Traitements thermiques en soudage : Essentiels avant et après le soudage

Le soudage est l'une des méthodes de traitement thermique des métaux. En particulier lors du soudage d'aciers de construction courants faiblement alliés et de tôles épaisses à forte teneur en carbone, le métal local est affecté par le cycle thermique de chauffage et de refroidissement à haute température du soudage, ce qui entraîne divers changements dans la structure interne du métal, qui affectent directement les propriétés mécaniques du joint soudé.

En outre, en raison des conditions métallurgiques du soudage et des effets des différentes vitesses de chauffage et de refroidissement, la structure de la soudure et de la zone affectée par la chaleur est inégale, ce qui affecte aussi indirectement et directement les propriétés mécaniques du joint soudé. Il est donc essentiel de modifier ou d'améliorer les propriétés mécaniques du joint soudé en chauffant, en préservant la chaleur et en contrôlant la vitesse de refroidissement localement ou entièrement avant, pendant et après le soudage.

 I. Préchauffage avant le soudage

 1. Le rôle du préchauffage

1) Le préchauffage est une mesure efficace pour prévenir les fissures à froid, les fissures à chaud et la formation de structures durcies dans la zone affectée thermiquement. Lors du soudage d'acier à haute teneur en carbone, d'acier faiblement allié, d'acier résistant à la chaleur et de composants ordinaires en acier à faible teneur en carbone présentant une rigidité élevée, le taux de refroidissement rapide de la soudure peut facilement entraîner la formation de structures durcies dans la soudure et la zone affectée par la chaleur, provoquant ainsi des fissures. Il est donc nécessaire de préchauffer la pièce soudée. Le préchauffage permet de ralentir la vitesse de refroidissement, ce qui peut empêcher la formation de fissures dans la soudure.

2) Quand joints de soudure avec une contrainte élevée, un refroidissement et un chauffage rapides peuvent provoquer des contraintes de rétraction dans la zone du joint, entraînant des fissures. Le préchauffage de la zone de jonction avant le soudage peut réduire les contraintes de retrait et empêcher la formation de fissures.

3) Lors du soudage dans des régions plus froides, pour éviter la formation de fissures, même l'acier à faible teneur en carbone d'une épaisseur supérieure à 20 m doit être préchauffé.

4) Le préchauffage peut également éliminer l'huile, l'humidité et d'autres facteurs affectant la qualité de la soudure, et il peut favoriser l'échappement de l'hydrogène dans la soudure, jouant ainsi un rôle correspondant dans la prévention des défauts tels que la porosité et la prévention de la formation de fissures.

 Température de préchauffage

Pour préchauffer correctement la pièce, il est principalement nécessaire de déterminer différentes températures de préchauffage en fonction des différents matériaux métalliques. Par exemple, pour l'acier au carbone, la température de préchauffage est généralement déterminée en fonction de sa teneur en carbone. Si la fraction massique de carbone est supérieure à 0,2%, la température de préchauffage est de 100~200°C ; lorsque la teneur en carbone augmente, la température de préchauffage doit également augmenter proportionnellement. D'autres matériaux ont également des températures de préchauffage différentes en fonction du matériau.

 Les températures de préchauffage de soudage pour les nuances d'acier couramment utilisées sont indiquées dans le tableau 2-30.

 Tableau 2-30 Températures de préchauffage pour certaines nuances d'acier

Méthodes de préchauffage

Il existe de nombreuses méthodes de préchauffage : chauffage à la flamme, chauffage par induction à haute fréquence, chauffage par infrarouge lointain, chauffage par four, etc. La méthode de préchauffage doit être choisie en fonction de la plage de chauffage. La méthode de préchauffage doit être choisie en fonction de la plage de chauffage. Actuellement, les chauffages à infrarouge lointain sont largement utilisés, car ils offrent de bons effets de chauffage et une large plage de chauffage.

En général, la largeur de préchauffage de chaque côté du joint soudé ne doit pas être inférieure à 5 fois l'épaisseur de la plaque, et une zone de chauffage uniforme doit être maintenue de 75 à 100 mm de chaque côté du biseau. La température finale de préchauffage doit être déterminée par des tests de processus.

Isolation intercalaire

Dans la construction soudée, en particulier lors du soudage multicouche, certains aciers nécessitent le maintien d'une température spécifique pendant chaque couche de soudage, connue sous le nom de température intercalaire. Le rôle de la température intercalaire est similaire à celui du préchauffage, favorisant la diffusion et l'échappement de l'hydrogène dans la soudure et la zone affectée par la chaleur, et elle joue un rôle dans la prévention de la fissuration à froid.

