Cours 6 Fissuration

et fissuration à chaud

MEC625 / V Houle / E2010

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TYPE DE FISSURATION Les assemblages soudés sont susceptibles à deux types de fissuration : - Fiss Fissura uratio tion n à fro froid id - Fiss Fissura uratio tion n à cha chaud ud


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FISSURATION À FROID Du point de vue de leur morphologie, on peut classer les fissures à froid en fonction de leur position : - ZAT - Zo Zone ne fon fondu due e


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FISSURATION À FROID / SOUDAGE DES ACIERS La fissuration à froid en soudage d’acier est associée aux trois facteurs caractéristiques que sont : a) Structure de trempe – martensite (fonction du Ceq) c) Contrainte interne


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FISSURATION À FROID / DÉFINITION L’appellation «fissuration à froid» en anglais «cold cracking» résulte d’une fragilisation de la martensite (structure dure et fragile), qui apparait elle-même à basse tem érature dans l’échelle des transformations T°≤300C . On sous-entend que cette fragilisation est causée par l’hydrogène et les . instants entre quelques minutes et 24 heures. Si les trois facteurs caractéristiques de fissuration à froid sont présents, le risque de fissuration est très élevé. Si un des trois facteur est évité, le risque de fissuration à froid est évité.


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FACTEUR DE TREMPE EN SOUDAGE La nature de l’acier (composition chimique) influence son aptitude à la trempe. L’aptitude de la trempe d’un acier est reflétée par sa position, dans l’échelle . Pratiquement, dans le cas du soudage, la trempabilité dans la zone affectée thermiquement peut s’apprécier par la valeur du temps critique de refroidissement, lui-même fonction, pour une épaisseur donnée de l’énergie mise en jeu et de la température initiale. La teneur en carbone joue un rôle important tant qu’à la trempabilité (dureté de la martensite) d’un matériau. Par ailleurs, d’autres éléments d’addition jouent le m me r e que e car one no on e car one qu va en .


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FACTEUR DE TREMPE

Acier au carbone (0.50%C)

Augmentation de la vitesse de refroidissement au mente le % de martensite

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NOTION DE CARBONE ÉQUIVALENT (Ceq) Bien que ces rôles respectifs du carbone et des éléments d’addition soient différenciés, on a pris depuis longtemps l’habitude de grouper ces éléments , ’ ’ , de rendre compte de son comportement du point de vue de la trempe en soudage. Ce nombre appelé carbone équivalent, est obtenu en ajoutant à la teneur en carbone les teneurs en éléments d’alliages, chacune affectée d’un coefficient ’ .

C eq

=

C +

n 6

+

r +

o+ 5


+

+

u

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NOTION DE CARBONE ÉQUIVALENT Plus le carbone équivalent est faible, plus le risque de fissuration à froid diminue. Pour les aciers au C-Mn, une valeur maximale de C eq de 0.40 renseignent sur la nécessité de précaution particulière pour éviter la fissuration à froid. Si le C eq est . , - Préchauffage / Postchauffage - Contrôle de l’énergie de soudage (E) - Contrôle de la température entre passe


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HYDROGÈNE DISSOUS Lors de l’opération de soudage à l’arc, le métal fondu est susceptible de dissoudre de l’hydrogène provenant de la décomposition de l’eau présente (air ambiante, humidité du métal d’a ort-base, … , ou de celles de matières hydrogénées (graisses, peinture, saletés, …) et d’éventuels apports d’hydrogène par le gaz de soudage. La quantité d’hydrogène dissoute dans le métal fondu peut être élevée.


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HYDROGÈNE DISSOUS Des résultats publiés par GRANJON montrent que, lors du soudage des aciers, la quantité d’hydrogène diffusible présent dans 100 g de métal fondu peut , - 15 cm3 en soudage SMAW enrobage rutile - 7 cm3 en SMAW enrobage basique - 4 cm3 en soudage MIG - 9 cm3 en soudage SAW


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HYDROGÈNE DISSOUS Or, lors de la solidification, la solubilité de l’hydrogène diminue très sensiblement et une sursaturation d’h dro ène survient dans la zone fondue se refroidissant.

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HYDROGÈNE DISSOUS Le gaz ainsi produit se rassemble dans les espaces ménagés par les défauts de structure et les décohésions entre le métal et les inclusions. En ces lieux, la pression du gaz croit avec la diffusion de l’hydrogène et peut atteindre des niveaux élevés, ce qui engendre localement des sollicitations ’ . Si l’état structural du métal ne lui permet pas de résister dans ces conditions (structure martensitique dure et fragile), une fissuration pourra se développer.


