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Cours métallurgie soudage Word Novembre 2014 .pdf



Nom original: Cours métallurgie soudage Word Novembre 2014.pdf
Auteur: H

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I-

Définition du soudage :

Le soudage fait appel à la notion de continuité.
C’est une opération par lequel on établit la continuité entre deux parties à assembler par divers
moyens. « e duobus unum ».
On distingue trois mécanismes conduisant à la continuité métallique :
1- Mécanisme par rapprochement en phase solide (effort mécanique).
a. il intervient à chaud ou à froid (par déformation)
i. soudage par ultrason (ou soudage par pression à froid)
ii. soudage par résistance (ou par friction)
b. Conséquence :
i. La déformation provoque l’écrouissage et la structure cristalline est
altérée.
ii. La continuité métallique peut être complétée par le phénomène de
recristallisation si la déformation à lieu à chaud.
2- Mécanisme de diffusion
a. Soudage dit par diffusion
i. Si l’interface est liquide-solide, il y a création d’une zone d’alliage
sur une très faible épaisseur au-delà de l’interface. C’est le
processus du brassage qui caractérise la solidification par
solidification d’une phase liquide sur une phase solide.
3- Mécanisme reposant sur la solidification d’un liquide sur un solide.
La continuité est assurée par le phénomène d’épitaxie. Les premiers
cristaux solidifiés adoptent l’orientation des cristaux du métal
solide.
Cas particulier : continuité faisant intervenir une interface vapeur-solide (revêtement de
surface croissant par épitaxie).
II-

Aspect Thermique.

La plupart des procédés de soudage font intervenir une source de chaleur :
iii-

en mouvement
immobile (résistance par points)

Une comparaison des différentes puissances de flux de chaleur mises en jeu est illustrée
par la représentation de Rykaline appelée « tache de chauffe ». On observe que la densité
d’énergie mesurée au point focale d’un faisceau laser est 10000 fois plus élevée que celle
relevée au dard d’une flamme d’un chalumeau.
La localisation des flux thermique au centre des sources de la chaleur et de leurs diamètres
lors du soudage de plusieurs procédés entraine les conséquences suivantes :
i-

Échauffements rapides : l’évaluation des vitesses de chauffage permet de prévoir
et interpréter les effets métallurgiques. C’est le séjour à la température maximale,

ii-

donc proche de la température de fusion, qui a un effet d’un point de vu
métallurgique sur la différence entre les structures.
Pour chaque température maximale, il en résulte un gradient de température qui
entraine une vitesse de refroidissement.

Le passage de l’état liquide (fusion) à l’état solide (solidification) crée le phénomène de retrait
et le caractère localisé de la soudure fait intervenir la dilatation thermique.
Conséquences :
-

Déformations
Contraintes au niveau des joints de soudures

Diagramme de Rykaline
III-

Aspect Chimique.

Il se produit une évolution de la composition chimique du métal fondu lors du soudage
mais durant un temps très court (opération rapide) :
i-

Des éléments constitutifs
1- Éléments volatiles qui peuvent être compensés par des additions.
2- Réactions chimiques entres éléments présents. (carbures, nitrures)

Conséquences :
Les propriétés sont altérées :
a) Propriétés mécaniques
b) Composés insolubles
c) Dégagement gazeux.
ii-

Contact avec le milieu environnant (gazeux ou liquide).
a) Si le métal fondu réagit fortement avec le milieu gazeux, il
faut apporter une protection contre les effets néfastes que
sont l’oxygène et l’azote de l’air.

Solutions : - Utilisation des enrobages et des flux qui produise des laitiers

iii-

séparant le métal fondu de l’atmosphère.
Intervention des gaz protecteurs : Argon.

Contact avec le métal de base. Par fusion, une partie appréciable du
métal de base s’incorpore au métal fondu qui fait varier la dilution par
sa pénétration

Application : Soudage des alliages d’aluminium 6000 et 7000
Propriétés des alliages d’aluminium.
1- Conductivité thermique élevée
i-

Il faut des sources de chaleurs à grandes densité d’énergie pour réduire la durée
du cycle thermique.

ii-

Diminution des gradients de température d’où des déformations moindres.

Positions des thermocouples

Cycles thermiques

Lois de refroidissements et ∆T/∆t (800-500 °C)

2- Coefficient de dilatation élevé
i-

éviter le bridage

3- Module d’élasticité faible
i-

faible contraintes résiduelles

4- Absence de transformation allotropique
i-

ne permet pas d’affiner le grain

ii-

risque de grossissement de grains

5- Grande affinité avec l’oxygène
i-

Protection adéquate

6- Température de fusion basse

Température de fusion

Coefficient de dilatation ∝ (10-6)

Affinité pour l’oxygène

Résistivité

APPLICATION SOUDAGE DES ALLIAGES ALUMINIUM

Propriétés physiques des alliages d’aluminium de la famille 6000 et 7000
Coef. de
Température Température
Module
dilatation
Densité
Alliages
du solidus
du liquidus
d’Young
(g/cm3)
thermique ∝
(°C)
(°C)
(GPa)
-6
-1
(10 K )
6061
(0,7% Si)
25
593
651
69
2.7
7020
(5% Zn)
« A-Z5G »

25

477

635

72

2.8

Composition chimique du 6061 (masse %)

Diagramme de phase Al-Si (Joanne Murray).

