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Comprendre la zone de chaleur affectée par le soudage : guide complet

La zone affectée par la chaleur (HAZ) représente l'un des aspects les plus critiques de la métallurgie du soudage et joue un rôle fondamental dans la détermination de la qualité, de l'intégrité et des performances à long terme des structures soudées. Dans le soudage par fusion, la zone affectée par la chaleur (HAZ) est le domaine du matériau de base, soit un métal, soit un thermoplastique, qui n'est pas fondu mais a eu ses microstructures et propriétés modifiées par des opérations de soudage ou de coupe intensive par chaleur.

La ZAZ peut affecter les propriétés mécaniques du métal, telles que sa dureté, sa ténacité et sa sensibilité aux fissures.Ces changements de propriétés se produisent parce que la chaleur du processus de soudage et du refroidissement subséquent provoque ce changement de l'interface de soudure à la fin de la température sensibilisante dans le métal de base. L'étendue et la gravité de ces changements dépendent de plusieurs facteurs, dont la composition du matériau, les paramètres du processus de soudage, l'entrée de chaleur et les vitesses de refroidissement.

Qu'est-ce que la zone affectée par la chaleur?

La zone affectée par la chaleur est la région de métal de base adjacente à la soudure qui subit des cycles thermiques pendant le soudage sans fusion. La ZAZ se réfère à la partie du matériau de base adjacent à la soudure qui a connu des cycles thermiques (chauffage et refroidissement) assez intenses pour modifier sa microstructure, mais pas assez pour la fondre. Bien que la piscine de soudure elle-même forme la zone de fusion où le métal fond et se solidifie effectivement, la ZAZ entoure cette zone et se caractérise par divers gradients de température, chacun affectant le matériau différemment.

La ZAZ est distincte de la zone de fusion (métal de soudure) et du métal de base non affecté. Bien que la piscine de soudure forme elle-même la zone de fusion (FZ), la ZAZ entoure cette zone et est divisée en différents gradients de température, chacun affectant le matériau différemment. La largeur et les caractéristiques de la ZAZ varient considérablement selon le processus de soudage utilisé, avec des processus comme le soudage au laser et le soudage au faisceau d'électrons donnent une quantité de chaleur très concentrée et limitée, ce qui donne une petite ZAZ, tandis que les procédés comme le soudage à l'oxycarburant utilisent une forte entrée de chaleur et augmentent la taille de la ZAZ.

Pourquoi la HAZ compte dans le soudage

Ces changements de propriétés sont généralement indésirables et servent finalement comme partie la plus faible du composant. Par exemple, les changements microstructuraux peuvent conduire à des contraintes résiduelles, une résistance réduite au matériau, une fragilité accrue et une résistance réduite à la corrosion et/ou aux fissures. Dans de nombreuses applications critiques, de nombreuses défaillances se produisent dans la ZAZ.

Dans de nombreux matériaux, notamment les aciers au carbone, les aciers inoxydables et les aciers alliés, la ZAZ est un facteur essentiel de la performance de soudure. L'histoire thermique de la ZAZ pendant le soudage peut entraîner divers effets néfastes, dont une dureté excessive, la fragilité, la croissance des grains et la possibilité de fissure si elle n'est pas gérée avec soin.

Zones microstructurales à l'intérieur de la ZAZ

La ZAZ n'est pas une région uniforme mais se compose de plusieurs sous-zones distinctes, chacune caractérisée par des températures de pointe différentes et des microstructures résultantes. La ZAZ peut être divisée en trois sous-zones clés : Zone d'effet de chaleur des grains grossiers (ZGHAZ) : Plus près de la zone de fusion, la ZGHAZ subit les températures les plus élevées juste au-dessous du point de fusion du matériau de base.

Zone accidentée de chaleur céréalière (CGHAZ)

La zone affectée par la chaleur des grains grossiers représente la région immédiatement adjacente à la ligne de fusion et connaît l'exposition thermique la plus grave. Cette zone est chauffée à des températures bien au-dessus de la température de transformation de l'austénite (Ac3) mais au-dessous du point de fusion. Cette zone adjacente à la ligne de fusion connaît des températures bien au-dessus de la température de transformation de l'ac3.

La CGHAZ présente généralement les caractéristiques les plus problématiques dans la ZAZ. La zone à grains grossiers (CGHAZ) présente la dureté la plus élevée de la ZAZ et les valeurs de ténacité généralement faibles sont attendues. Dans les aciers au carbone et à faible teneur en alliage, les grains d'austénite grossiers qui se forment à des températures élevées se transforment en martensite grossière, en baïnite ou en autres produits de transformation selon le taux de refroidissement et la composition de l'alliage.

Zone affectée par la chaleur des grains fins (FGHAZ)

Zone affectée par la chaleur des grains fins (FGHAZ): Au moment où vous vous éloignez de la zone de fusion, le métal subit des températures plus basses, ce qui conduit à des structures de grains plus fines. Les grains plus fins améliorent la ténacité et la ductilité par rapport à la zone de grains grossiers.

Les températures de pointe inférieures d'environ 1100 °C, juste au-dessus de l'ac3, entraînent un développement inadéquat de l'austénite, suite à la transformation α/γ pendant le chauffage, produisant de petits grains austénitiques (FGHAZ). De plus, la température de pointe peut ne pas être suffisamment élevée pour dissoudre complètement les précipités, limitant la croissance du grain en épinglant les limites du grain de l'austénite.

HAZ intercritique et sous-critique

La zone intercritique est chauffée à des températures entre les températures de transformation Ac1 et Ac3, ce qui entraîne une transformation partielle de la microstructure. Les températures maximales comprises entre les températures de transformation Ac1 et Ac3 entraînent une transformation partielle de α en γ sur le chauffage. Alors que les nouveaux grains d'austénite se nucléent à des positions privilégiées, comme les limites de grains d'austénite ou les limites de la lame martensite, la microstructure martensitique non transformée est simplement tempérée pour une seconde fois par ce cycle thermique de soudure.

