fondu. Si elles sont réfractaires elles se collectent dans le bain de fusion puis finissent sur les rives du cordon de soudure, dont elles peuvent modifier la forme par leur effet sur la tension superficielle du métal fondu. [1] fig.2.13 La fissuration longitudinale, aisément visible sur une coupe transversale, toujours détectable par ultrasons, moins systématiquement par radiographie, peut ou non déboucher à la surface des cordons, selon qu’elle prend plus ou moins l ‘allure d’une retassure. La fissuration à chaud ne présente pas de délais d’apparition. 2) Facteurs géométriques et tenso-thermiques: Ce sont des facteurs liés aux conditions d’exécution et aux propriétés des matériaux de mise en œuvre à la fois. Il y aussi d’autres intervenants on peut citer : • La limite d’élasticité du métal d’apport. • Le degré de bridage du joint soudé. • Les contraintes dues à une structure de trompe dans la ZAT. • Le volume du bain de fusion. (cordon de soudure trop petit, fig.2.5. • Ouverture du: chanfreine, exemple : chanfrein inférieur à 60° fig.2.7 et fig.2.8) • La vitesse d’exécution excessive fig.2.5 et fig.2.6, la structure grossière que l’on obtient risque de conduire à une fissuration de la zone fondue si le rapport largeur du bain à la profondeur du bain n’a pas une valeur suffisante. Quand le joint soudé est au-dessus d’une forme qui est plus profonde que la largeur, le grain solidifié s’accroît perpendiculairement à la surface. Pour corriger le défaut, les soudures individuelles doivent avoir une certaine largeur si leur profondeur varie de 1:1 à 1,4 :1 de la largeur en fonction du quotient de profondeur pour réaliser ces conditions. On remarque que pour les joints possédant une profondeur assez importante par rapport à la largeur et quand Chapitre II : Techniques de contrôle des soudures. - 33 - chaque passe est plus large que sa profondeur alors une fissure peut prendre naissance. Il faut donc changer la largeur en fonction de la profondeur, ce ci peut être accompli en utilisant de petits ampérages à gros diamètre, toutes ces approches tendent à réduire la densité du courant et de limiter la pénétration. Du point de vue du profil du joint, pour une soudure dont le profil présente une surface concave, des contraintes dues au retrait interne placent le métal en surface sous des tensions, inversement, si des surfaces convexes sont crées, les forces de retrait interne poussent la surface en compression Les soudures concaves sont le fruit d’un haut voltage, une légère baisse en voltage cause une légère tendance à une forme convexe et d’éliminer les tendances à la fissuration. Les vitesses de passes élevées influent également dans le même sens. Une réduction de la vitesse de passe augmente le sommet du joint et permet le retour vers des profils convexes. Le soudage descendant a tendance à générer ce type de défauts (fissures concaves) par contre le soudage montant peut remédier à cette situation en attribuant plus de convexité. 3.2. Fissures par arrachement lamellaire: Les fissures de ce type sont conséquence d’une fissuration qui se produit parallèlement à la «peau » d’un produit laminé, au droit d’une soudure sollicitant le joint soudé dans la direction de l’épaisseur [1] fig.2.13 La fissure prend naissance par décollement suivant les plans d’inclusions le métal de base, pour des épaisseurs supérieures à 25 mm. Remèdes: Importance d’une bonne conception du joint soudé et le choix d’un acier ayant un minimum d’inclusions 3.3. Fissures à froid: C’est de loin, le défaut le plus redouté dans le soudage des aciers, les fissures à froid peuvent survenir dans la zone fondue ou dans la zone thermiquement affectée ou atteinte. L’apparition des fissures à froid est très souvent différée dans le temps, c’est à dire longtemps après soudage. Même après le refroidissement de la soudure à la température ambiante, un certain temps peut s’écouler avant que la fissuration n’arrive. Il peut s’agir de quelques minutes à plusieurs heures. Dans certains cas extrêmes, on a même observé la formation des fissures de deux jours à plusieurs semaines après le soudage. Les fissures à froid dans la zone fondue peuvent se situer suivant une orientation quelconque par rapport à l’axe de la soudure, sont en général situes parallèlement à la ligne de fusion, c’est surtout lors de la première passe de soudage (passe de fond) que naissent les risques de fissuration et lors de la dernière passe pour les fissures au raccordement. On rencontre les fissures à froid sous plusieurs aspects: [1] • Fissure à la racine • Fissure au raccordement entre deux passes. • Fissure au raccordement • Fissure sous cordon Mais les positions couramment observées sont illustrées aux fig. 