Al5%Zn-Mg

Soudabilité

(%) =

∗ ,

. ∗

=

,

,

=

,

,

= ,

%

Le soudage entraine nécessairement la solidification du bain liquide qu’on
appelle la zone fondue. Une contraction se produit lors du passage de la
phase liquide à la phase solide : c’est le retrait. Il est du à la différence entre
le volume molaire des phases solide et liquide.
Il y a risque de fissuration à chaud à la fin de solidification.
En plus un phénomène physique rentre en jeu qui est la dilatation durant
l’intervalle de température ∆T dans le domaine biphasé.
Si on considère que les deux pièces sont bridées avec une zone fondue en
court de solidification, la déformation due à la solidification qui en résulte
s’écrit :
ε = ∝.∆T

D’après le tableau les déformations subies lors de la solidification sont :
Alliage 6000 : 25 10-6 . (651-593) = 0,145 %
Alliage 7000 : 25 10-6 . (635-477) = 0,395 %
Au cours du refroidissement dans le domaine biphasé qui peut être
considéré comme un état pâteux, il y a risque de séparation des dendrites de
l’alliage d’aluminium de la famille 7000.
Conséquence :
Comme la déformation est importante, l’alliage d’aluminium de la famille
7000 n’est pas soudable.

Métal d’apport
1- Le métal d’apport doit contenir les mêmes éléments d’additions que
le métal de base (même composition).

2- Pour éviter de faire fondre une partie importante du métal de base, le
métal d’apport doit avoir un bas point de fusion et un faible intervalle
de solidification.
Le diagramme de phase Al-Si montre que l’alliage idéal pour le métal
d’apport est l’alliage d’aluminium de composition eutectique à 12,6 % de
Si.

Microstructure
Au début de la soudure, le bain liquide est constitué par le mélange d’une
partie de l’alliage 6061 à 0,7 % de Si, entrée en fusion, et de l’alliage du
métal d’apport à 12,6 % de Si. C’est la dilution
Comme le bain est constituée en majeur partie par le métal d’apport la
composition du bain est proche de l’eutectique.
La solidification du bain peut être interprété comme la solidification d’un
alliage proeutectique de composition moyenne.
On peut exprimer la composition comme :
(%) =

é .

∗ (%)

é .

+

é .



(%)

é .

a) Jusqu’à 577 °C + T Il y a formation de grains, riche en Aluminium
proeutectique, de composition 1,65 % de Silicium baignés dans le
liquide de composition 12,6 % de Si.
b) À 577 °C la réaction eutectique prend place jusqu’à disparition
complète du liquide eutectique.
(%

)

,



(% )

,

+

Aluminium
Les métaux purs tels que le titane, l’aluminium et le magnésium communément utilisés
comme matériaux structuraux font partie des 14 métaux dont la densité est ≤ 4.5 Mg m -3.
L’aluminium est l’élément le plus abondant de l’écorce terrestre avec une proportion
d’environ 8 % de la lithosphère sous forme de silicate après l’oxygène et le silicium.
L’aluminium a une densité faible (2,7 g/cm3). La figure ci-dessous représente le pourcentage
d’aluminium utilisé dans l’Airbus A340 et le tableau donne les différentes famille d’alliage de
l’aluminium.

Pourcentage des matériaux utilisés dans l’Airbus A340

Tableau : Désignation des alliages d’aluminium
Séries d’alliages

Éléments d’alliages principaux

1XXX

99% d’aluminium minimum

2XXX

Cuivre

3XXX

Manganèse

4XXX

Silicium

5XXX

Magnésium

6XXX

Magnésium et silicium

7XXX

Zinc

8XXX

Autres éléments

Soudabilité des alliages d’aluminium

Aptitudes technologiques des alliages d’aluminium
L’alliage d’aluminium de la famille 2000 (Duraluminium 4%Cu) n’est pas soudable et est
assemblé par rivetage (fuselage d’avion).

