Bases de la technique de soudage
Le soudage est l’assemblage de métaux de composition identique ou analogue sous l’action de la chaleur, avec ou sans apport du même métal ou d’un métal analogue. Par le soudage, les pièces sont liées entre elles de manière indissociable, de sorte qu’il en résulte un ensemble unique. Un bon soudage suppose une liaison intime, qui n’est obtenue que si le matériau de base fond également à l’endroit du soudage (zone de fusion).
Soudage à l’arc électrique
Pour les constructions en acier, le soudage à l’arc électrique est en premier lieu envisagé, car la chaleur nécessaire est obtenue par un arc électrique. L’arc se forme entre la pièce de base et la soi-disant électrode, qui fond alors et fournit le métal d’apport. Le choix correct du métal d’apport (électrode) influence au plus haut point les propriétés de l’assemblage soudé. Les électrodes sont choisies en fonction des résistances caractéristiques du matériau de base à souder. Le choix des électrodes et la détermination des conditions de soudage supposent des connaissances spécialisées, raison pour laquelle a été créée l’institution d’« ingénieurs spécialistes de la technique du soudage » spécialement formés, dont la tâche est, entre autres, de superviser les travaux de soudage et de renouveler régulièrement les certifications des soudeurs.
Soudage et découpe au gaz
Lors du soudage au gaz, la chaleur nécessaire est produite par la combustion du gaz, de sorte que le matériau de base et le métal d’apport fondent. Le plus important est la coupe. Le chalumeau de coupe possède, en plus du tube de chauffage, qui fonctionne comme lors du soudage, un autre tube de coupe pour l’oxygène. L’acier chauffé par la flamme chaude est percé puis soufflé par le jet d’oxygène. La coupe donne des surfaces lisses et précises, suffisantes pour de nombreux usages des structures métalliques sans usinage supplémentaire.
Aptitude au soudage
Pour l’évaluation des assemblages soudés, il faut tenir compte du fait qu’au cours du soudage la composition du métal d’apport, ainsi que celle du métal de base, peut changer considérablement. Le changement de structure est également très important – entre le cordon fondu et le métal de base non modifié existe, selon le degré d’action thermique, une zone de structure différente et, par conséquent, de propriétés différentes. Le long du cordon se trouve la région où le métal de base a fondu (zone de pénétration) et où s’effectue la liaison entre la zone de soudure et le métal de base. La zone environnante du matériau est elle aussi encore fortement chauffée, bien que le point de fusion n’y ait plus été atteint. Dans cette zone de surchauffe apparaissent de grandes modifications de structure, de sorte qu’elle est souvent décisive pour les propriétés de l’ensemble de l’assemblage soudé.
La fissuration du cordon désigne l’apparition de fissures dans le cordon, qui se produisent immédiatement après le soudage, encore à haute température, ou peut-être seulement lors du refroidissement dans la zone du rouge sombre (aux environs de 300oC). La fissuration est dans une large mesure une propriété des électrodes ; elle apparaît presque uniquement avec des électrodes enrobées, qui sont précisément importantes pour les constructions en acier. Pour l’apparition des fissures, deux conditions doivent être réunies, à savoir de fortes contraintes dues au procédé de soudage ou à d’autres causes extérieures, ainsi qu’une augmentation de la rigidité du matériau.
Outre les changements métallurgiques dans la composition et la structure du matériau, les processus physiques sont également importants ; ils sont liés aux grandes quantités de chaleur apportées au matériau lors du soudage et aux températures élevées ainsi atteintes. Le chauffage ne s’effectue pas uniformément, mais seulement dans des zones étroitement limitées. La dilatation thermique liée au chauffage est empêchée par la contrainte interne de la zone chauffée exercée par le matériau non chauffé. À cela s’ajoute une contrainte externe, car les pièces doivent être solidement serrées pendant le soudage ; il en résulte donc, lors du chauffage, des compressions plastiques. Au refroidissement, le cordon et son environnement se contractent le plus fortement (retrait). Lors du refroidissement, des contraintes imposées doivent apparaître en raison de l’allongement empêché (contraintes de retrait). Un préchauffage des pièces à souder à 200 oC jusqu’à 300 oC permet de ralentir considérablement le refroidissement. Grâce à la réduction de l’effet de trempe, on obtient une meilleure formation de la structure, le durcissement restant moindre.