La ZAZ intercritique présente une petite taille de grain et présente les valeurs de dureté les plus faibles dans les soudures. La zone sous-critique connaît des températures inférieures à l'Ac1, où aucune transformation de phase n'est effectuée, mais la tempérance de la microstructure existante peut avoir lieu. Ces zones peuvent être particulièrement importantes dans le soudage multi-pass où la soudure subséquente passe réchauffer les soudures déposées antérieurement et leurs ZAZ.

Facteurs influant sur les propriétés de la zone affectée par la chaleur

La compréhension de ces facteurs est essentielle pour contrôler la qualité des soudures et prédire le comportement des matériaux. L'étendue et l'ampleur du changement de propriété dépendent principalement du matériau de base, du métal de remplissage des soudures, ainsi que de la quantité et de la concentration de chaleur absorbée par le procédé de soudage.

Entrée de chaleur

L'entrée de chaleur est sans doute le paramètre le plus critique qui affecte les caractéristiques de la ZAZ. L'entrée de chaleur : Il s'agit d'un facteur critique qui influe sur la taille et les propriétés de la ZAZ. L'entrée de chaleur est déterminée par le processus de soudage, le courant, la tension et la vitesse de déplacement.

En outre, l'augmentation de l'apport thermique entraîne généralement des taux de refroidissement plus lents, ce qui peut entraîner une croissance excessive des grains et la formation de microstructures indésirables. Le temps de refroidissement de l'apport thermique augmente en raison de l'apport thermique important, ce qui entraîne un grossissement des grains d'austénite et une baisse marquée de la ténacité.

Inversement, une faible apport de chaleur produit une ZAZ plus petite, mais peut entraîner des vitesses de refroidissement plus rapides qui peuvent conduire à la formation de phases durs et fragiles telles que la martensite dans les aciers durs. Le défi de la soudure est d'équilibrer l'apport de chaleur pour obtenir une fusion et une pénétration adéquates tout en minimisant les effets nocifs de la ZAZ.

Taux de refroidissement

Le refroidissement rapide dans les aciers peut conduire à la formation de martensite, une phase dure mais fragile, rendant l'articulation de soudure plus sujette à la fissuration. Refroidissement contrôlé, comme le traitement thermique post-soudage (PWHT), peut soulager les contraintes résiduelles et les structures martensitiques de temperature, améliorant la ténacité.

Le taux de refroidissement est influencé par plusieurs facteurs, dont l'apport de chaleur, l'épaisseur du matériau, la température de préchauffage et la température de l'interpass. Le cycle de température pendant le soudage est exprimé par le temps t8/5, qui est le temps où se produit un refroidissement de la couche de soudage de 800°C à 500°C. Ce paramètre de temps de refroidissement est particulièrement important pour les aciers car il détermine les produits de transformation qui se forment pendant le refroidissement.

Si une valeur de dureté maximale donnée n'est pas dépassée pour un acier donné, les paramètres de soudage doivent être choisis de telle manière que le temps de refroidissement t8/5 ne tombe pas sous une valeur particulière. Toutefois, un refroidissement excessivement lent peut également être préjudiciable, car l'augmentation des temps de refroidissement entraîne une diminution de la ténacité de la ZHA, ce qui signifie une diminution des valeurs d'impact mesurées dans l'essai Charpy-V ou une augmentation de la température de transition de l'énergie Charpy-V-impact.

Composition des matériaux et propriétés thermiques

La composition du matériau de base affecte de façon significative les caractéristiques de la ZAZ par son influence sur le comportement de transformation, la dureté et la tendance à la croissance du grain. Différents matériaux réagissent très différemment aux cycles thermiques de soudage.

La diffusion thermique joue un rôle particulièrement important dans la détermination de la taille des ZAZ. La diffusion thermique du matériau de base joue un rôle important : si la diffusion est élevée, le taux de refroidissement du matériau est élevé et la ZAZ est relativement petite. Une faible diffusion entraîne un refroidissement plus lent et une ZAZ plus grande. Les matériaux à haute conductivité thermique, comme les alliages d'aluminium et de cuivre, ont tendance à avoir des ZAZ plus petits parce que la chaleur est rapidement conduite loin de la zone de soudure.

La teneur en carbone et les éléments d'alliage affectent de façon significative la dureté des aciers et donc les microstructures qui se forment dans la ZAZ. La teneur en carbone et en alliages augmente généralement la dureté, ce qui rend la formation de martensite dure et fragile plus probable lors d'un refroidissement rapide.

Sélection du processus de soudage

Différents procédés de soudage fournissent de la chaleur à la pièce de différentes façons, ce qui entraîne des caractéristiques différentes de la ZAZ. La soudure à l'arc se situe entre ces deux extrêmes, les processus individuels variant quelque peu en apport de chaleur.

Les procédés classiques de soudage à l'arc tels que GMAW (MIG), GTAW (TIG) et SMAW (stick) produisent des tailles de ZAZ intermédiaires. Le soudage à l'oxygène, avec sa source de chaleur diffuse et son apport de chaleur total élevé, produit les plus grands ZAZ. Le choix du procédé de soudage devrait tenir compte des caractéristiques de ZAZ requises ainsi que d'autres facteurs tels que l'épaisseur du matériau, la configuration des joints et les exigences de production.