Influence des soudures
Pourvu que le soudage soit fait dans les règles de l’art, avec les fils d’apport
recommandés par les normes et les règlements, l’expérience montre que le
cordon de soudure et la zone affectée thermiquement ne constituent pas une
zone préférentielle de corrosion sur les assemblages soudés des alliages des
familles 1000, 3000, 5000 et 6000. Dans la chaudronnerie navale ou industrielle,
il est courant de souder ensemble des tôles en alliages 5083, 5086, 5754,…, avec
des demi-produits filés en alliages 6005 A, 6082,… L’alliage 7020, de la famille
7000, à 5 % de zinc et sans cuivre, autrefois appelé « A-Z5G », développé dans
les années 60, présente l’indiscutable avantage d’être « autotrempant », en ce
sens qu’après soudage, la « zone affectée thermiquement » de part et d’autre du
cordon de soudure retrouve, après refroidissement, des caractéristiques
mécaniques proches de l’état T4.
Néanmoins, cet alliage présente une très grande sensibilité à la corrosion
feuilletante dans la zone affectée thermiquement. Cette corrosion peut se
développer très rapidement. Il a été démontré qu’elle peut entraîner, en quelques
mois de service, la ruine d’une structure soudée soumise à un milieu agressif. En
dépit d’efforts de recherches métallurgiques menées encore par beaucoup de
laboratoires, il n’a pas été possible de trouver un remède pour désensibiliser
l’alliage 7020 soudé à la corrosion feuilletante.

Quelques diagrammes d’équilibres des alliages d’aluminium

Diagramme Aluminoum-Cuivre. Famille 2XXX (Joanne Murray)

Diagramme Aluminium-Magnésium. Famille 5XXX

Diagramme Aluminium-Zinc (7XXX)

Phénomènes Thermiques et métallurgiques
L’étude thermique de l’opération de soudage permet l’interprétation qualitative
et quantitative des phénomènes thermiques et métallurgiques.
Les opérations de soudages modifient profondément :
1- les structures métallurgiques
2- les propriétés locales des pièces soudées.
Il est important de connaitre l’influence des différents facteurs tels que :
iles cycles thermiques de soudage
iila composition chimique des pièces à assembler.
Le cycle thermique traduit l’évacuation de la chaleur en tout point au voisinage
de la zone soudée. Il dépend :
i-

du procédé (quantité de chaleur effective mise en jeu).

ii-

du matériau (conductivité thermique)

iii-

de la géométrie de l’assemblage.

L’équation différentielle de la chaleur d’une source de chaleur qui se déplace à
vitesse constante dans un système mobile lié à la source en régime stationnaire
s’écrit :



+

+

=

;

=



⇒∝

+

+

=−

θ : température
t : temps
∝ = λ/ρC : diffusivité thermique du matériau (m2s-1).
λ : conductibilité thermique (J.m-1°K-1s-1).
ρC : capacité calorifique volumique (J.m-3°K-1).

La résolution de l’équation considère deux cas selon l’écoulement de la chaleur
dans les produits épais ou mince.

i-

pour les produits épais, l’écoulement de la chaleur est radial par
rapport à la source.

Système de coordonnées

Tôle épaisse

L’évolution de la température en fonction du temps et de la distance s’écrit:
=
q: apport calorifique (J)

=

+

(

+

+

)

q/v: énergie linéaire (chaleur introduite par unité de longueur du joint de
soudure)
θ0 : température initiale.

Système de coordonnées

Tôle mince

ii- pour les produits minces d’épaisseur d, l’écoulement de la chaleur est
négligeable dans le sens de l’épaisseur et la solution s’écrit :
=

+

(

)

Représentation spatiale des températures
Particularité :
La répartition spatiale des températures en soudage est représentée par le solide thermique.
(Portevin, Séférian) qui montre :
Les différences de température en amont et en aval de la source de chaleur.
Le réseau est plus dense en amont.
La phase d’échauffement est plus marquée que la phase de refroidissement.
Puisque la vitesse de propagation de la chaleur est finie (Elle n’est pas instantanée) les
fibres parallèles à l’axe de soudage n’atteignent pas simultanément leur température
maximale. Ce lieu des points maximum est représenté par la courbe « m ».

Coupes isothermes

Isothermes en régime stationnaire

Cette répartition de la chaleur est mise en évidence lors du soudage des tôles minces et
épaisses
Acier (C-Mn) q=3kW, v=48cm/min

Épaisseur d=3cm

Épaisseur infini

Pour les produits minces la distribution des températures est étalée dans le sens longitudinale et
transversale.
Pour les produits épais la dissipation de la chaleur est suivant l’épaisseur.

Cycle thermique
Remarque :
- On observe une phase d’échauffement très rapide (102 °C/s : soudage à l’arc)
- Passage par la température maximum θM (le temps de maintien à cette température est
faible surtout quand θM est élevée).

- Une phase de refroidissement dont l’intensité est caractérisée par deux températures bien
déterminées:
iii-

Un refroidissement entre 800 et 500 °C : Δ
Un refroidissement entre 700 et 300 °C : Δ

La majeure partie des transformations métallurgiques interviennent dans ces gammes de
température pour les aciers de construction (carbone-manganèse).
La structure métallurgique finale dans la ZAC dépend de la température maximale θM et de
Δ

Température maximale θM

Les équations donnant l’évolution de la température θ en fonction du temps et de la position r
présente une singularité au point r = 0. (
→∞
→ )
On impose une condition θM = θf (température de fusion) à la limite de la zone de fusion de
rayon R au temps tM où la température est maximum.