Pour l'acier au carbone, l'acier faiblement allié et l'acier résistant à la chaleur, la limite inférieure de la température de la couche intermédiaire est généralement la température de préchauffage de l'élément soudé, et la limite supérieure est généralement de 350~400°C ; pour l'acier inoxydable austénitique, la température de la couche intermédiaire est généralement contrôlée plus bas, habituellement moins de 250°C.

Il convient de noter que les températures de préchauffage et d'intercouche ne doivent pas être trop élevées, sous peine de modifier la microstructure et les propriétés de certains joints soudés en acier.

Traitement thermique post-soudure

Le fait de placer immédiatement la pièce soudée dans de la cendre d'amiante, du sable chaud (chaux) ou de la refroidir lentement à l'aide d'un four permet de réduire les contraintes internes, de minimiser les déformations et d'éviter les fissures. Pour les pièces soudées ayant une forte tendance à la trempe et une grande rigidité, le refroidissement après soudage est une mesure technologique importante pour garantir la qualité du soudage.

Traitement post-chauffage, dégagement d'hydrogène

Le "post-chauffage" consiste à maintenir le joint de soudure à une température égale ou supérieure à la température de la couche intermédiaire pendant un certain temps après la fin de toutes les opérations de soudage. La température de chauffage et la durée du "post-chauffage" dépendent de l'épaisseur de la pièce soudée, du type de joint, de la teneur initiale en hydrogène dans la soudure et de la sensibilité de l'acier à la fissuration par l'hydrogène.

En général, la température de post-chauffage est de 250~350°C, et le temps de maintien dépend de l'épaisseur de l'élément soudé, généralement de 1~3 heures. Pour certains récipients à parois épaisses en acier à haute résistance faiblement allié, l'utilisation du post-chauffage à 300~350°C pendant 1 heure peut complètement éviter la fissuration différée et réduire la température de préchauffage de 50°C. Le post-chauffage peut accélérer la diffusion et l'échappement de l'hydrogène, c'est pourquoi il est également appelé "traitement de libération de l'hydrogène".

L'objectif principal du post-chauffage est d'accélérer la diffusion et l'échappement de l'hydrogène, afin d'éviter l'apparition d'une fissuration différée. Lorsque le préchauffage, la température intercouche et d'autres mesures ne permettent pas d'éliminer la fissuration différée, le postchauffage est une méthode simple, réalisable et efficace. Le post-chauffage est principalement utilisé pour le soudage des structures en acier faiblement allié à haute résistance.

Le post-chauffage présente de nombreuses similitudes avec le traitement thermique post-soudage, mais en général, le post-chauffage ne peut pas remplacer le traitement thermique post-soudage. Pour les pièces soudées qui nécessitent un traitement thermique post-soudage et qui peuvent être soumises à ce traitement immédiatement après le soudage, le post-chauffage peut être omis. Si le traitement thermique post-soudage ne peut pas être effectué immédiatement après le soudage et que l'élément soudé doit être déshydrogéné en temps voulu, le post-chauffage ne peut pas être omis.

Par exemple, un grand récipient à haute pression a passé avec succès l'inspection de détection des défauts après soudage, mais comme il n'a pas été traité thermiquement à temps après le soudage et qu'aucun traitement d'élimination de l'hydrogène n'a été effectué, une fissuration tardive s'est produite pendant le stockage. Lorsque la cuve a été traitée thermiquement et a subi un test hydrostatique, la pression du test n'a pas atteint la pression de service prévue, et la cuve a subi une grave rupture fragile, ce qui a entraîné la mise au rebut de l'ensemble de la cuve.

La méthode de chauffage, la largeur de la zone de chauffage et les exigences relatives à l'emplacement de la mesure de la température pour le post-chauffage sont les mêmes que pour le préchauffage. Le post-chauffage local doit également maintenir une zone de chauffage uniforme de 75~100 mm des deux côtés du biseau, comme pour le préchauffage. Les aciers trempés et revenus doivent empêcher toute surchauffe locale au-delà de la température de revenu.