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CONTRAINTE RÉSIDUELLE Les contraintes résiduelles sont dues au retrait de la soudure lors du cycle de refroidissement. Rappel : Le niveau de contrainte résiduelle en soudage peut atteindre le limite d’élasticité du matériau. Les contraintes résiduelles ajoutent des sollicitations aux défauts existants (hydrogène qui induit une surpression dans un défaut).


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PRÉCUATIONS POUR ÉVITER LA FISSURATION À FROID Pour éviter la fissuration à froid, il faut éviter une des trois caractéristiques suivantes : a) Structure de trempe / martensite (C eq) b) Hydrogène c Contrainte résiduelle Plus le carbone équivalent est faible, plus le risque de fissuration à froid . Pour les aciers au C-Mn, une valeur maximale de C e de 0.40 renseignent sur la nécessité de précaution particulière pour éviter la fissuration à froid.


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PRÉCAUTION POUR ÉVITER LA FISSURATION À FROID – STRUCTURE DE TREMPE Si le Ceq est supérieur à 0.40, des précautions particulières sont à prendre pour éviter les structures de trem e. - Préchauffage / Postchauffage - éviter structure de trempe - faire diffuser l’hydrogène -

’ - éviter structure de trempe

- Contrôle de la température entre passe (T°min) - éviter structure de trempe - faire diffuser l’hydrogène MEC625 / V Houle / E2010

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PRÉCAUTION POUR ÉVITER LA FISSURATION À FROID HYDROGÈNE Lors de l’opération de soudage à l’arc, le métal fondu est susceptible de dissoudre de l’h dro ène rovenant de la décom osition de l’eau résente air ambiante, humidité du métal d’apport-base, …), ou de celles de matières hydrogénées (graisses, peinture, saleté, …) et d’éventuels apports d’hydrogène par le gaz de soudage. La quantité d’hydrogène dissoute dans le métal fondu . Précaution pour l’hydrogène : - Pièce propre sans graisse (nettoyer au solvant) - Métal de base non humide (faire un léger préchauffage) - Métal d’apport basse et très basse teneur en hydrogène -

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PRÉCAUTION POUR ÉVITER LA FISSURATION À FROID – HYDROGÈNE


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PRÉCAUTION POUR ÉVITER LA FISSURATION À FROID HYDROGÈNE


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PRÉCAUTION POUR ÉVITER LA FISSURATION À FROID HYDROGÈNE Sachant que l’hydrogène est plus diffusible à température élevée, le réchauffa e, le contrôle de la tem érature entre asse et le ostchauffa e vont permettent à l’hydrogène de diffuser en dehors de la soudure.


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PRÉCAUTION POUR ÉVITER LA FISSURATION À FROID – CONTRAINTES Pour minimiser les contraintes résiduelles, optimiser : - Préparation - Ordre de soudage Finalement, étant difficile de connaître le niveau de contrainte résiduel, il faut pren re es pr caut ons pour es m n m ser, ma s es v ter ne sera ama s possible. Donc pour éviter la fissuration à froid, miser sur la réduction de la structure de trempe et l’hydrogène.


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PRÉCAUTIONS POUR ÉVITER LA FISSURATION À FROID

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SOUDURES LES PLUS SUSCEPTIBLES À LA FISSURATION À FROID Pratiquement, il faut retenir que les soudures ayant un cycle de refroidissement rapide sont les plus susceptibles à la fissuration à froid (en ne tenant pas compte ’ . dans les soudures se retrouve, par exemple : - es prem res passes e sou ures mu t passes ou e cyc e thermique de la première soudure est la plus sévère. - Les soudures de pointage (tack weld). Il faut prendre les mêmes précautions pour les soudures de pointage que la soudure. - Les amorçages d’arc en dehors de la soudure.


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LES MATÉRIAUX SUSCEPTIBLES À LA FISSURATION À FROID -Les matériaux susceptibles de tremper (transformation C.C.

→

C.F.C.)

- acier au carbone et particulièrement ceux avec un Ceq élevé (1045, 4140, …) - acier inoxydable martensitique (SS410, SS440, …) transformation C.C. → C.F.C. donc pas propices à la trempe) - acier inoxydable austénitique (SS304, SS316, SS347, …) - aluminium et ses alliages (6061, 5083, 7075, …) - nickel et ses alliages (Inconel 600, Inconel 625, …) *C.C. : Cube Centré & C.F.C. : Cubique Face Centré


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ssurat on


c au

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FISSURATION À CHAUD / DÉFINITION Cette forme de fissuration est liée à l’existence d’un film liquide à bas point de fusion séparant les grains qui achèvent leur croissance alors que le retrait de solidification Est déjà important. Dans la soudure, ce type de fissure peut se retrouver soit au centre de la soudure et/ou aux joints de grains.