à la température tM :
=0

Les solutions pour les tôles épaisses et minces sont :
1


=

(
2



)

+

1


Tôles épaisses (variation en 1/r2)

1


=

√2

+

1


Tôles minces (variation en 1/r)

Remarque :
i - L’équation donnant le pic de la température peut être utilisée pour calculer la
largeur de la ZAT.
ii – La largeur de la ZAT est déterminée en introduisant la valeur de r qui
correspond à θM égale précisément à la température particulière de
transformation (température de recristallisation, température d’austénisation…)
iii - l’équation ne peut être utilisée pour estimer la largeur de la zone de fusion
puisque elle présente une singularité à θM = θf

Paramètre de refroidissement
Les solutions pour les tôles épaisses et minces donnent :

(° ) =

(



)



(



)

(° ) =

Tôles épaisses

(



)



(



Tôles minces

Vitesse de solidification
La vitesse à laquelle le métal fondu de la soudure se solidifie peut avoir un grand effet sur sa
microstructure, ses propriétés et permet de prévoir le traitement de pst chauffage.
Le temps de solidification, du début jusqu’à la fin de solidification est donné par :
( )=

( −
)
Temps de solidification (en seconde)

L : chaleur latente de fusion (J/mm3)
λ : conductibilité thermique (Jm-1 °K-1 s-1)

La vitesse de solidification, qui dérive du temps de solidification, détermine le mode de
croissance (gradient de température : colonnaire, équiaxe…) et la dimension des grains.

Vitesse de refroidissement
La vitesse de refroidissement est estimée pour déterminer la nécessité d’un préchauffage. Elle
influence :
iii-

le grossissement ou l’affinement des grains de la structure finale.
l’homogénéité, la distribution et la forme des phases et des constituants dans la
microstructure tant au niveau de la ZAT que dans la ZF.

iii-

si la vitesse de refroidissement est très élevée dans les aciers (dureté ; martensite ;
susceptibilité à la fragilisation par hydrogène…).

)

Tôles épaisses
°

= −

(


/

Tôles minces
)

°
=−


)

/

(

Vitesses de refroidissements
L’augmentation de la température initiale (avant l’opération de soudure) θ0 ou l’application
d’un préchauffage diminue la vitesse de refroidissement.
Remarque 1 :
a- En réalité les différents points d’un même joint soudé subissent la même loi de
refroidissement. Ainsi les différentes zones d’un joint soudé sont caractérisées par une
valeur unique du paramètre de refroidissement ΔT(800-500).
b- L’évolution de la microstructure qui conditionne les propriétés de la soudure dépend de la
température maximale.
c- Il est donc intéressant de lier le paramètre de soudage avec condition opératoires que
sont : l’énergie linéaire de soudage, l’épaisseur…

Influence de l’épaisseur et de l’énergie de soudage
L’épaisseur critique traduit la modification de la nature de l’écoulement de la chaleur dans
le joint soudé qu’il soit bidimensionnel ou tridimensionnel.

Facteur d’épaisseur τ :
Si τ ≤ 0,75 l’équation des tôles minces est valable
Si τ ≥ 0,75 l’équation des tôles épaisses est valable

Flux de chaleur tridimensionnel:
tôle épaisse

Flux de chaleur
bidimensionnel : tôle mince

Condition intermédiaire

> 0,9

0,6 <
(

=

Application :

< 0,9


/

< 0,6

)

Calculer les différents τ pour les différents aciers : ρC = 0,0044 J/mm3 °K ; f =1500 °C;
q = 3.1 kJ/s; d = 3 mm ; v = 8 mm/s et q = 3.1 kJ/s ; d = 6 mm ; v = 8 mm/s
=
=

,
,

. ∗
. ∗

°
°

.
.

(
(

.
.









0

= 25 °C

= .
= .

Effet des paramètres de soudage sur la distribution de la chaleur.
La forme de la zone fondue, les dimensions et la distribution de la chaleur est fonction de :
1- du matériau
a. conductivité thermique.
b. capacité calorifique.
c. densité.
2- vitesse de soudage.
3- la densité de puissance et l’énergie de soudage.
4- épaisseur des tôles à souder.

i – Effet de la conductivité thermique.
L’augmentation de la conductivité thermique tend à disperser la chaleur.
i – Pour les tôles minces, la source de chaleur est assimilée à une ligne s’étendant à travers la
tôle.
ii – Pour les tôles très épaisses, il est plus approprié de représenter la source de chaleur
comme ponctuelle, donnant un champ de température radialement symétrique.