Calcul de l'apport de chaleur dans le soudage

Le calcul précis de l'apport thermique est fondamental pour prédire et contrôler les propriétés de la ZAZ. L'apport thermique quantifie la quantité d'énergie thermique fournie à la pièce par unité de longueur de soudure et sert de paramètre clé dans les spécifications et la qualification de la procédure de soudage.

Formule standard d'entrée de chaleur

Pour les procédés de soudage à l'arc, la formule suivante est utilisée : Q = (V × I × 60) / (S × 1000) × Efficacité où Q = entrée de chaleur (kJ/mm), V = tension (V), I = courant (A) et S = vitesse de soudage (mm/min). Cette formule est largement utilisée dans les codes et les normes de soudage, y compris la section IX de l'ASME et le système AWS D1.1.

La formule tient compte de l'énergie électrique fournie par l'arc (tension multipliée par courant) et du temps que l'énergie est appliquée à n'importe quel endroit le long de la soudure (inversement proportionnelle à la vitesse de déplacement). Le facteur de 60 convertit de secondes en minutes, et divise par 1000 convertit de joules en kilojoules. Le facteur d'efficacité explique le fait que toute l'énergie électrique n'est pas transférée à la pièce de travail – certains sont perdus par rayonnement, éclaboussures et autres mécanismes.

Le système européen de calcul de l'apport calorifique diffère du système américain par le paramètre supplémentaire « efficacité thermique/efficacité du procédé/efficacité de l'arc » (BS 5135). Il est à noter que dans la norme antérieure, l'apport calorifique a été appelé « énergie ac » et n'incluait pas nécessairement l'efficacité du procédé.

Exemples de calcul de l'entrée de chaleur

Considérez une opération de soudage GMAW avec les paramètres suivants: tension = 28V, courant = 250A, vitesse de déplacement = 300 mm/min, efficacité de l'arc = 0,80.

Q = (28 × 250 × 60) / (300 × 1000) × 0,80 = 1,12 kJ/mm

Cette valeur d'entrée de chaleur serait spécifiée dans la spécification de la procédure de soudage (WPS) et doit être maintenue dans des gammes qualifiées pendant le soudage de production. Pour de nombreux aciers de construction, les gammes d'entrée de chaleur typiques peuvent être de 0,5 à 2,5 kJ/mm, bien que les exigences spécifiques varient selon la qualité du matériau, l'épaisseur et les exigences d'application.

Pour l'entrée de chaleur minimale, nous prenons le courant et la tension du côté inférieur comme facteur de multiplication, et la vitesse de déplacement du côté supérieur comme facteur de dividende. Ainsi, l'entrée de chaleur minimale (J/min) = (140 × 16 × 60)/110 = 1221,8 J/min ou 1,22 kJ/mm. Attendu que, l'entrée de chaleur maximale (J/min) = (190 × 18 × 60)/80 = 2565 J/min ou 2,57 kJ/mm.

Contrôle de l'entrée de chaleur

Pour contrôler l'apport de chaleur de soudage, il est essentiel de maintenir la valeur du courant et de la tension sur le côté inférieur, alors que la vitesse de déplacement doit être maintenue élevée. Cependant, ces paramètres ne peuvent être ajustés arbitrairement – ils doivent être équilibrés pour obtenir un profil de fusion, de pénétration et de perle approprié.

Le soudage doit être effectué par des billes de cordons car elles aident à maintenir la vitesse de déplacement plus rapide. Le tissage réduit la vitesse de déplacement du soudage et augmente donc l'apport de chaleur de soudage. De plus, l'utilisation d'une tige de diamètre inférieur comme ils ont besoin d'un ampère de soudage plus faible afin qu'il réduise indirectement l'apport de chaleur de soudage peut être une stratégie efficace lorsque l'apport de chaleur est moindre.

Modélisation thermique et prévision de la taille de la ZAZ

Au-delà des calculs simples de l'apport calorifique, des modèles thermiques plus sophistiqués peuvent prédire la distribution de température, les vitesses de refroidissement et les dimensions de la ZAZ.

Équation de Rosenthal pour le soudage

L'équation de Rosenthal représente une approche analytique classique pour prédire les champs de température dans le soudage. Rosenthal a proposé une méthode analytique pour estimer les caractéristiques thermiques des matériaux pendant le soudage par fusion en mode conduction. Par conséquent, cette équation peut être utilisée dans les processus de soudage au laser en cours de soudage par mode conduction et non dans le trou clé, afin de comprendre le comportement des matériaux en fonction de la température pendant le soudage. L'équation de Rosenthal est une méthode simple pour prédire le comportement thermique des matériaux, ce qui le rend applicable à divers processus de fabrication de sorte que des paramètres dépendants du temps comme le gradient de température, le taux de refroidissement et le taux de solidification peuvent être calculés à l'aide de cette équation.

La solution Rosenthal fournit une première approximation de l'histoire thermique et peut être particulièrement utile pour des estimations rapides. Peut-être la solution analytique la plus référencée pour le champ de température dans une partie soumise à une source de chaleur mobile (avec vitesse et flux constants) à la limite est celle fournie par Rosenthal. Cette solution maintenant-classique à l'équation de chaleur aide à prédire les taux de refroidissement et la profondeur de pénétration de la ZAZ pour des applications telles que le soudage à l'arc.

Cependant, l'équation de Rosenthal repose sur plusieurs hypothèses simplifiantes, notamment les propriétés constantes du matériau, l'absence de pertes de chaleur dues à la convection ou au rayonnement, et une source de chaleur ponctuelle ou linéaire. Certaines hypothèses doivent être réalisées lors de l'utilisation de l'équation de Rosenthal afin que cette solution analytique soit applicable au procédé de soudage; néanmoins, cela soulèvera des préoccupations quant à la précision des résultats obtenus à partir de cette équation.

