Détensionnement des assemblages soudés par des traitements thermiques

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1 Détensionnement des assemblages soudés par des traitements thermiques A.ABDERRAHMANE a, M.GACEB b a. Laboratoire LTSM, Université de Blida, Algérie. abderrahmane_abd@yahoo.fr b. Laboratoire FEPM, Université de Boumèrdes, Algérie. gaceb_m@yahoo.fr Résumé : L'apport de la chaleur lors du soudage notamment le soudage multi-passes est à l'origine de nombreuses transformations métallurgiques. Dans certains cas, ces transformations induisent des microstructures complexes qui peuvent présenter une certaine hétérogénéité mécanique et structurale à travers des joints soudés. Encore, des contraintes résiduelles importantes peuvent provenir des phénomènes mécaniques qui accompagnent le soudage et qui se manifestent lors de la mise en service des assemblages soudés, en conséquence, des ruptures brutales graves peuvent être occasionnées [8]. Selon l importance de ces contraintes, des traitements de décontraction sont donc à prescrire ou non avant la mise en service des joints soudés. Dans ce présent travail, une investigation est faite sur l évolution des propriétés mécaniques et structurales d un joint soudé en acier microallié lors des traitements thermiques de relaxation. Dans ce cadre, la microscopie optique et des essais mécaniques de traction, de résilience et de dureté ont été effectués sur des éprouvettes brutes de soudage, et d autres traitées thermiquement. Les résultats obtenus montrent que des traitements thermiques appropriés provoquent une décontraction du joint soudé qui se traduise par une faible réduction des caractéristiques de traction et une nette amélioration de la résilience sans affecter considérablement la microstructure du matériau. Les caractéristiques mécaniques obtenues après relaxation sont très acceptables pour l objectif dans lequel ces joints soudées sont utilisés. Abstract : The heat input during welding in particular multipass welding is at the origin of many metallurgical transformations. In some cases, these transformations lead to complex microstructures that may have a certain mechanical and structural heterogeneity through welded joints. Still, significant residual stresses can result from mechanical phenomena that accompany welding and which manifest during the commissioning of welded assemblies, accordingly, serious sudden fractures may occur [8]. According to the importance of these stresses, relaxation treatments are to prescribe or not before commissioning of welded joints. In this present work, an investigation is made on the evolution of the mechanical and structural properties of a micro alloyed steel welded joint during relaxation thermal treatments. In this context, optical microscopy and mechanical tests of tensile, impact and hardness were carried out on untreated and heat treated samples. The results show that suitable heat treatments cause a relaxation of the weld which will result in a small reduction in tensile properties and light improvement of impact strength without significantly affecting the microstructure of the material. The mechanical characteristics obtained after relaxation are very acceptable for the purpose for which these welded joints are used.

2 Mots clefs : soudage multi-passes, traitement thermique de relaxation, contraintes résiduelles 1 Introduction Le soudage multipasses conduit généralement à des contraintes résiduelles (CR) importantes dans la zone affectée thermiquement (ZAT) et la zone fondue (ZF), et qui peuvent atteindre dans certain cas la limite élastique du matériau. Des traitements thermiques de relaxation (TTDR) sont souvent envisagés afin d éviter la ruine de l assemblage soudé par un mécanisme dont ces contraintes ont une action primordiale, à savoir la rupture fragile, la fissuration par fatigue et la corrosion sous contrainte. Cependant, des effets secondaires peuvent manifester au cours de ces traitements ce qui modifier les propriétés de cordon de soudure et même du métal de base(mb). L objectif principal de notre travail est d étudier l influence de la température du traitement de relaxation sur les caractéristiques mécaniques et structurales d un assemblage soudé en acier microallié. 2 Métal de base Le matériau étudié est un Acier microallié à haute limite élastique sous forme de plaque de 25mm d épaisseur. Ce matériau est choisi pour sa large utilisation dans les pipelines destinés aux transports des hydrocarbures, ainsi que dans l industrie automobile. La composition chimique en pourcentage en poids est représentée dans le tableau 1. 3 Techniques expérimentales et résultats 3.1 Procédure de soudage C Mn Si S P Al Nb V Ti Tableau.1 Composition chimique de métal de base Le cordon de soudure a été réalisé de deux plaques de largeur de 125 mm assemblées bout à bout par soudage multipasses à l arc électrique avec électrode enrobée (SMAW). Un joint en X a été utilisé avec un dépôt alterné des passes (Fig.1), et ce, afin d éviter la distorsion de la plaque après soudage. Deux métaux d apport ont été utilisés, la E6010 et E (désignation AWS). La E6010 a été utilisée dans la première passe pour assurer une bonne pénétration et une bonne ténacité, dans le reste Electrodes C Mn Si S P e r A% E E Tableau. 2 Composition chimique et caractéristiques mécaniques des métaux d apports Fig.1 Schéma du joint et séquences de soudage