Matériaux

Effet de la diffusivité thermique sur la distribution de la chaleur
Diffusivité
thermique
=λ/ρC(
)

Aluminium

84 10-6

Acier au
carbone

12 10-6

Acier
austénitique

4 10-6

Conséquences :
Les distorsions posent plus de problèmes dans les structures minces.
Il est intéressant de considérer certaines caractéristiques de la distribution
théorique :
a- Près de la ligne de soudure, un point donné dans la tôle chauffe
rapidement et refroidit lentement.
b- La ligne représentée en pointillée qui joint les maximums des
isothermes séparent les régions qui ont étés chauffées de celles qui
refroidissent.
c- La pente de cette courbe bien en arrière du cordon indique le retard de
la température pris dans le réseau.
i- Le retard augmente quand la diffusivité diminue (acier
austénitique).
j- Augmente avec la vitesse de soudage.
d- Pour les mêmes conditions fixées de soudage, les différences peuvent
être très grandes entres les matériaux de différentes propriétés
thermiques.
e- La largeur du maximum de chaque isotherme est étroitement liée à la
chaleur introduite par unité de longueur (q/v) et l’épaisseur (d).

A
C
I
E
R

q = 3.1 kJ/s ; d = 3 mm ; v = 16 mm/s
q/v = 193.75 J/mm

q = 3.1 kJ/s ; d = 3 mm ; v = 8 mm/s
q/v = 387.5 J/mm

QZ²

Au
C
A
R
B
O
N
E

q = 3.1 kJ/s ; d = 3 mm ; v = 8 mm/s; τ=0.39

τ=0.81
q = 3.1 kJ/s ; d = 6 mm ; v = 8 mm/s
Acier au carbone

A
L
U
M
I
N
I
U
M
Profile de température direction transverse
Tôle d’aluminium : q =3.1 kJ/s ; d =60 mm ; v =8 mm/s
La largeur maximum de l’isotherme à la température T peut s’écrire approximativement
comme (Okerblom) :
=

Cette expression peut prêter à confusion dans quelques exemples pratiques, car on a négligé le
terme qui tient compte de la diffusivité du matériau à souder.
En réalité, en tenant compte de la diffusivité, Wells a formulé la largeur maximum de
l’isotherme comme :
=



Application : 300°C ; 600°C ; 800°C.
°

=

.



.



°
°
°

=

=

=

.

.

i i– Effet de la vitesse de soudage

,





= .

= .

= .

Pour un point de soudure (soudure stationnaire), la forme de la coupe de la soudure est
circulaire et approximativement hémisphérique dans l’espace tridimensionnel 3D.
Si la source est mobile avec une vitesse constante, la zone fondue et la ZAT qui l’entoure
adopte une forme elliptique allongée suivant une coupe plane et une forme sphéroïdale
allongée suivant une vue tridimensionnelle.
Pour de spécifiques matériaux, l’augmentation de la vitesse entraine des soudures en
forme de goutte (scracth)

Acier au carbone ; q = 3.1 kJ/s ; d = 3 mm

Effet de la vitesse de soudage sur la forme de la zone fondue
Vitesse de
soudage

nulle

faible

moyenne

élevée

Très élevée

Coupe (2D)
bidimensionnelle
(plan)
Vue (3D)
tridimensionnelle

Cercle

Elliptique

Ellipse
allongée

Scratch
(goutte)

Scratch
détaché

Semisphérique

Sphéroïdale

Sphéroïdale
allongée

Forme de

Scratch 3D

scratch

Augmentation de la vitesse

Sens du soudage

Soudure en forme de
gouttes continues

Vitesse de soudage élevée
Soudure en forme de
gouttes discontinues

Vitesse de soudage très élevée

Application : vitesse de soudage.
1 - Pour les tôles épaisses, Rosenthal a exprimé la vitesse de refroidissement comme :
R

°K
2πλ(θ − θ )
= −
s
q/v

Une vitesse rapide de refroidissement devrait être associée avec un faible taux de chaleur
introduite dans la soudure.

La figure donne l’allure de la courbe de refroidissement calculée d’après l’équation R (°K/s)
sur laquelle on a représenté la courbe de refroidissement en un point de la ZAT d’après les
équations de la chaleur.

q/v=2 kJ/mm ; v= 4mm/s
Évolution de la température du cordon en
fonction de la distance avant la source et
au point R.