Analyse des éléments finis

L'analyse des éléments finis (AFE) permet d'éliminer les propriétés non constantes des matériaux et d'utiliser des sources de chaleur non axisymmétriques et tridimensionnelles, comme les distributions ellipsoïdales et doubles ellipsoïdales. La distribution de chaleur double ellipsoïdale présentée par John Goldak est conçue pour être flexible, pour être utilisée pour analyser les soudures profondes ou peu profondes et la géométrie asymétrique. Le modèle Goldak a été démontré comme étant bien en accord avec les résultats expérimentaux sur la soudure en arc submergée en section épaisse (SAW) sur des tôles d'acier, la soudure en faisceau d'électrons de pénétration partielle (EBW) sur des tôles d'acier et la soudure en arc en tungstène gazeux (GTAW) sur des tôles d'acier inoxydable minces austénitiques.

Les modèles FEA peuvent intégrer des propriétés de matériaux dépendants de la température, des géométries complexes de source de chaleur, des pertes de chaleur de convection et de rayonnement et des effets de transformation de phase. Cependant, FEA nécessite beaucoup plus de ressources et d'expertises informatiques par rapport aux méthodes analytiques.

Estimation de la largeur de la ZAZ empirique

Pour des applications pratiques, les formules empiriques peuvent fournir des estimations rapides des dimensions de la ZAZ en fonction de l'entrée de chaleur et des propriétés du matériau. La largeur de la ZAZ (y) peut être obtenue à l'aide de l'équation suivante : Tp = Température maximale/ oC à = Température de la plaque/ oC. Tm = Température de fusion du métal de base/ oC. To = Température initiale/ oC du métal de base.

Bien que les modèles thermiques soient moins précis que les modèles thermiques détaillés, les formules empiriques fournissent des premières approximations utiles pour la planification des processus et peuvent aider à déterminer si une analyse plus détaillée est justifiée.

Prévoir la microstructure et les propriétés de la ZAZ

Comprendre les cycles thermiques de la ZAZ n'est qu'une première étape : la prédiction des microstructures et des propriétés mécaniques qui en résultent nécessite une analyse supplémentaire basée sur le comportement de transformation des matériaux.

Diagrammes de la transformation continue du refroidissement (CCT)

Les diagrammes CCT montrent quels produits de transformation (ferrite, perlite, bainite, martensite) se forment à différents taux de refroidissement pour une composition d'acier spécifique. En calculant le taux de refroidissement à partir de modèles thermiques et en le comparant au diagramme CCT, les ingénieurs peuvent prédire la microstructure HAZ.

Le temps de refroidissement (t8/5) est le temps de refroidissement de 800 à 500 °C, qui décidera enfin des produits de transition de phase dans la ZAZ. Différents taux de refroidissement dans cette gamme produiront différentes microstructures aux propriétés très différentes. Le refroidissement rapide favorise la formation de martensites, le refroidissement intermédiaire produit de la baïnite et le refroidissement lent donne des résultats en ferrite et en perlite.

Prédiction de dureté

La dureté est l'une des propriétés HAZ les plus fréquemment mesurées et peut être prédite en fonction de la microstructure et de la composition. La dureté maximale dans la zone affectée par la chaleur (HAZ) est souvent considérée comme un signe de la qualité de fabrication de l'articulation de soudure et est donc souvent mesurée lors de l'approbation des procédés de soudage et de l'essai de soudage. Les limites supérieures de dureté HAZ sont déterminées dans les normes de soudage telles que DIN EN ISO 15614-1. Physiquement, la dureté maximale dépend de la vitesse de refroidissement dans la zone à grains grossiers de la HAZ. Plus la vitesse de refroidissement est élevée, plus la dureté de la HAZ en résulte.

Pour les aciers au carbone et à faible teneur en alliage, les formules empiriques peuvent estimer la dureté maximale de la ZAZ en fonction de l'équivalent carbone et du taux de refroidissement.Ces prévisions aident à déterminer si un traitement thermique préchauffé ou post-soudage est nécessaire pour éviter une dureté excessive qui pourrait entraîner des fissures ou des fractures fragiles.

Considérations de dureté

La ténacité, ou résistance à la rupture fragile, est souvent la propriété la plus critique de la ZAZ pour les applications structurelles. Dans certains cas, toutes les régions de la zone affectée par la chaleur (grain grossier, grain raffiné, intercritique et subcritique) sont fragilisées à un certain degré par rapport au matériau parent. Toutefois, si la ténacité de la matière mère est relativement faible, la zone affectée par la chaleur peut avoir de meilleures propriétés, en particulier dans la région affectée par la chaleur.

La THA des grains grossiers présente généralement la plus faible ténacité en raison de la grosseur des grains grossiers et des produits de transformation potentiellement cassants. Avec l'apport thermique augmenté de 50 à 100 kJ/cm, la ténacité de la THA diminue rapidement, tandis que la micro ténacité mesurée diminue régulièrement. La taille des grains est augmentée de 52 à 132 μm, et la largeur de la lame de la Bainite augmente de 0,4 à 2 μm.

Stratégies de contrôle des propriétés de la ZAZ

Le contrôle des caractéristiques de la ZAZ nécessite une approche globale qui implique une sélection adéquate des matériaux, des paramètres de soudage optimisés et des traitements thermiques appropriés.

Préchauffage

Préchauffer le matériau de base avant le soudage contribue à réduire le taux de refroidissement, minimisant le risque de durcissement et de fissuration de la ZAZ, en particulier dans les aciers au carbone. Les températures de préchauffage dépendent du matériau, mais peuvent varier de 150°C à 300°C. Le préchauffage est particulièrement important pour les sections épaisses, les aciers à haute teneur en carbone ou en haute teneur en alliage et pour le soudage dans des environnements froids.

