L'impact du soudage sur la structure métallique

Le soudage est une technique largement utilisée pour assembler les métaux dans divers secteurs, notamment la construction, l'automobile, l'aérospatiale et l'industrie manufacturière. Si le soudage est essentiel pour créer des connexions solides et durables, il a également un impact significatif sur la microstructure du métal. Ces changements dans la structure du métal peuvent influencer ses propriétés mécaniques, notamment sa résistance, sa dureté, sa ténacité et sa résistance à la corrosion. Il est essentiel de comprendre comment le soudage affecte la structure des métaux pour garantir l'intégrité et les performances des composants soudés. Cet article explore l'impact du soudage sur la structure des métaux, y compris la zone affectée thermiquement (ZAT), la croissance du grain, les transformations de phase et la formation de défauts de soudure.
Le procédé de soudage et la structure du métal
Le soudage consiste à appliquer de la chaleur pour faire fondre et fusionner deux ou plusieurs pièces de métal. Le processus comprend généralement un matériau d'apport qui aide à combler l'écart entre les métaux de base, créant ainsi une liaison solide lorsque les matériaux refroidissent et se solidifient. La chaleur générée pendant le soudage provoque des changements localisés dans la microstructure du métal, en particulier dans la zone affectée par la chaleur (HAZ).
Principales zones affectées par le soudage :
- Zone de fusion : il s'agit de la zone où les métaux de base et le matériau d'apport ont fondu et se sont solidifiés pour former la soudure. La structure de cette zone est souvent différente de celle du métal de base d'origine et de la ZHA.
- Zone affectée par la chaleur (HAZ) : La ZHA est la région adjacente à la soudure, où la microstructure du métal de base a été modifiée par la chaleur mais n'a pas fondu. L'étendue de la ZHA dépend du procédé de soudage, de l'apport de chaleur et des propriétés thermiques du métal.
- Métal de base : Le métal de base est le matériau d'origine qui n'a pas été affecté par la chaleur du soudage. Sa microstructure reste inchangée à moins que des procédés de soudage ou de traitement thermique ne soient appliqués ultérieurement.
Structure et croissance des grains
L'un des impacts les plus importants du soudage sur la structure du métal est la modification de la taille et de la forme des grains. Les grains sont les cristaux individuels qui composent le métal, et leur taille et leur orientation affectent de manière significative les propriétés mécaniques du matériau.

1. Croissance des grains dans la ZHA :
   o Gros grains : Dans la ZHA, le métal est exposé à des températures élevées mais n'atteint pas le point de fusion. Cette chaleur peut entraîner une augmentation de la taille des grains du métal, en particulier dans les zones les plus proches de la zone de fusion. Les gros grains sont généralement moins souhaitables car ils peuvent réduire la ténacité du métal et le rendre plus susceptible de se fissurer.
   o Grains fins : Plus loin de la zone de fusion, la température est plus basse et les grains peuvent ne pas croître autant. Les grains fins sont généralement préférés car ils contribuent à augmenter la résistance et la ténacité du métal.
2. Raffinement du grain dans la soudure :
   o Solidification : Au fur et à mesure que le métal fondu dans la zone de fusion se refroidit et se solidifie, de nouveaux grains se forment. La vitesse de refroidissement influence la taille et l'orientation de ces grains. Un refroidissement rapide tend à produire des grains plus fins, ce qui peut améliorer la résistance et la dureté de la soudure.
   o Grains colonnaires : Dans certains procédés de soudage, tels que le soudage à l'arc, les grains dans la zone de fusion peuvent croître de manière colonnaire, perpendiculairement à la ligne de soudure. Ces grains allongés peuvent affecter les propriétés mécaniques de la soudure, entraînant souvent une anisotropie, c'est-à-dire que les propriétés du matériau varient en fonction de la direction de la structure des grains.
   Transformations de phase
   Les températures élevées associées au soudage peuvent provoquer des transformations de phase dans le métal, modifiant sa structure cristalline. Ces transformations peuvent avoir des conséquences importantes sur les propriétés du métal.
3. Transformation de l'acier :
   o Formation d'austénite : Dans les aciers au carbone, le soudage implique souvent de chauffer le métal dans la phase austénitique, où les atomes de fer s'organisent en une structure cubique à faces centrées (FCC). Lors du refroidissement, l'austénite peut se transformer en différentes phases, telles que la martensite, la bainite ou la ferrite, en fonction de la vitesse de refroidissement.
   o Formation de martensite : Le refroidissement rapide (trempe) de l'austénite peut entraîner la formation de martensite, une phase dure et cassante. Si la martensite peut augmenter la dureté de la soudure, elle rend également le métal plus susceptible de se fissurer, en particulier dans les aciers à haute teneur en carbone.
   o Revenu : Pour atténuer la fragilité de la martensite, le revenu (réchauffement et refroidissement contrôlés) est souvent utilisé pour convertir une partie de la martensite en phases plus ductiles, telles que la martensite revenue ou la bainite, ce qui améliore la ténacité de la soudure.