Essai des matériaux et des travaux de soudage
Généralités : Étant donné que la qualité des travaux de soudage dépend d’un grand nombre de circonstances, et en dernier lieu aussi de l’habileté et de la fiabilité du travailleur spécialisé, une surveillance et des essais précis de tous les travaux de soudage sont nécessaires. Parmi les essais figurent ceux visant à déterminer l’aptitude au soudage des matériaux et des électrodes, la comparaison des conditions de soudage et des procédés de soudage pour un cas donné, les essais d’échantillons, etc.
Fig. 1 - Essai de pliage d’une soudure
Essai de flexion de la soudure: Il s’agit de l’essai de flexion d’une simple poutre de section rectangulaire (fig. 1), sur laquelle une rainure longitudinale, usinée en demi-cercle dans la fibre tendue, est ressoudée en une seule passe à température ambiante. La soudure provoque une forte diminution de la déformabilité, de sorte que les éprouvettes se rompent souvent de façon tout à fait fragile et brutale. L’angle de flexion est plus grand pour les plaques minces ; il diminue avec l’épaisseur de la plaque.
Résilience entaillée : Lors de l’essai de pliage du cordon, des fissures apparaissent le plus souvent d’abord dans le cordon, de sorte qu’une rupture fragile se produit. Le matériau de base doit être capable de supporter la charge qui apparaît soudainement lors de l’éclatement fragile du cordon. Il faut exiger que la fissure dans la zone soudée ne se propage pas rapidement dans le matériau de base, mais que la fissure ne puisse progresser que lentement. Le matériau de base doit être suffisamment tenace pour supporter cette charge soudaine, et cette aptitude doit rester suffisamment élevée même à basse température. La résilience entaillée, comme les autres propriétés mécaniques, dépend dans une large mesure de la température à laquelle l’essai est effectué. À basses températures, par exemple en dessous de 0 oC, elle peut tomber à une fraction de la valeur à 20 oC. La position de cette chute brutale est importante pour l’évaluation d’un matériau. Pour les constructions en acier soudées, on exige aujourd’hui un matériau de bonne résistance au vieillissement, c’est-à-dire une haute ténacité entaillée à l’essai de traction sur éprouvettes fortement entaillées à froid.
Fig. 2 - Déformation en cas d’états de contraintes de l’entaille
Dureté : Les phénomènes de dureté dans la zone de soudure revêtent une grande importance. Il est important de connaître l’augmentation de la dureté, car l’allongement à la rupture diminue rapidement avec l’augmentation de la dureté (fig. 3), tandis que la résistance à la traction σB croît presque proportionnellement à la dureté Brinell HB. Pour les aciers de construction, on a approximativement σB = 0,36*HB. Un exemple de dureté du cordon principal d’angle d’une poutre en I est présenté à la fig. 4. Dans la zone de transition, il existe, à des distances très faibles, de grandes différences de dureté. L’évolution de la dureté dépend de la structure formée. La courbe σ-ε-l varie avec la dureté de manière semblable à l’état de contrainte de l’entaille (fig. 2).
Fig. 3 - Dureté Brinell et allongement
Fig. 4 - Duretés dans la zone de soudure, au niveau de l’âme d’une poutre en I soudée
Essai non destructif des assemblages soudés finis
Radiographie – Lors de la radiographie de faibles épaisseurs, l’image radiographique peut être rendue visible sur un seul écran. Au lieu des rayons X, on peut utiliser les rayons gamma de matériaux radioactifs. L’image radiographique permet de conclure sur la qualité du joint. Des inclusions de laitier ou des pores, ainsi que des défauts de liaison et des fissures, peuvent ainsi être mis en évidence et, le cas échéant, éliminés.
Flux magnétique – On crée un champ magnétique dans la partie de l’acier à examiner, puis les limaille déposées se répartissent selon ce champ. D’éventuelles irrégularités du champ magnétique permettent de détecter des fissures. La méthode est efficace, en particulier pour la détection des fissures de surface, mais relativement peu sensible aux inclusions de laitier et aux pores, ainsi qu’aux fissures situées à l’intérieur des plaques plus épaisses.
Essai aux ultrasons – Les ondes sonores ultracourtes se réfléchissent non seulement sur les surfaces limites, mais aussi sur les surfaces de discontinuité à l’intérieur, comme par exemple sur les fissures ou les doublures.