Le préchauffage est très utile pour éviter les phénomènes de fissuration à froid car il décélère le refroidissement de la HAZ et permet à l'hydrogène induit lors du soudage de s'échapper. De plus, le préchauffage améliore les contraintes induites par le soudage. La température de préchauffage requise peut être calculée en fonction de l'équivalent carbone, de l'épaisseur du matériau et de la teneur en hydrogène à l'aide de diverses formules empiriques ou de codes de soudage.

La température de préchauffage doit être maintenue non seulement avant le début du soudage, mais aussi pendant le soudage (par mesure de température d'interpass) pour assurer des vitesses de refroidissement constantes dans toute la soudure.

Traitement thermique post-soudage (TPP)

PWHT est un procédé thermique appliqué après soudage pour soulager les contraintes résiduelles et améliorer la ténacité dans la ZAZ. Dans les aciers, PWHT réduit la dureté de la martensite et améliore la ductilité. Le processus consiste généralement à chauffer l'ensemble soudé à une température juste en dessous de la plage de transformation et à le maintenir pendant un temps déterminé.

Pour les aciers au carbone et à faible teneur en alliage, le PWHT est généralement effectué à des températures comprises entre 550 et 650 °C, avec des temps de rétention basés sur l'épaisseur du matériau (généralement 1 heure par pouce d'épaisseur). Les taux de chauffage et de refroidissement doivent être contrôlés pour éviter les chocs thermiques et la production de contraintes supplémentaires.

De nombreux codes de cuves sous pression et de tuyauteries exigent un TPH pour certains matériaux, épaisseurs et conditions de service. Même si le TPH n'est pas exigé par le code, le TPH peut améliorer considérablement les propriétés de la ZHA et la qualité globale des soudures, en particulier pour les applications critiques.

Paramètres de soudage optimisés

La sélection et le contrôle minutieux des paramètres de soudage représentent la méthode la plus directe pour contrôler les caractéristiques de la ZAZ. Le contrôle de l'apport thermique est l'un des moyens les plus efficaces pour minimiser la ZAZ. Cependant, l'apport thermique doit être équilibré – trop faible peut causer un manque de fusion ou une dureté excessive, tandis que trop élevé produit une croissance excessive des grains et un assouplissement.

Pour de nombreux aciers de construction, maintenir l'apport de chaleur dans une plage spécifiée (souvent 0,5 à 2,5 kJ/mm) fournit le meilleur équilibre des propriétés. Le soudage multi-pass avec un apport de chaleur plus faible par passage peut être préférable à un seul passage le soudage à haute entrée de chaleur, car les passages suivants peuvent affiner la ZAZ des passages précédents par cycle thermique.

Pour contrôler l'apport de chaleur de soudage, il est essentiel de maintenir la valeur du courant et de la tension sur le côté inférieur, tandis que la vitesse de déplacement doit être maintenue élevée. Cependant, la vitesse de déplacement doit être suffisante pour maintenir une stabilité d'arc et un profil de perle adéquat.

Sélection et soudabilité des matériaux

La sélection des matériaux a des répercussions importantes sur les caractéristiques et la soudabilité de la ZAZ.Les aciers modernes à faible alliage à haute résistance (HSLA) sont conçus avec une chimie contrôlée pour minimiser les problèmes de ZAZ. Ces aciers ont généralement une faible teneur en carbone (souvent inférieure à 0,10 %) pour réduire la dureté et améliorer la soudabilité, avec une résistance obtenue par microalliage et un laminage contrôlé plutôt que par une forte teneur en carbone.

Les formules d'équivalent carbone constituent un outil utile pour évaluer la soudabilité et prédire la dureté et la sensibilité à la fissuration de la ZAZ. Il existe diverses formules d'équivalent carbone, la plus courante étant la formule IIW (Institut international de soudage) et la formule Pcm.

Pour les applications critiques, le choix des matériaux devrait tenir compte non seulement des propriétés des métaux communs, mais aussi des caractéristiques attendues de la ZAZ. Certains matériaux présentant d'excellentes propriétés des métaux communs peuvent développer des ZAZ problématiques qui limitent leur utilité dans la construction soudée.

Pratiques à faible teneur en hydrogène

L'utilisation d'électrodes à faible hydrogène (comme E7018 pour le soudage par bâton) ou de gaz de blindage correctement contrôlés réduit la teneur en hydrogène dans la soudure, minimisant ainsi le risque de fissuration induite par l'hydrogène dans la ZAZ.

Les pratiques à faible teneur en hydrogène comprennent le stockage et la manipulation appropriés des consommables, l'utilisation de procédés de soudage à faible teneur en hydrogène, l'élimination de la contamination par l'humidité et la possibilité de laisser suffisamment de temps à l'hydrogène pour se disperser avant que la soudure ne refroidisse à la température ambiante.

Caractérisation et essais de la ZAZ

Une caractérisation adéquate des propriétés de la ZAZ est essentielle pour la qualification des procédés de soudage, le contrôle de la qualité et l'analyse des défaillances.

Essai de dureté

Les études de dureté à travers la soudure, la HAZ et le métal de base fournissent des informations précieuses sur les changements microstructuraux et peuvent identifier des régions de dureté excessive qui peuvent être sensibles à la fissuration.

Les tests de microdurcissance Vickers ou Knoop sont généralement utilisés pour la caractérisation de la ZAZ, avec des mesures effectuées à intervalles réguliers (souvent entre 0,5 et 1,0 mm d'espacement) dans les différentes zones de la ZAZ. Les profils de dureté peuvent révéler l'étendue de la ZAZ, identifier les régions les plus difficiles et vérifier que les limites maximales de dureté ne sont pas dépassées.