Représentation du point R

Pour les grandes distances derrière la source de chaleur (80 à 100mm), les vitesses de
refroidissement dans le cordon et dans la ZAT sont très proches avec une faible erreur.
Pour des distances proches de la source de chaleur les vitesses de refroidissement très
différents.
Pour certains aciers où il y a risque de fissuration par l’hydrogène, il recommandé d’abaisser
la vitesse de refroidissement au niveau de la ZAT, vers une température critique autour de 300
°C
Une amélioration utile peut etre effectuée en envisageant un préchauffage ; ainsi la
température θ0 figurant dans l’équation de R (°C/s) est remplacée par 300 °C au lieu de la
température ambiante d e 25 °C.
Pour un préchauffage de 100 °C, la vitesse de refroidissement est réduite dans un rapport :

- [(300-100)/300]2 pour les tôles épaisses
- [(300-100)/300]3 pour les tôles minces

Un préchauffage a peu d’effet sur la vitesse de refroidissement pour les
hautes températures.
2 – Pour les matériaux qui on une vitesse de trempe élevée, tels que les aciers à haut carbone,
la condition de soudage qui consiste à diminuer la vitesse de refroidissement par
l’augmentation de la chaleur introduite q/v conduira à augmenter les dimensions du cordon et
par suite la zone affectée thermiquement.
D’autre par une réduction de la chaleur spécifique q/v sont favorables pour les matériaux qui
ne doivent pas subir les hautes températures dans le temps tels que les alliages d’aluminium
subissant les traitements thermiques (5xxx ; 2xxx ; 7xxx…).

Vitesse de refroidissement R(°K/s) à 300 °C en fonction de l’inverse de la chaleur introduite
dans la ZAT avec et sans préchauffage (tôles épaisses acier au carbone)

i i i– Effet de l’épaisseur

Augmentation de l’épaisseur

Acier au carbone.

q= 3.1 kJ/s ; v = 8 mm/s

(

=

)


/

iv - Effet du coefficient de dilatation sur la contraction longitudinale due à
une seule passe.
Les déformations thermiques sont très difficiles à calculer que les températures.
Okerblom a observé que la contraction longitudinale est liée à la chaleur spécifique q/v et aux
propriétés thermiques avec une pente 1/3.
Elle s’écrit comme :
=

1
3

∝ 1

∝ : coefficient d’expansion (K-1) ; (acier au carbone : ∝= 14 10-6 K-1).

∝/ρC : facteur de distorsion (m3/J) ; (acier au carbone : ∝/ρC = 3.1 10-12 m3/J)

ρC : capacité calorifique volumique ; (acier au carbone : ρC = 0,0044 J/mm3 °K).
A : section transversale.

Énergie linéaire de soudage
C’est le terme q/v.
Un soudage effectué à une tension U (volts : V) et une intensité I (Ampères : A) développe
une énergie linéaire électrique Ee (énergie nominale) qui s’écrit :
=

(

= )

( )

( )

Le procédé de soudage fait intervenir un coefficient de rendement thermique ηP qui exprime la
quantité thermique effectivement transférée à la pièce quand le procédé développe l’énergie
électrique Ee. Ainsi on définie l’énergie dissipée (corrigée ou transférée thermiquement) Ed :
=

=

Procédé de soudage

Rendement thermique

Soudage à l’arc submergé

0.9

Soudage à l’électrode enrobée

0.7 – 0.85

Soudage MIG

0.7 – 0.85

Soudage TIG

0.2 – 0.8

Soudage par faisceau d’électrons

0.8 – 0.95

Laser

0.4 – 0.7

Le type d’assemblage est aussi caractérisé par un coefficient de géométrie du joint ηG.
j jj η

=

=

(

)=

180
2
=
270 3

Valeurs de ηG (ou k) suivant le type d’assemblage et la forme du chanfrein.

L’énergie linéaire de soudage effective ou énergie équivalente ( Eeq) Eeff s’écrit :
=

Remarque :



Critère d’épaisseur d (mm) et l’estimation de ΔT800 °C500 °C en fonction de l’énergie linéaire.
Le temps de refroidissement doit être maitrisé convenablement pour éviter les problèmes de
fissuration.
a - On considèrera une tôle comme épaisse si d (mm) vérifie la relation lorsqu’on considère
ΔT800 °C500 °C:
(

) > 4.5

(

)

b – Si on considère ΔT700 °C300 °C on est dans le cas des tôles épaisses lorsque :
(

)> .

(

)

c - L’IRSID a établit un abaque pour la prévision de ΔT800 500 a partir des paramètres de
soudage dans le cas du soudage à l’arc.

Application :
Estimer la durée de refroidissement 800-500°C ΔT800500 pour une soudure avec une électrode
enrobée (procédé 111) sur deux tôles plates sans chanfrein. La baguette utilisée est de
diamètre ϕ = 3 mm et la vitesse de soudage est de v = 15 mm/s.
Formulations :

I (A) = 50*{ϕ(mm) -1}; U (V) = [0.04*I (A)] + 21; l’énergie électrique linéaire ou nominale
s’écrit :

é

I (A) = 50*{3 -1} = 100 A;
é

= 0.06

(



/

)

(

)

U (V) = [0.04*100] + 21= 25 V

=

(

)=

.