Traitement thermique post-soudure

Le traitement thermique est un processus qui améliore la structure interne d'un matériau solide. métaux Le traitement thermique après soudage consiste à améliorer la structure et les propriétés des joints soudés ou à éliminer les contraintes résiduelles. Le traitement thermique post-soudure des joints soudés vise à améliorer la structure et les propriétés des joints soudés ou à éliminer les contraintes résiduelles. Les traitements thermiques post-soudure les plus courants sont le recuit de détente, la normalisation, la normalisation plus le revenu et la trempe plus le revenu (traitement de revenu).

L'objectif principal du traitement thermique post-soudure est de réduire les contraintes résiduelles, d'accroître la stabilité structurelle, d'adoucir la zone durcie, de favoriser l'échappement de l'hydrogène, de renforcer la résistance à la corrosion sous contrainte et d'améliorer la plasticité, la ténacité et les propriétés mécaniques à haute température de l'assemblage. La réduction des contraintes étant la fonction première du traitement thermique post-soudure, celui-ci est communément appelé traitement thermique post-soudure.

Le traitement thermique après soudage n'est généralement requis que dans des circonstances particulières pour des produits importants. Pour certains produits soudés, si la contrainte résiduelle post-soudure n'est pas significative ou s'il est nécessaire de conserver une certaine contrainte résiduelle (comme la contrainte résiduelle post-soudure des plaques multicouches enveloppant les cuves), le traitement thermique post-soudure n'est pas nécessaire. S'il n'y a pas de structure durcie ou seulement une petite quantité de structure durcie, mais qu'elle conserve une certaine plasticité et une certaine ténacité, ce qui n'entraîne pas d'effets indésirables pendant le fonctionnement, le traitement thermique post-soudage n'est pas non plus nécessaire.

Recuit de détente

La plage de température de chauffage pour le recuit de détente est la même que pour le revenu à haute température, c'est-à-dire que l'on chauffe généralement tout ou partie de l'élément soudé à 550~650°C, suivi d'un temps de maintien suffisant et d'un refroidissement lent. Le temps de maintien pour l'acier général est de 2,5 minutes par 1 mm d'épaisseur, mais pas moins de 15 minutes. Pour les épaisseurs supérieures à 50 mm, ajouter 15 minutes pour chaque tranche supplémentaire de 25 mm.

 Traitement thermique global

Le placement de l'élément soudé dans un four de chauffage pour un traitement thermique global permet d'obtenir des résultats satisfaisants. La température de l'élément soudé à l'entrée et à la sortie du four doit être inférieure à 300°C. Les vitesses de chauffage et de refroidissement doivent être liées à l'épaisseur de la plaque et répondre aux exigences suivantes :

Dans la formule, U est la vitesse de refroidissement, °C/h ; δ est l'épaisseur de la plaque, mm.

Pour les cuves à parois épaisses, les vitesses de chauffage et de refroidissement sont de 50~150°C/h, et la différence de température maximale à l'intérieur du four pendant l'ensemble du traitement thermique ne doit pas dépasser 50°C. Si l'élément soudé est trop long et doit être traité thermiquement en deux sessions, la partie chauffante qui se chevauche doit être supérieure à 1,5 m.

Traitement thermique local

Pour les récipients et les tuyaux simples qui sont trop longs pour un traitement thermique global mais qui ont une forme régulière, un traitement thermique local peut être effectué. Pendant le traitement thermique local, il faut veiller à ce que la largeur de chauffe soit suffisante des deux côtés de la soudure. La largeur de chauffage pour le cylindre est liée au rayon du cylindre et à l'épaisseur de la paroi, et peut être calculée à l'aide de la formule suivante :

Dans la formule,

• B est la largeur de chauffe du cylindre, en mm ;
• R est le rayon du cylindre, en mm ;
• δ est l'épaisseur de la paroi du cylindre, en mm.

Par exemple, pour une soudure cylindrique d'un diamètre de 1200 mm et d'une épaisseur de paroi de 24 mm, la largeur de chauffage centrée sur la soudure est calculée à l'aide de la formule ci-dessus. En d'autres termes, pendant le traitement thermique local de cette soudure cylindrique, la zone de 600 m centrée sur la soudure doit être chauffée à la température de traitement thermique spécifiée.

Les méthodes courantes de traitement thermique local comprennent le chauffage à la flamme, le chauffage infrarouge et le chauffage par induction à fréquence industrielle.

Le recuit de détensionnement doit être envisagé dans les situations suivantes : métal de base à haute résistance, acier commun faiblement allié ayant tendance à retarder la fissuration ; appareils à pression et autres structures soudées fonctionnant dans des conditions de basse température, en particulier celles utilisées en dessous de la température de transition fragile ; composants soumis à des charges alternées nécessitant une résistance à la fatigue ; grands appareils à pression ; structures soudées nécessitant une résistance à la corrosion sous contrainte et une stabilité dimensionnelle après soudage.