De nombreux codes de soudage précisent des valeurs maximales admissibles de dureté de la ZAZ. Par exemple, les applications offshore et submarine limitent souvent la dureté de la ZAZ à 350 HV10 ou moins pour assurer une ténacité et une résistance adéquates aux fissures de contrainte de sulfure.

Essai de résistance à l'impact

Pour les essais de la ZAZ, l'entaille est soigneusement placée dans des régions spécifiques de la ZAZ (généralement la ZAZ à grains grossiers) pour évaluer la ténacité la plus défavorable, ce qui nécessite un examen métallographique minutieux pour identifier les emplacements de la ZAZ avant l'usinage des échantillons.

Les essais de choc sont généralement effectués à la température minimale de conception ou à une température inférieure pour assurer une ténacité adéquate dans les conditions de service. De nombreux codes exigent des valeurs minimales d'énergie de choc (souvent 27 Joules ou plus) à des températures d'essai spécifiées.

La relation entre l'apport de chaleur et la ténacité de la ZAZ est bien établie. Avec l'apport de chaleur est passé de 50 à 100 kJ/cm, la ténacité de la ZAZ diminue rapidement, tandis que la microhardité mesurée diminue régulièrement. La taille des grains est augmentée de 52 à 132 μm, et la largeur de la lanterne de la baïnite augmente de 0,4 à 2 μm. La fraction de la lanterne de la baïnite (LB) diminue, tandis que la fraction de la région de la baïnite granulaire (GB) augmente.

Examen métallographique

L'examen métallographique permet une observation directe des microstructures HAZ et est essentiel pour comprendre la relation entre les paramètres de soudage et les propriétés qui en résultent. Les sections transversales à travers la soudure sont préparées par la coupe, le montage, le broyage, le polissage et la gravure pour révéler la microstructure.

La microscopie optique permet d'identifier les différentes zones HAZ, de mesurer la taille du grain et de caractériser la microstructure générale. La microstructure de la zone affectée par la chaleur dépend de la température maximale atteinte et de la durée de la période passée dans la plage de température comprise entre 800oC et 500oC. Les constituants de la microstructure de la zone affectée par la chaleur peuvent varier d'une zone mince de martensite à une zone de narite grossière.

La mesure de la taille des grains dans la ZAZ est particulièrement importante car elle influe fortement sur les propriétés mécaniques. La taille des grains grossiers est généralement corrélée avec une résistance réduite et une sensibilité accrue aux fissures.

Considérations particulières concernant différents matériaux

Différents systèmes matériels présentent des caractéristiques uniques de la ZAZ et nécessitent des approches spécifiques pour le contrôle et l'optimisation.

Aciers au carbone et à faible teneur en alliage

Les aciers au carbone et à faible alliage sont les matériaux les plus soudés et leur comportement HAZ est bien compris. Les principales préoccupations sont la dureté excessive de la formation de martensites et la fissuration induite par l'hydrogène. Les processus à faible taux d'entrée de chaleur qui donnent des taux de refroidissement relativement élevés génèrent une zone affectée par la chaleur à grain plus fin et moins d'embrasement en acier à faible teneur en carbone.

Pour les aciers à faible teneur en carbone (moins de 0,15% C), les problèmes de THA sont généralement minimes et le soudage peut souvent être effectué sans préchauffage ou PWHT. Les aciers à carbone moyen (0,15,0% C) nécessitent un contrôle plus rigoureux des vitesses de refroidissement par préchauffage et peuvent nécessiter PWHT. Les aciers à haute teneur en carbone (plus de 0,30% C) sont difficiles à souder et nécessitent presque toujours une préchauffage et PWHT pour éviter les fissures.

Les aciers à faible teneur en alliage contenant du chrome, du molybdène et d'autres éléments d'alliage présentent une plus grande dureté et nécessitent un contrôle attentif de l'apport de chaleur et des vitesses de refroidissement.

Aciers inoxydables

Les aciers inoxydables présentent des défis uniques en matière de HAZ selon leur classe microstructurale. Les aciers inoxydables austenitiques ont généralement une bonne soudabilité mais peuvent souffrir de sensibilisation dans la HAZ. Dans l'état soudé, de nombreux aciers inoxydables sont sensibles à la corrosion intergranulaire rapide ou à la corrosion sous contrainte.

La sensibilisation se produit lorsque les carbures de chrome précipitent aux limites des grains dans la ZAZ, détruisant les régions adjacentes du chrome et les rendant sensibles à la corrosion intergranulaire. Ceci peut être évité en utilisant des nuances à faible teneur en carbone (grades L à moins de 0,03% C), des nuances stabilisées contenant du titane ou du niobium, ou par recuit de solution après soudage.

Les aciers inoxydables martensitiques se comportent de la même façon que les aciers au carbone durs et nécessitent une préchauffe et une PWHT. Les aciers inoxydables duplex nécessitent un contrôle minutieux de l'apport thermique pour maintenir l'équilibre approprié des phases ferrite et austénite dans la ZHA.

Alliages d'aluminium

Les alliages d'aluminium présentent différents défis HAZ par rapport aux aciers. Dans les alliages d'aluminium traités thermiquement, comme 6061, la HAZ peut connaître une dissolution précipitée, ce qui entraîne un adoucissement. La résistance de l'alliage d'aluminium est significativement réduite dans la HAZ par rapport à la matière mère.

Pour les alliages d'aluminium durcis par précipitation (2xxx, 6xxx, 7xxx série), la ZAZ subit une suralimentation ou une dissolution des précipités de renforcement, ce qui entraîne une zone douce avec une résistance significativement réduite. Cet adoucissement ne peut être facilement corrigé et doit être pris en compte dans la conception.