4. Alliages d'aluminium :
   o Durcissement par précipitation : Certains alliages d'aluminium, en particulier ceux des séries 2xxx, 6xxx et 7xxx, peuvent subir un durcissement par précipitation. Le soudage de ces alliages peut dissoudre les précipités qui contribuent à la résistance de l'alliage, ce qui entraîne une perte de dureté dans la zone d'impact. Un traitement thermique après soudage (PWHT) peut être nécessaire pour restaurer la résistance du matériau en reprécipitant les phases de renforcement.
5. Aciers inoxydables :
   o Sensibilisation : Les aciers inoxydables austénitiques, lorsqu'ils sont exposés à des températures comprises entre 450°C et 850°C pendant le soudage, peuvent subir un processus appelé sensibilisation. Ce phénomène se produit lorsque des carbures de chrome précipitent aux joints de grains, appauvrissant les zones environnantes en chrome et réduisant la résistance à la corrosion du matériau. Un contrôle adéquat de l'apport de chaleur et des traitements thermiques après soudage peuvent aider à prévenir la sensibilisation.
   Formation de défauts de soudure
   Le soudage peut introduire dans la structure métallique des défauts susceptibles de compromettre l'intégrité et les performances du joint soudé. Il est essentiel de comprendre ces défauts et leurs causes pour garantir la qualité des soudures.
6. Porosité :
   o Piégeage de gaz : La porosité se produit lorsque des bulles de gaz sont piégées dans la soudure lorsqu'elle se solidifie. Ce phénomène peut être dû à une contamination, à une mauvaise couverture par le gaz de protection ou à une humidité excessive dans le métal de base ou le matériau d'apport. La porosité affaiblit la soudure et peut entraîner une défaillance sous charge.
   o Prévention : Des surfaces propres, un débit de gaz de protection adéquat et l'utilisation de matériaux d'apport secs peuvent contribuer à prévenir la porosité. En outre, le contrôle des paramètres de soudage pour éviter la surchauffe peut réduire la probabilité de piégeage de gaz.
7. Craquement :
   o Fissuration à chaud : Également connue sous le nom de fissuration par solidification, elle se produit pendant le refroidissement et la solidification de la soudure. Elle est souvent due à des contraintes thermiques élevées, à une mauvaise conception de la soudure ou à la présence d'impuretés telles que le soufre ou le phosphore dans le métal.
   o Fissuration à froid : Également connue sous le nom de fissuration induite par l'hydrogène, la fissuration à froid se produit après le refroidissement de la soudure. Elle est généralement associée à la présence d'hydrogène dans la soudure, ce qui peut entraîner une rupture fragile, en particulier dans les aciers à haute résistance.
   o Prévention : Pour prévenir la fissuration, il est essentiel de contrôler la vitesse de refroidissement, d'utiliser des matériaux d'apport appropriés et de préchauffer ou de post-chauffer le métal pour réduire les contraintes résiduelles. Pour la fissuration à froid, il est essentiel de minimiser la teneur en hydrogène dans la zone de soudure.
8. Distorsion :
   o Dilatation thermique : Le soudage génère une chaleur importante qui provoque l'expansion et la contraction du métal lorsqu'il refroidit. Cette dilatation thermique peut entraîner des distorsions, déformer les composants soudés et affecter la précision dimensionnelle du produit final.
   o Contrôle : Le contrôle de l'apport de chaleur, l'utilisation de séquences de soudage appropriées et l'emploi de fixations ou de pinces peuvent contribuer à minimiser la distorsion. Dans certains cas, un traitement thermique après soudage peut s'avérer nécessaire pour soulager les contraintes résiduelles et corriger toute distorsion.
   Le rôle de la zone affectée par la chaleur (ZAT)
   La zone HAZ est une zone critique du soudage qui subit des changements structurels importants en raison de l'exposition à des températures élevées. Les propriétés de la ZHA peuvent varier considérablement en fonction du matériau, du procédé de soudage et de la gestion thermique pendant le soudage.
9. Changements métallurgiques :
   o Croissance des grains : Comme indiqué précédemment, les grains dans la ZHA peuvent grossir sous l'effet de la chaleur, ce qui entraîne une réduction de la ténacité et un risque accru de fissuration.
   o Changements de phase : La ZHA peut subir des transformations de phase similaires à celles de la zone de soudure, en particulier dans les métaux comme l'acier. Ces changements peuvent affecter la dureté, la résistance et la ductilité du matériau.