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FISSURATION À CHAUD / DÉFINITION

Note : Un film liquide de métal persiste encore lorsque le retrait de


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SÉGRÉGATION - Ségrégation dendritique - Ségrégation intergranulaire -


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INTERVALLE DE SOLIDIFICATION


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INTERVALLE DE SOLIDIFICATION


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PRÉCAUTIONS POUR ÉVITER LA FISSURATION À CHAUD / ACIER L'addition de soufre, par exemple, abaisse la température de fusion du fer aussi bas que 988°C. Même si l'effet peut être compensé par l'addition de manganèse, qui se combine au soufre pour former du MnS, la contamination de la .

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PRÉCAUTIONS POUR ÉVITER LA FISSURATION À CHAUD / ACIER Pour les aciers non alliés ou faiblement alliés, il est recommandé, afin d’éviter la fissuration à chaud, de satisfaire, en ce qui concerne la composition du métal fondu, aux conditions suivantes : - S % < 0.040 - Mn % / S % > 20 Ces exigences permettent d’éviter la liquation du sulfure de fer; elles sont pratiquement toujours satisfaites avec les aciers modernes dont la teneur en souffre a été très sensiblement abaissée alors que le métal fondu des manganèse : - P % < 0.040 Cette exigence permet d’éviter la liquation du phosphore


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PRÉCAUTIONS POUR ÉVITER LA FISSURATION À CHAUD / ACIER INOX AUSTÉNITIQUE Il n’en est pas de même pour les aciers inoxydables austénitiques pour lesquels ce risque doit être pris en compte. La fissuration à chaud se développe par suite du manque de cohésion dû à la présence d’un film liquide interdendritique et/ou à la fragilité à haute température des produitssolidifiés dans les joints des grains à partir de ce film liquide. La présencede souffre, de phosphore, et de silicium, de niobium et de bore favorisent ce phénomème.


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PRÉCAUTIONS POUR ÉVITER LA FISSURATION À CHAUD / ACIER INOX AUSTÉNITI UE La manière la plus efficace de lutter contre celui-ci consiste à provoquer la formation, en début de solidification, d’une certaine proportion de ferrite delta (5. solubles en elle que dans la structure austénitique (et empêcherait de ce fait leur liquation). De plus, sa faible tenue mécanique et sa grande ductilité limiterait le niveau des contraintes dues au retrait. C’est en jouant sur la composition du métal fondu que le soudeur pourra faire en sorte que la quantité nécéssaire de ferrite delta apparaisse en début de . ’ métallographique en fonction des éléments d’alliages et permet de prédire une structure métallurgique avec un taux de ferrite delta entre 5-10%.


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PRÉCAUTIONS POUR ÉVITER LA FISSURATION À CHAUD / ACIER INOX AUSTÉNITI UE


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FORMES DE LA FISURATION À CHAUD


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FORMES DE LA FISURATION À CHAUD


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Test) - Mise en contrainte par un joint à souder fortement bridé - Ligne de fusion exécutée avec le procédé GTAW.


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VITESSE ET ÉNERGIE DE SOUDAGE Pour minimiser le risques de fissuration à chaud, il faut : - Minimiser l’énergie linéaire de soudage (souder froid) - Limiter la vitesse d’avance (vitesse de soudage)


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FORME DU CORDON Bien que souvent sous-estimée, la forme des cordons de soudure a une influence capitale. La zone qui se solidifie en dernier concentre les impuretés du fait de leur rejet dans la phase liquide lors de la solidification. Cela la rend , une surface concave, cette zone est aussi celle de plus faible section. Ainsi, les contraintes résultant du retrait pourront plus facilement engendrer la fissuration . convexe est donc toujours préférable.

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FORME DU CORDON De même, lorsqu'un cordon est très fortement pénétré (rapport largeur/pénétration faible), ses bords latéraux sont sensiblement parallèles si bien que la phase finale de la solidification concerne toute sa hauteur (colonne , , termine en surface du cordon, ce qui réduit les risques de fissuration. Le profil du bain de fusion est donc un facteur important qui influe sur les risques de . , , respecter un rapport largeur/ profondeur du bain supérieur à 1 (rapport W/D > 1).

appor (à éviter)

appor > (recommandé)

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BRIDAGE / CONTRAINTES Toutes choses étant égales par ailleurs, le niveau de bridage augmente le risque de fissuration à chaud.


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