/

Quelques valeurs de
Procédé
de soudage

suivant les différents procédés de soudage

TIG

Laser

<3s

<5s

Électrode
enrobée
2 à 15 s

MIG-MAG
4 à 30 s

Arc
submergée
5 à 50 s

Dilution
La réponse métallurgique de chaque partie du joint de soudure dépendra de la composition
chimique.
a – La composition de la zone fondue a une composition relativement uniforme ; ceci est du
aux courants de convection et à l’agitation du bain liquide. La proportion est exprimée comme
le taux de dilution. Elle est définie comme la fraction du matériau dissout dans la zone
fondue.
Dans le cas d’une soudure autogène homogène (pas de métal d’apport), le taux de dilution est
100 %.
La dilution peut être estimée graphiquement.

Constituants d'une zone de soudage

Fig n° 02 : Microstructure de la soudure

APPLICATIONS
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Exercice (température) 1.
Une soudure a été exécutée en une seule passe sur un acier. Les paramètres de la
soudure sont :
θf = 1500 °C ; E = 20 V ; I = 200 A ; vitesse de la soudure v = 5 mm/s ; θ0 = 25 °C ; le
rendement thermique η = 0.9 (soudage à l’arc submergé) ; ρC = 0,0044 J/mm3 °K.
(capacité calorifique volumique) ; d = 5 mm.

i – Calculer les températures maximales aux distances 1,5 et 3 mm à partir de la
frontière de la zone fondue de la soudure.
ii – Calculer la largeur de la ZAT si la température de recristallisation est 730 °C.
iii – Quelle est l’influence sur la largeur de la ZAT si un préchauffage est utilisé à
200 °C.
iv – quelle est l’influence sur la largeur de la ZAT si l’énergie nette est augmentée de
10 %.

Solution
Calcul de la chaleur effective Qeff .
=
(

=

=

)


/

.





=

(

°

=

=





< 0.6 ; on utilisera les équations des tôles minces.

= .

a- À la distance 1.5 mm :

=

=

.

( .

√ ∗ .
=

°

∗ . ∗ ,

.

)−

°

=

∗ ,


+

°
°

=

( .

.

)−


°

+



∗ .



∗ .
+

° =

.

. °

=



+
+
= .

°
°

( .

)=

. °

b- À la distance 3 mm :

=

(

√ ∗ .

)−

°

∗ . ∗ ,

= .

°

(

+ .
(

=

)−



+
°





°

° =

)=

=
. °

.

=



+

,

°

°

°

§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§

Exercice 2
Quelle est la vitesse de soudage la plus appropriée pour effectuer une soudure sur des
tôles en acier de 6 mm d’épaisseur à température ambiante de 25 °C. Les conditions
opératoires de la soudure sont : sous une tension de 25 V et d’un courant de 300 A. Le
rendement de l’arc est η = 0,9 et l’intervalle des vitesses possibles est entre 5 et 10 mm/s.
La vitesse de refroidissement la plus satisfaisante est de 6 °C/s à la température 550 °C.

Solution
Calculons la chaleur effective pour estimer le facteur d’épaisseur et vérifier si on est
dans le cas des tôles minces ou épaisses. Pour ce faire on choisira une vitesse de 9 mm/s
=

.

=

Types de tôles ?

=

Pour les tôles en acier :
=

(


/

)



=



=

.

=
;

=

(



)

= .

< 0.6 ; il s’agit alors d’une tôle mince et la vitesse de refroidissement qui sera prise en
compte est :

°

= .



°

=

(

=

.



)





=

(

)

.

La valeur de la vitesse de refroidissement (calculée avec 9 mm/s) est très élevée par
rapport à celle qui est recommandée. On refera la même démarche en effectuant les
calculs avec une vitesse plus basse, soit 7 mm/s.
=
=

=

(

.


)


/



=

.

=

°

= .



°

=

(

=

.

(

.

C’est toujours le cas des tôles minces.



.

)

= .

)



.





=

=

,

(

)

.

La vitesse de refroidissement est très basse par rapport à celle recommandée de 6 °C/s.
On recommencera le calcul pour 8 mm/s.
=
=

(

=


/

.


)



=



.

=

(

=

(

.
°

= .

=





)
.

.

)

= .

(

)

°

=

.





,

=

.

Cette vitesse de 5.66 mm/s est proche de celle recommandée et peut être adoptée comme
vitesse de soudage.
§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§

Exercice (quantité de chaleur)
q: apport calorifique (J)
q/v: énergie linéaire (chaleur introduite par unité de longueur du joint de soudure :
Jsm-1)
Calculer la chaleur introduite effective lors du soudage d’une tôle d’acier avec les
paramètres électrique suivants :
- courant de soudage: 150 A
- tension de soudage: 30 V
- vitesse de soudage: 0.5 mm/sec
- rendement thermique P = 0.8 (80 % de la chaleur générée par l’arc est transférée à la
tôle lors de la soudure)

Solution :
La quantité de chaleur introduite par unité de longueur (chaleur nette générée par le
procédé s’écrit : Qeff = P (q/v)
Qeff = 0.8 (30 V*150 A)/0.5 mms-1 = 7200 J/mm = 7.2 kJ/mm.
§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§