2.9, fig.2.10, fig.2.11, fig.2.12. Chapitre II : Techniques de contrôle des soudures. - 34 - 1) Les fissures transversales: C’est le moins souvent rencontré parmi les soudures, il est généralement associé au soudage des métaux durs et alliés. Ce type de fissures peut aussi être assisté par l’hydrogène comme dans la ZAT déjà décrite, c’est aussi du à la microstructure sensible, contraintes résiduelles, la différence c’est que les fissures transversales sont dues aux contraintes résiduelles longitudinales. Une fois le cordon de soudure rétrécis longitudinalement, le métal de base voisinant reste à cette force en se comprimant, la dureté entourant le métal en compression emprisonne (limite) le retrait exigé du métal déposé. A cause des contraintes du métal de base autour, le métal déposé développe des contraintes longitudinales, qui facilitent la fissuration dans la direction transversale. Quand une fissure transversale est rencontrée, on pense a réduire le taux d’hydrogène par la révision des conditions de stockage des produits de soudage, une réduction de la dureté du métal déposé doit pouvoir résoudre le problème des fissures transversales, un préchauffage doit pouvoir alléger l’effet des fissures transversales, le préchauffage assiste l’hydrogène diffusé et rallonge la longueur du joint de soudure, réduit les contraintes appliquées par le retrait et lie le métal déposé au métal de contact. 2) Fissures de la ZAT: Les fissures de la ZAT sont caractérisées par la séparation qui survient immédiatement à la zone adjacente au joint quoi qu’il est relié au processus de soudage, la fissure survient au métal de base et non au produit du soudage. Ce type de fissures connu sous les noms de : fissure sous joint, fissure d’orteil, fissure différée, car ces fissures surviennent après que le métal est refroidit au voisinage de 400°C, on peut les appeler fissures froides, par ce que ces fissures sont associes à l’hydrogène, sont appelées aussi fissures assistées par l’hydrogène. Pour provoquer une fissure dans la ZAT, trois conditions doivent être respectées simultanément : • Un taux d’hydrogène suffisant. • Un taux suffisant de sensibilité du matériel (matériau) utilisé. • Un taux suffisant de tensions résiduelles ou appliquées. Pratiquement on peut contrôler deux conditions, notamment le niveau d’hydrogène et la sensibilité du matériel. L’humidité et les composées organiques sont les sources essentielles de l’hydrogène, ils peuvent être dans l’atmosphère, présents sur l’électrode ou sur les matériaux de l’emballage, le flux protecteur de l’arc, tout dépend des conditions de stockage. Pour limiter la quantité d’hydrogène dans le métal déposé, les consommables doivent être proprement déposées et le soudage doit être pratiqué sur des surfaces propres et sèches. La concentration de l’hydrogène après le soudage immédiatement est élevée, si l’hydrogène entraînant la fissuration doit intervenir, il doit généralement se produire après quelques jours de la fabrication, et prendra de même pour voir les fissures grandir à une taille suffisante pour leur détection. Le taux de diffusion peut être approximé a : • 450°F, l’hydrogène diffuse à un taux de 1 pouce/h. • 220°F, l’hydrogène diffuse à un taux de 1 pouce/ 48 h. • A l’ambiante, l’hydrogène diffuse à un taux de 1 pouce/ 2 semaines. [10] Chapitre II : Techniques de contrôle des soudures. - 35 - Il est possible d’appliquer un traitement post soudage couramment appelé (post-chauffage) qui consiste à chauffer la soudure à 400°F, conserver pendant 1h/pouce d’épaisseur, à cette température, l’hydrogène est convenablement redistribué par une diffusion ce qui permet d’éviter le risque de fissuration. Pour rendre efficace le post-chauffage, il doit être appliqué avant que la soudure soit laissée refroidir à l’ambiante. Les conditions favorables au développement d’une microstructure sensible à la formation des fissures sont les (allures) vitesses de refroidissement et les taux de dur cessibilité (trempabilité) élevées, ces courbes sont favorisées par des températures basses des processus de soudage, les épaisseurs du métal de base, la basse température du métal de base, tandis que le taux de durcissement est du au taux de carbone et/ou les éléments d’addition. La manière effective pour réduire les courbes de refroidissement est de pratiquer un préchauffage ce qui réduit le gradient de température, et diminue le taux de refroidissement et limite la formation des structures sensibles. Les Figures 2.9 et 2.10 montrent quelques fissures à froid typiques et leurs emplacements les plus courants. Les fissures de cratère qui se produisent durant la solidification ont plus tendance à se former dans un cratère allongé, Figure 2.5 où la croissance des grains de solidification se fait à partir de chaque côté du joint de soudure et perpendiculairement à l’axe de la soudure. Ceci crée, au centre là où les grains se rencontrent, un plan sujet au fendillement au moment du retrait du métal. Un petit cratère circulaire avec des lignes de solidification radiales comme indiqué à la Fig.2. 