Alliages d'aluminium non traités à la chaleur (1xxx, 3xxx, 5xxx série) qui tirent leur force de durcissement de travail expérience recuit dans la ZAZ, entraînant également un adoucissement. La conductivité thermique élevée de l'aluminium nécessite une plus grande apport de chaleur pour la fusion, mais aussi un refroidissement rapide et des largeurs de ZAZ relativement petites.

Technologies avancées de contrôle de la ZAZ

Les progrès technologiques récents offrent de nouvelles approches pour réduire au minimum les problèmes de la ZAZ et obtenir une qualité de soudure supérieure.

Procédés à haute densité d'énergie

Soudage laser : La soudure laser fournit une source de chaleur hautement ciblée, minimisant l'apport de chaleur et réduisant significativement la taille de la ZAZ. Cette technique est idéale pour les matériaux comme l'acier inoxydable et le titane.

Ces processus de densité d'énergie élevée produisent des ZAZ très étroits en raison de leurs sources de chaleur concentrées et de leurs vitesses de déplacement élevées. La taille réduite de ZAZ minimise la dégradation et la distorsion des propriétés.

Les procédés hybrides combinant laser ou faisceau d'électrons avec soudage à l'arc peuvent apporter des avantages aux deux approches, à savoir la pénétration profonde et la faible apport de chaleur du procédé à haute énergie avec la tolérance à l'écart et le taux de dépôt du soudage à l'arc.

Techniques de soudage pulsées

Le soudage pulsé alterne entre un courant de pointe élevé pour la pénétration et un courant de fond faible pour le refroidissement, ce qui entraîne une consommation moyenne de chaleur inférieure à celle du soudage continu au même courant de pointe.

Les processus pulsés permettent un meilleur contrôle de la piscine de soudure et de l'entrée de chaleur, permettant d'optimiser les propriétés de la ZAZ tout en maintenant une fusion et une pénétration adéquates.

Métallurgie et microalliage à l'oxyde

Les inclusions fines peuvent jouer un rôle important dans l'amélioration de la ténacité de la ZHA, ce mécanisme de renforcement peut être résumé en deux aspects. Premièrement, il implique le raffinement des grains d'austénite dans la ZHA. Pendant le cycle thermique de soudage, les inclusions agissent comme ancres, immobilisant efficacement le mouvement des limites de grain d'austénite.

Les inclusions d'oxydes soigneusement contrôlées peuvent servir de sites de nucléation pour la ferrite aciculaire, une microstructure à grains fins avec une excellente ténacité. Cette approche a été appliquée avec succès dans les aciers à pipelines et d'autres applications critiques pour améliorer la ténacité de la ZAZ même aux apports de chaleur élevés.

Applications pratiques et études de cas

Il est essentiel de comprendre les principes de la ZAZ et d'appliquer des stratégies de contrôle appropriées dans de nombreuses industries et applications.

Construction de pipelines

La soudure par pipelines est l'une des applications les plus exigeantes pour le contrôle de la ZAZ. Les pipelines doivent résister à des pressions élevées, des environnements potentiellement corrosifs et souvent fonctionner dans des climats extrêmes.

Les aciers modernes à pipeline sont conçus avec une chimie contrôlée et un microalliage pour obtenir d'excellentes propriétés HAZ. Les procédures de soudage sont soigneusement qualifiées pour assurer une ténacité adéquate à la température minimale de conception.

Pour les pipelines arctiques fonctionnant à des températures aussi basses que -60°C, une ténacité exceptionnelle de la ZAZ est nécessaire, ce qui nécessite des aciers à carbone ultra-faible, une apport thermique contrôlé et des essais rigoureux pour vérifier une ténacité adéquate à basse température.

Récipients à pression et chaudières

La fabrication des récipients à pression et des chaudières nécessite un contrôle rigoureux de la ZAZ pour assurer un fonctionnement sûr sous pression et à température élevée.

Pour les récipients à pression de section épaisse, le soudage multi-pass avec température d'interpasse contrôlée est une pratique courante. Le PWHT est généralement obligatoire pour les récipients en acier au carbone et en acier à faible alliage pour soulager les contraintes résiduelles et tempérer les microstructures HAZ dures.

Les aciers résistants aux crics utilisés en service à haute température présentent d'autres défis en matière de THA. La THA à grain fin peut être sensible aux fissures de type IV pendant l'exposition au fluage à long terme, nécessitant une sélection minutieuse des matériaux et un développement des procédés de soudage.

Construction en acier de construction

Le soudage en acier de construction pour les bâtiments, les ponts et les autres infrastructures doit équilibrer la productivité avec les exigences de qualité. AWS D1.1 Le code de soudage de structure fournit des exigences complètes pour le contrôle de la ZAZ, y compris les exigences de préchauffage basées sur l'épaisseur du matériau et la température ambiante.

Pour les applications sismiques, la ténacité de la HAZ est particulièrement critique car les soudures doivent pouvoir supporter de grandes déformations plastiques pendant la charge sismique.

Les aciers de construction à haute résistance (résistance au rendement supérieure à 450 MPa) nécessitent un contrôle de la ZAZ plus rigoureux que les aciers doux conventionnels. La préchauffage est souvent nécessaire, et l'apport de chaleur peut être limité pour empêcher la croissance excessive du grain et la perte de résistance dans la ZAZ.

Problèmes et solutions communs de la ZAZ

Malgré une planification et un contrôle minutieux, les problèmes de la ZAZ peuvent se produire. Comprendre les problèmes communs et leurs solutions est essentiel pour le dépannage et l'amélioration continue.

Craquage induit par l'hydrogène

La fissuration induite par l'hydrogène (également appelée fissuration à froid ou fissuration retardée) est l'un des défauts les plus graves de la ZAZ. Elle se produit lorsque trois facteurs sont présents simultanément : l'hydrogène, une microstructure sensible (généralement la martensite dure) et la tension.