3 des passes la E a été utilisée. La composition chimique et les caractéristiques mécaniques sont données dans le tableau 2. Afin de réduire les gradients thermiques et augmenter le temps de refroidissement un préchauffage (de 90 C C) a été exécuté localement par brûlures oxyacéthyléniques à environ de 150 mm de part et d autre du cordon de soudure avant le soudage. 3.2 Traitement de relaxation Le traitement a été réalisé dans un four à chauffage électrique avec un système de programmation du cycle de température. Le contrôle de la température se fait par régulation électrique. Des éprouvettes comportant le métal de base et le joint soudé ont été traitées à deux températures, à savoir 600 et 650 avec un maintien de 1 heure à cette température. Un taux de chauffage de 200C /h a été appliqué, ainsi qu une même vitesse de refroidissement jusqu à 300, puis à l air libre de 300 à la température ambiante. La relaxation des contraintes est obtenue par le fluage du matériau, une durée suffisante du traitement est nécessaire pour homogénéiser la température de l assemblage soudé et ce, pour éviter la création de nouvelles CR au refroidissement, le maintien à la température de traitement est aussi indispensable pour assurer la relaxation par fluage des régions où existent initialement des pointes de contraintes. 3.3 Macrographie ZF Les différentes zones du cordon de soudure (MB, ZAT et ZF), l étendu de la ZAT et la disposition des passes dans la ZF sont MB représentés dans la macrographie de la Figure.2. La largeur de la ZAT est estimée de 5 à 7 mm. Après traitement thermique la ZAT ZAT est ni supprimée ni modifiée en dimensions, mais une petite différence de coloration est remarquée. Fig.2 Macrographie du joint soudé 3.4 Analyse métallographique L analyse métallographique est faite en utilisant un microscope optique Carl Zess. La microstructure du métal de base est constituée principalement de la ferrite polygonale avec une faible portion de la martensite (Fig. 3.1). La structure observée dans la ZAT est formée essentiellement de grains ferritiques très fins avec une faible portion de perlite précipitée aux joints de grains (Fig.3.2). La ZF apparaît formée de plusieurs zones, une zone brute de solidification (dernière passe) constituée d une forte proportion de ferrite aciculaire et un peu de ferrite pro-eutectique (Fig.3.3) et des zones 1 2