Le recuit de détente est généralement effectué dans un four, ce qui permet d'éliminer plus de 80% de la contrainte résiduelle. Le recuit de détensionnement local permet d'obtenir le même effet que le recuit de détensionnement global.

 Ce traitement thermique n'entraîne pas de modification de la structure cristalline.

 2. Normalisation ou normalisation et revenu

Ce traitement thermique post-soudure est généralement adapté aux structures de soudage sous laitier électrolytique afin d'améliorer la structure et les performances des joints.

La normalisation consiste à chauffer l'acier à une température supérieure à Ac₃ Le processus de recristallisation est réalisé par un four, avec un temps de maintien calculé à 2 minutes par 1 mm d'épaisseur, mais pas moins de 30 minutes, puis par un refroidissement à l'air après la sortie du four. Comme il s'agit d'un processus de recristallisation, il permet d'obtenir une structure de grain plus fine et d'améliorer les propriétés mécaniques.

La normalisation plus le revenu est le revenu après la normalisation. Le but du revenu est d'éliminer les contraintes structurelles causées par le processus de refroidissement de la normalisation, afin d'améliorer les performances globales de l'acier ou des joints soudés.

 3. Traitement de trempe et de revenu

Ce traitement thermique post-soudure convient à l'acier trempé et revenu ou à d'autres structures soudées qui nécessitent un traitement post-soudure de trempe et de revenu. Après la trempe et le revenu, l'acier ou les joints soudés peuvent atteindre une bonne combinaison de résistance et de ténacité dans les propriétés mécaniques globales.

La trempe consiste à chauffer l'acier jusqu'à un point critique.₁ ou Ac₃ plus 30~50°C, le maintenir pendant un certain temps, puis le refroidir rapidement dans de l'eau ou de l'huile afin d'obtenir une structure de haute dureté.

 Questions à prendre en compte dans le traitement thermique post-soudure

Le traitement de mise en solution consiste à chauffer le joint de soudure à 1000~1050°C, à permettre aux carbures précipités sur les joints de grains pendant le processus de soudage de refondre dans l'austénite, puis à refroidir rapidement pour fixer la structure austénitique. Le traitement de stabilisation consiste à chauffer le joint de soudure à 850~900°C, à le maintenir pendant 2 heures, puis à le refroidir à l'air, ce qui permet au chrome des grains d'austénite de se diffuser progressivement vers les joints de grains, éliminant ainsi la couche appauvrie en chrome aux joints de grains, améliorant ainsi la résistance à la corrosion intergranulaire.

Le traitement en solution et le traitement de stabilisation visent tous deux à améliorer la résistance à la corrosion intergranulaire des joints soudés en acier inoxydable austénitique.

 Les questions à prendre en compte dans le traitement thermique post-soudure sont les suivantes.

• Pour les aciers faiblement alliés contenant une certaine quantité de V, Ti ou Nb, il est nécessaire d'éviter un maintien prolongé à environ 600°C, car cela peut conduire à une fragilité du revenu, où la résistance du matériau augmente tandis que la plasticité et la ténacité diminuent de manière significative.
• Le recuit de détente après soudage doit généralement être inférieur de 30 à 60°C à la température de revenu du matériau de base.
• Pour certaines structures soudées en acier faiblement allié contenant des éléments tels que Cr, Mo, V, Ti, Nb, il convient de prendre des précautions lors du recuit de détente afin d'éviter les fissures de réchauffage.
•  Pendant le traitement thermique, il faut veiller à éviter toute déformation de la structure.

Les tableaux 2-31 à 2-34 présentent les principaux paramètres de certaines spécifications de traitement thermique après soudage couramment utilisées.

Tableau 2-31 Vitesses de chauffage et de refroidissement pour le traitement thermique après soudage (au-dessus de 400°C)

Tableau 2-32 Plage d'épaisseur nécessitant un recuit de détente après soudage pour certaines nuances d'acier

 Tableau 2-33 Températures de recuit de détente après soudage pour certaines nuances d'acier

 Tableau 2-34 Températures courantes de traitement thermique post-soudage des aciers faiblement alliés

Le traitement thermique après soudage des différentes structures soudées doit être effectué conformément aux conditions techniques de fabrication du produit concerné.