Exercice (largeur «width » et profondeur depth « p »)
i - Largeur de la zone fondue et le paramètre n.
ii - Calculer la largeur et la profondeur de la zone fondu considérée comme symétrique.
iii - Estimer la largeur de la ZAT en supposant que les transformations de phases ont
lieu à 740 °C.
= 1500 °C ; U = 20 V ; I = 200 A ; v = 5 mm/s ;
C = 44 10-4; d= 5 mm.
f

Solution:

0

= 25 °C;

P

=0.9;

= 40 Jm-1K-1s-1 ;

=

p : profondeur

;

=

(



)

Q : vitesse de chaleur introduite dans la pièce (J/s)
: diffusivité thermique ( = / C ; m2s-1)
f

et

0

respectivement les températures de fusion et à l’ambiante.

Pour un cordon de soudure symétrique w = 2p
§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§

Exercice largeur de l’isotherme aluminium
q = 3.1 kJ/s; v= 8mm/s ; d = 60 mm ; / C = 84 10-6 m3s-1; C = 2.7 106 Jm-3°C-1.
conductivité thermique de Al : (Al J/m s °C)) =
=

=
(

)=

.

= .



.

=

+

§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§

Exercice largeur de l’isotherme acier carbone
C 0.0044 J mm-3 K-1
q = 3.1 kJ/s; C= 0.0044 J mm-3 K-1; v 8mm/s et 16 mm/s; d = 3 mm
=

= .

.


.

q = 3.1 kJ/s; v = 8mm/s ; d = 3 mm ; d = 6 mm et d = 100 mm

+

=

=



.

= .

.

q = 3.1 kJ/s; v = 8mm/s ; d = 3 mm ; d = 6 mm et d = 100 mm

=

=

=



.

= .

.

.

+

.

+



.

= .

+



.

= .

=

+

=

=

= .

§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§

Exercice : Zones de soudure
Une soudure a été exécutée sur un acier. Les paramètres de la soudure sont :
θf = 1500 °C ; E = 20 V ; I = 200 A ; vitesse de la soudure v = 5 mm/s ; θ0 = 25 °C ; le
rendement thermique η = 0.9 (soudage à l’arc submergé) ; ρC = 0,0044 J/mm3 °K.
(capacité calorifique volumique) ; d = 5 mm.
Évaluer les distances des différentes zone.

1


=

(
2



)

+

1


Tôles épaisses (variation en 1/r2)

1


=

√2

+

1


Tôles minces (variation en 1/r)

(

=

=

)


/

=

.




°

=

=

(





= .

Tôles minces d’où l’équation :
1


a - Zone de la ZAT à 1200 °C
1

(

° )=



(



√ ∗ .

° )=

1

√ ∗ .
(

√2

+

1
√2
=

= (8.51 − 6.78)10
∗ .

b - Zone de la ZAT à 800 °C
1


=

=

∗ .

° )=

.



800 − 25

.



=



1200 − 25

10

1500 − 25
.

10



1


.

°





1500 − 25
== .

= (12.9 − 6.78)10
°

= .



== .

c - Zone de la ZAT à 700 °C
1




1


(

=

700 − 25

° ) = .



1500 − 25

∗ .

= (14.81 − 6.78)10

= ,

§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§
Exercice : contraction longitudinale
Une ailette est soudé sur un tube en acier de 15 m de longueur. Les paramètres de
soudages sont : 24 V ; 160 A ; et 8 mm/s. Le coefficient de transfert de chaleur est de
80%. La section du tube est 1100 mm2.
Calculer la déformation longitudinale et la courbure R et le fléchissement si le moment I
de la surface est de 330 103 mm4 et z = 20 mm.
La courbure R et le fléchissement sont est donnés par les relations :
=

;

=

∝ : coefficient d’expansion (K-1) ; (acier au carbone : ∝= 14 10-6 K-1).

∝/ρC : facteur de distorsion (m3/J) ; (acier au carbone : ∝/ρC = 3.18 10-12 m3/J)

ρC : capacité calorifique volumique ; (acier au carbone : ρC = 0,0044 J/mm3 °K).
A : section transversale.

=

Solution :

=

=

1 1.0822
3

1
3

1 24 ∗ 160 ∗ 0.8
3
8

=

10



10

⇒ ∆ = 15

∝ 1

3.18 10

1

∗ 360 10

1
1100

= 0.360 10
= 5.4

= 360 10

La courbure :
=

=
=


=

.

=
≈ .

.

§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§

Exercice SHAFFLER
Soient deux pièces à souder, l’un en acier inox 316L et l’autre en acier de construction
(carbone-manganèse). Choisir le meilleur métal d’apport parmi les trois disponibles
pour limiter les risques de fissuration.

Profondeur d depth
Largeur width w D
raison de symétrie w = 2d


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