4 3 4 Fig.3 Microstructures 1. MB 2. ZAT, 3. jz F passe 9 4. ZF passe 2 ayants subis un recuit constituées essentiellement de ferrite de grain de forme stabilisée plus une très faible portion de perlite (Fig3.4). 3.5 Essais mécaniques Les essais de traction ont été réalisés su une machine de traction Istron-Satec de capacité de 600 KN selon la norme AFNOR NF A La ténacité du matériau a été évaluée par l essai de résilience Charpy v, à cet effet, des éprouvettes de résilience ont été prélevées et entaillées au niveau de la ZF selon la norme AFNOR NF A Les résultats des essais de traction et de résiliences déterminées pour cet assemblage, d abord à l état brut de soudage, puis après traitement thermique de relaxation sont regroupés dans le tableau.3. Les mesures de la dureté Vickers Hv5 ont été effectuées à l aide d un duromètre VISHAY- RS 200 d Istron sur ¼ du joint X, des filiations de dureté de la ZF jusqu au MB ont été réalisées. Les résultats d essai de dureté sont représentés dans la figure 4. Résultats Rm( MPa) A% Kcv (daj/cm 2 ) Métal de base MB Brut de soudage (NT) ZF Traitée à ZF Traitée à ZF Tableau. 3 Résultats des essais de traction et de résilience Distance ZF MB mm Fig. 4. Dureté Vickers Hv5

5 4 Discussion La structure observée dans la dernière passe est une conséquence des éléments à dipersoides surtout le Nb, qui favorise la précipitation de la ferrite aciculaire [1,2]. L affinement des grains de la ZF remarqué lorsqu on passe de la dernière à la deuxième passe (Fig.3.3, Fig3.4) est du à l effet des cycles thermiques répétés, tel que les zones dont la température dépasse le Ac3 subissent un phénomène de régénération structurale, par le passage à l état austénitique à l échauffement, suivi d une nouvelle transformation au refroidissement, ce qui efface et remplace la structure antérieure. Le même phénomène s est produit dans la ZAT, le Nb forme des particules stables de type NbC même aux températures acquises dans la ZAT proche de T 1000, qui permet d avoir une structure très fine (Fig.3.2)[1,3]. L augmentation de la température du traitement produit un adoucissement de la ZF, qui se traduit par une réduction des caractéristiques de traction à savoir la résistance à la rupture et la limite d élasticité et la dureté (Tableau.3, Fig.4), cela est valable tant que la température de traitement est inférieur à la température de transformation structurale de l acier Ac3 [4, 5,6,10]. Par contre, on remarque qu une élévation de la température entraîne une amélioration de la ténacité et l allongement à la rupture (Tableau.3). La Fig.4 montre une augmentation de la dureté avec la température de traitement au niveau du MB, le durcissement est obtenu par la précipitation des carbonitrures dans la ferrite [1,7]. La présence des carbonitrures empêche le grossissement de grains, et raffine les grains ce qui diminue l effet de fragilisation par précipitation [7]. 5 Conclusion Les traitements thermiques effectués à 600 et à 650 produisent un adoucissement du joint soudé qui se traduit par une réduction des caractéristiques de traction à savoir la résistance à la rupture et la limite d élasticité. Pour la résilience par contre, une nette amélioration est obtenue. Nous recommandons le traitement à la température de 650 C pour cet acier pour les meilleurs résultats obtenus en termes de relaxation. Dans les deux cas, la décontraction du joint soudé est obtenue sans affecter considérablement la microstructure du matériau et ces caractéristiques mécaniques, tel que les caractéristiques mécaniques obtenues après relaxation sont très acceptables pour l objectif dans lequel ces joints soudées sont utilisés. 6 References [1] C.Shiga and al, Welding in the World 4 (1996) , [2] M. Charleux and al, Metallurgical and Materials Transactions 32 (July 2001) [3] La Revue de Métallurgie-CIT/Science et Génie des Matériaux (Septembre 1999) [4] P.Lallet et Rimbaud, Soudage et Techniques Connexes (Septembre-Octobre 1994) [5] A. Leclou, Soudage et Techniques Connexes (Mai - Juin 1988) [6] S. Debiez, Soudage et Techniques Connexes (Mai - Juin 1988) [7] G. Pimenla and F. Bastin, Journal of Materials Engineering and Performance 11 (April 2002) , [8]. S Ravi, V Balasubramanian, S.N. Nasser, International journal of fatigue (2005). [9].Y Shi, Z Han, Journal of materials processing technology (2008). [10]. DR. S.P. TEWARI, International Journal of Engineering Science and Technology 2(2010)