6. [10] Fig.2.1.- Fissure dans une Soudure en T: Chapitre II : Techniques de contrôle des soudures. - 36 - Fig.2.3- Assemblage en aluminium, bout a bout sur bords droits sans préparation Plaque 6.4mm x 75mm x 125mm,voltage trop haut (26 volts- 230 ampères). Fig.2.2.-Fissure dans une Soudure en Vé double Chapitre II : Techniques de contrôle des soudures. - 37 - Fig.2.5.- Forme du cordon lors d’un soudage rapide Fig.2.6.- Forme du cordon lors d’un soudage lent Fig.2.8. - Chanfrein “ouvert” Avec courant de soudage faible Angle supérieur 60° Fig.2.4.- Fissures à chaud ou de solidification Fig.2.7.- Chanfrein trop “fermé” Avec courant de soudage excessif Angle inférieur 600 Chapitre II : Techniques de contrôle des soudures. - 38 - 1- Fissure transversale dans la zone fondue 2-Fissure transversale dans la zone thermiquement affectée 3- Fissure au raccordement 4- Fissure dans la zone fondue 5- Fissure à la racine 6- Fissure sous cordon fig.2.9 – Figure représentant les positions des fissures à froid couramment observées dans les soudures en T: Fig.2.10- Figure représentant les positions des fissures à froid couramment observées dans les soudures bout à bout: 1 2 4 6 3 5 1 2 3 4 5 Chapitre II : Techniques de contrôle des soudures. - 39 - fig.2.11 - Positions des fissures à froid couramment observées dans les soudures en T:[6] Fissure au raccordement Fissure transversale dans la ZF et dans la ZAT Fissure au raccordement apres grenaillage Fissure à la racine Fissure transversale dans la ZF et dans la ZAT après refonte TIG Fissure transversale dans la ZF et dans la ZAT Fissure au raccordement apres sablage Chapitre II : Techniques de contrôle des soudures. - 40 - Fig.2.12.- Positions des fissures à froid couramment observées dans les soudures en T en X (coupe).[3] Fig.2.13 - fissure par arrachement lamellaire dans le metal de base Fig.2.14. Fissures concaves et convexes convexe concave concave convexe Chapitre II : Techniques de contrôle des soudures. - 41 - 4- Contrôle des soudures: Une soudure normalement exécutée doit être au moins plus solide que les pièces de métaux qu’elle unit, elle doit pouvoir résister aux sollicitations auxquelles elle a été calculée dans les conditions de service prévues. Cela suppose qu’elle est exempte de défauts graves, qui rendraient la structure dont elle fait partie, impropre à l’usage pour lequel elle est destinée. Certaines soudures ne peuvent pas être mises en service prévu, car elles comportent des défauts plus au moins graves provenant de leur exécution. Il est donc important de définir ces différents défauts ainsi que leurs principales causes d’apparition et les moyens à mettre en œuvre pour les éviter. Il y a lieu de distinguer entre contrôles à la fabrication et contrôles en service. Les premiers ont pour objet de rejeter ou d’accepter (après éventuelles réparations) les pièces contrôlées. Les seconds visent à s’assurer que la structure reste apte à fonctionner après un certain temps de service. La réalisation d’une telle soudure, demande différentes sortes de contrôles, avant, pendant et après l’opération de soudage: 1) Contrôle avant le soudage: Le contrôle avant le soudage a pour but de prévenir des défauts. Il portera Sur: • La qualité du métal. • La préparation des pièces a soudées. • Les traitements thermiques (post et préchauffage, maintien en température). • Le matériel de soudage (état, puissance, réglage). • La qualification du soudeur. 2) Contrôle au cours du soudage: Le contrôle au cours de soudage a pour but de s‘assurer que les règles d’une bonne exécution du joint sont bien respectées. Il portera sur : • La nature et la dimension du métal d’apport. • Le réglage de l’appareil du soudage. • L’état du joint réalisé. • La disposition des passes nombre et sens de réalisation. • Les déformations. • Le maintien en température. 