10. Propriétés mécaniques :
    o Dureté et résistance : La ZHA présente souvent des propriétés mécaniques différentes de celles du métal de base et de la soudure. Par exemple, elle peut devenir plus dure et plus fragile, ou perdre de la résistance en raison de la dissolution des phases de renforcement (comme dans les alliages d'aluminium durcis par précipitation).
    o Résistance à l'impact : La résistance à l'impact de la ZHA peut être considérablement réduite si la structure du grain devient grossière ou si des phases fragiles telles que la martensite se forment. Cela fait de la ZHA un point faible potentiel de la structure soudée.
11. Résistance à la corrosion :
    o Sensibilisation dans l'acier inoxydable : Comme mentionné précédemment, la sensibilisation des aciers inoxydables peut se produire dans la ZHA, entraînant une réduction de la résistance à la corrosion. Une bonne gestion de la chaleur et des traitements après soudage sont essentiels pour maintenir la résistance à la corrosion du composant soudé.
    o Oxydation : Les températures élevées dans la ZHA peuvent également entraîner une oxydation, qui peut compromettre l'état de surface et la résistance à la corrosion du métal. Dans certains cas, une passivation ou des revêtements protecteurs peuvent être nécessaires pour restaurer la résistance à la corrosion.
    Gérer l'impact du soudage sur la structure métallique
    Pour garantir l'intégrité et les performances des composants soudés, il est essentiel de gérer l'impact du soudage sur la structure métallique en contrôlant soigneusement le processus de soudage et en utilisant des traitements post-soudage appropriés.
12. Gestion de la chaleur :
    o Préchauffage : Le préchauffage du métal avant le soudage peut réduire les gradients thermiques et minimiser le risque de fissuration, en particulier dans les aciers à haute teneur en carbone et les sections épaisses.
    o Contrôle de la température entre les passes : Lors du soudage multipasse, le contrôle de la température interpasse (la température entre les passes de soudage successives) permet d'éviter la surchauffe et la croissance excessive du grain.
13. Traitement thermique post-soudure (PWHT) :
    o Soulagement des contraintes : L'hydrotraitement à chaud peut contribuer à soulager les contraintes résiduelles dans la soudure et la ZHA, réduisant ainsi le risque de fissuration et de distorsion. Elle peut également favoriser la transformation de phases fragiles en microstructures plus ductiles.
    o Normalisation et recuit : Ces traitements permettent d'affiner la structure du grain et de restaurer les propriétés mécaniques du métal. La normalisation est souvent utilisée pour les aciers au carbone, tandis que le recuit peut être utilisé pour les aciers et les métaux non ferreux.
14. Conception et technique de soudage :
    o Conception des joints : Une bonne conception des joints peut minimiser les contraintes thermiques et réduire le risque de défauts. Par exemple, l'utilisation de soudures double face ou de soudures en quinconce permet de répartir la chaleur plus uniformément et de réduire les déformations.
    o Paramètres de soudage : Le contrôle des paramètres tels que le courant, la tension, la vitesse de déplacement et le débit de gaz de protection est essentiel pour obtenir une soudure de haute qualité avec un impact minimal sur la structure du métal.
15. Contrôle de la qualité et inspection :
    o Contrôle non destructif (CND) : Les méthodes de contrôle non destructif, telles que le contrôle par ultrasons, le contrôle radiographique et le contrôle par ressuage, peuvent être utilisées pour détecter les défauts internes et superficiels de la soudure. Un contrôle régulier permet de s'assurer que les problèmes sont identifiés et traités rapidement.
    o Essais destructifs : Dans certains cas, des essais destructifs, tels que des essais de traction ou des essais d'impact Charpy, peuvent être réalisés pour évaluer les propriétés mécaniques de la soudure et de la ZHA.
    Conclusion
    Le soudage a un impact profond sur la structure des métaux, influençant leurs propriétés mécaniques, leur résistance à la corrosion et leurs performances globales. Il est essentiel de comprendre ces effets et de les gérer grâce à des techniques de soudage, des traitements thermiques et un contrôle de la qualité appropriés pour produire des soudures solides et fiables.
    En contrôlant soigneusement le processus de soudage et en relevant les défis associés à la croissance du grain, aux transformations de phase et aux défauts de soudure, les fabricants peuvent s'assurer que leurs composants soudés répondent aux exigences rigoureuses des applications d'ingénierie modernes. Au fur et à mesure que la technologie du soudage continue de progresser, de nouvelles méthodes et de nouveaux matériaux amélioreront encore la capacité à gérer l'impact du soudage sur la structure métallique, ce qui se traduira par une amélioration des performances et de la durabilité des produits soudés.