Les stratégies de prévention comprennent l'utilisation de procédés de soudage à faible teneur en hydrogène et de consommables, l'application de préchauffage adéquat pour ralentir le refroidissement et permettre à l'hydrogène de s'échapper, le maintien d'une température d'interpasse appropriée et l'évitement de la contamination par l'humidité.

Dureté excessive

La dureté excessive de la ZAZ peut entraîner une fracture fragile et une sensibilité accrue aux fissures d'hydrogène, ce qui résulte généralement d'un refroidissement rapide des aciers durs, produisant une martensite dure.

Si une dureté excessive est découverte après soudage, PWHT peut souvent réduire la dureté à des niveaux acceptables. Dans certains cas, la réparation de soudure peut être nécessaire, bien que cela doit être fait avec soin pour éviter d'introduire des problèmes supplémentaires.

Mauvaise ténacité

Une ténacité insuffisante de la ZAZ peut résulter d'une croissance excessive du grain due à une forte apport de chaleur, à la formation de microstructures fragiles ou à des distributions d'inclusion défavorables.

Pour les soudures existantes dont la ténacité est insuffisante, les options sont limitées. Le PWHT peut apporter une certaine amélioration en tempérant les phases de fragilité, mais il est peu probable que la récupération de la ténacité soit importante.

Adoucissement dans les matériaux traités à la chaleur

L'adoucissement de la ZAZ dans les alliages d'aluminium trempés par précipitation et les aciers trempés résulte d'un surchauffage ou d'un tempérament des mécanismes de renforcement. Ce problème est difficile à résoudre après le soudage.

Le vieillissement artificiel post-soudé peut partiellement restaurer la résistance dans certains alliages d'aluminium, bien que la récupération complète à la résistance du métal de base soit rarement atteinte.

Tendances futures de la recherche et de la technologie HAZ

La modélisation computationnelle est de plus en plus sophistiquée, intégrant la cinétique de transformation de phase, le développement de contraintes résiduelles et l'évolution de la microstructure. Ces modèles permettent de tester virtuellement les procédures de soudage et d'optimiser avant les essais physiques.

Les techniques de caractérisation avancées, notamment la diffraction des rétrodiffusions d'électrons (EBSD), la tomographie par sonde d'atomes et la diffraction des rayons X du synchrotron, offrent une vue d'ensemble sans précédent des microstructures et des mécanismes de transformation de la ZAZ.

Les systèmes de surveillance et de contrôle en temps réel utilisant l'imagerie thermique, les émissions acoustiques et d'autres capteurs permettent de contrôler adaptativement les paramètres de soudage pour maintenir des propriétés HAZ cohérentes.

Les nouveaux matériaux, y compris les aciers à haute résistance avancés, les alliages nanostructurés et les composites à matrice métallique, présentent des défis et des possibilités pour le contrôle de la ZAZ.

Conclusion

La zone affectée par la chaleur représente une région critique dans les structures soudées où les cycles thermiques altèrent la microstructure et les propriétés sans fondre le métal de base. La zone affectée par la chaleur est un aspect complexe mais critique du soudage qui peut avoir une incidence significative sur les performances des joints soudés. La compréhension de la façon dont les changements métallurgiques dans la ZAZ se produisent et comment les contrôler par les paramètres de processus, le préchauffage et les traitements post-soudage est essentielle pour obtenir des soudures solides et fiables.

La maîtrise réussie de la ZHA nécessite une approche globale intégrant la sélection des matériaux, l'optimisation des procédés de soudage, la gestion thermique par la préchauffage et le PWHT, ainsi que des essais et caractérisations rigoureux.

La détermination des propriétés de la ZAZ comporte plusieurs étapes : déterminer l'apport thermique à partir des paramètres de soudage, prédire les cycles thermiques à l'aide de modèles analytiques ou numériques, estimer les microstructures en fonction des taux de refroidissement et des diagrammes de transformation, et corréler la microstructure avec les propriétés mécaniques.

La technologie de soudage continue de progresser et de nouveaux matériaux sont développés, la compréhension et le contrôle de la ZAZ reste essentiel pour assurer la qualité, la fiabilité et la sécurité des structures soudées dans toutes les industries. En appliquant les principes et les pratiques exposés dans ce guide, les professionnels de la soudure peuvent minimiser les problèmes de ZAZ et obtenir une qualité de soudure optimale dans les applications les plus exigeantes.

Ressources supplémentaires

Pour ceux qui cherchent à approfondir leur compréhension des phénomènes de la HAZ et de la métallurgie du soudage, de nombreuses ressources sont disponibles.L'American Welding Society (AWS) offre de nombreuses publications techniques, des cours de formation et des programmes de certification couvrant la métallurgie du soudage et le développement des procédures.

Des établissements universitaires du monde entier mènent des recherches sur la métallurgie du soudage et publient des conclusions dans des revues telles que Welding Journal, Science and Technology of Welding and Joining, et Materials Science and Engineering. Des organisations spécifiques à l'industrie, dont ASME, API et AWS, élaborent des codes et des normes qui intègrent les meilleures pratiques actuelles pour le contrôle de la ZAZ.

Les ressources en ligne, y compris AWS.org[, les forums de soudage et les bases de données techniques, permettent d'accéder aux procédures de soudage, aux spécifications du matériel et aux conseils de dépannage.

En exploitant ces ressources et en appliquant les principes fondamentaux de la formation et du contrôle de la ZAZ, les ingénieurs et techniciens de soudage peuvent produire des soudures de haute qualité qui répondent aux exigences exigeantes de l'industrie moderne tout en assurant la sécurité, la fiabilité et les performances à long terme.