3) Contrôle après le soudage: Ces contrôles ont un double but, soit la vérification de la soudabilité à partir des essais qui doivent être exécutés dans les mêmes conditions que l’ensemble à réaliser (procédés, matériaux, épaisseurs, paramètres, séquences et main- d’œuvre), soit la vérification de la qualité des joints par un contrôle effectué soit sur la totalité des soudures, soit localement dans les zones les plus propices à l’apparition des défauts ou, si cela est possible par des essais sur pièces témoins placées par exemple à l’extrémité du joint, comme s’il était une partie intégrale de l’ensemble. Il y a deux groupes principaux de méthodes de contrôle : • Contrôle destructif: (essai de texture, essais mécaniques: pliage, résilience). Chapitre II : Techniques de contrôle des soudures. - 42 - • Contrôles non destructifs: (examen visuel, ressuage, rayons X, rayon gamma, courants de faucoult, ultrason) 4.1. Contrôles destructifs: Les principaux essais utilisés sont les essais de texture, les essais mécaniques, les essais de corrosion, les essais macro et micrographiques. 1) Essais de texture: Ce sont des essais simples d’ateliers destinés à vérifier que la soudure est compacte et bien pénétrée, il consiste à rompre l’éprouvette dans la soudure et on examine les défauts apparents sur la section rompue. 2) Essais mécaniques: Ils ont pour but le contrôle des assemblages du point de vue de la résistance et des caractéristiques mécaniques et la vérification que les conditions de soudage mises en œuvre ne mettent pas en cause la résistance globale de l’ensemble. Les différents essais mécaniques sont : la traction, la dureté Vickers, le pliage, la résilience, ces essais sont parfois complétés par des examens macrographiques (fissuration, pénétration) ou micrographiques (structure de la zone fondue, et de la zone affectée par la chaleur). 3) Examens macrographiques et micrographiques: Consistent à examiner une section du joint longitudinalement ou transversalement, après polissage et attaque par un produit chimique. L’examen se fait à l’œil (macro) ou au microscope (micro). Ces essais sont indispensables pour l’étude des phénomènes métallurgiques qui se produisent en cours de soudage. [24] [45] 4.2. Contrôles non destructifs: 4.2.1. Examen visuel: C’est un examen rudimentaire, simple d’atelier et qui a pour but l’observation attentive du joint à l’œil nu ou à l’aide d’une loupe, permet de vérifier que la soudure est compacte, et bien pénétrée, de déceler les criques débouchant en surface, les manques ou les excès de métal d’apport, le manque de pénétration, les caniveaux, les morsures et la forme du cordon. Ce contrôle porte souvent de fruits, malgré qu’il se limite aux défauts apparents relatifs à la structure et aux fissures apparentes. 4.2.2. Contrôles par ressuage: L’examen par ressuage a pour but de rechercher les fissures débouchant en surface, par application sur la surface à contrôler d’un liquide d’une composition spéciale en spray, capable de s’infiltrer dans crevasses et fissures, laissé pendant un temps de 1 à 30 min. selon le cas, généralement les temps est longs sont pour localiser les petites fissures, la prolongation du temps de pénétration n’affecte pas le résultat. Après enlèvement du liquide en excès par nettoyage, On dépose une poudre absorbante détectrice qui agit comme un buvard; le développeur faisant apparaître le liquide pénétrant précédemment absorbé par les défauts et permet ainsi de déceler, par mouillage, la présence et la forme des défauts par une indication rouge et profonde. fig.2.15. (a-b-c-d). [43]. Chapitre II : Techniques de contrôle des soudures. - 43 - Il faut remarquer que avant d’appliquer le produit pénétrant, on doit s’assurer que les surfaces a contrôler sont exempt de produits étrangers; graisses, peintures, huiles, …etc. on procède Alors a un nettoyage par application des solvants qu’on leur donne assez de temps pour dissoudre tout dépôt et impuretés et qu’on essuie après à l’aide d’un chiffon sec et propre, on laisse sécher a l’air pour que le produit de nettoyage puisse sécher. Il faut que le nettoyage soit pratiqué au même jour que l’inspection. La couche du développeur déposé ne doit être ni épaisse masquant les indications, ni fine non révélatrice. Le ressuage est efficace sur les défauts et fissures de taille suffisamment faible pour que le liquide pénétrant ne soit pas enlevé lors du nettoyage superficiel précédent l’application du liquide développeur. Il est destinée aux métaux tels que l’aluminium, magnésium, cuivre, laiton, fonte, acier carbures, stellites, plastiques et céramiques. Applications: Pour le contrôle des fissures débouchant en surface, fissures dues aux retassures de cratères, recouvrement, éclat de forge ou fermeture froide apparaissent toutes comme des encorchures rouges par contre les porosités, retraits, manque de lien, apparaissent comme des points colorés. On peut accroître la sensibilité de la méthode en utilisant un liquide pénétrant fluorescent et une poudre non fluorescente de 2 à 10 microns de dimension, on examine alors le ressuage avec une lampe de WOOD, de 75à 100 watts, fournissant une lumière ultra- violette ou violette.[40]. Fig.2.15.a. application du pénétrant Fig. 2.15.c ap