Traitement thermique après soudage et réduction des contraintes

Le traitement thermique après soudage (PWHT) est un procédé important utilisé pour réduire les contraintes internes et améliorer la résistance des composants en acier, ainsi que pour prévenir l'apparition de fissures et de fractures fragiles dans les matériaux.

Le PWHT (chauffage par lavage sous pression et flambage) consiste à chauffer un matériau à une température inférieure à sa température critique de déformation, puis à le laisser refroidir uniformément pendant une durée déterminée. Différentes températures de PWHT et durées de maintien peuvent être utilisées afin d'obtenir le résultat souhaité.

Réduction des contraintes internes

Le soudage peut générer des contraintes internes élevées dans le matériau, ce qui compromet ses propriétés de ténacité à la rupture et augmente sa sensibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC). Le traitement thermique post-soudage (PWHT) est un procédé efficace permettant de réduire ces contraintes résiduelles ; il consiste à chauffer la zone soudée en dessous de sa plage de transformation, puis à la refroidir lentement afin de réduire les contraintes internes tout en améliorant simultanément les propriétés mécaniques des joints soudés.

Le traitement thermique après soudage (PWHT) est généralement exigé par la réglementation pour les équipements sous pression dont l'épaisseur dépasse certains seuils ; il est également utilisé pour protéger les éléments structurels tels que les réservoirs, les cuves et les canalisations. Plusieurs facteurs doivent être pris en compte pour déterminer si un projet nécessite un PWHT, notamment le type de matériau, les exigences en matière de température et les temps de maintien.

Le traitement thermique post-soudage (PWHT) est souvent utilisé pour rétablir les tolérances dimensionnelles et minimiser les déformations causées par des conditions de chauffage et de refroidissement inégales. Le métal soudé peut se refroidir à des vitesses différentes de celles du métal de base environnant, ce qui entraîne des contraintes réparties de manière non uniforme qu’il faut atténuer afin de minimiser les déformations. Le traitement de détente élimine et redistribue ces contraintes afin de minimiser les déformations.

Le traitement thermique après soudage (PWHT) permet également de réduire la fissuration induite par l'hydrogène (HIC). L'HIC se produit lorsque des métaux ductiles sont exposés à des contraintes de traction dans un environnement acide et soumis à des contraintes, ce qui rend son diagnostic et son traitement difficiles. Le PWHT peut contribuer à réduire l'incidence de l'HIC en éliminant les contraintes de traction qui favorisent la fissuration sous contrainte (SCC).

Réduction de la dureté

Le soudage peut générer des contraintes internes dans les matériaux, susceptibles d'entraîner une corrosion sous contrainte et des fissures induites par l'hydrogène ; pour pallier ce risque, on recourt souvent à un traitement thermique après soudage (PWHT). Le PWHT consiste à chauffer le matériau pendant une période prolongée avant de le refroidir progressivement ; il permet en outre de réduire la dureté, ce qui facilite le travail des soudeurs.

La température et la durée dépendent du matériau à souder, du procédé de soudage utilisé et du résultat souhaité. Pour que le traitement thermique post-soudage (PWHT) soit efficace, il est impératif d’utiliser un équipement et des installations adaptés, de maintenir la température à un niveau acceptable pendant une durée suffisante et de contrôler la vitesse de refroidissement en conséquence.

Des procédures de traitement thermique post-soudage (PWHT) incorrectes ou réalisées avec négligence peuvent entraîner une combinaison des contraintes résiduelles et des contraintes de charge, qui peut alors dépasser les limites de conception du matériau, ce qui augmente le risque de défaillance des soudures, le risque de fissuration et la susceptibilité à la rupture fragile. Cela pourrait, à terme, entraîner des défaillances des soudures.

Le PWHT peut contribuer à atténuer ces problèmes et présente plusieurs avantages dans ce contexte. Par exemple, il permet de réduire la dureté du métal, ce qui facilite son usinage. De plus, le PWHT peut contribuer à limiter la fissuration induite par l'hydrogène en éliminant l'hydrogène absorbé susceptible de provoquer ce type de fissuration dans certains procédés de soudage.

Augmentation de la résistance

Le détensionnement est souvent imposé par la réglementation, car il constitue un moyen efficace de réduire les contraintes internes dans les composants en acier après le soudage. Cette pratique contribue à améliorer la résistance tout en évitant l'apparition de fissures sous des charges dynamiques ; de plus, le détensionnement permet aux soudures de conserver leurs propriétés de ductilité et de ténacité.

Ce procédé consiste à chauffer la zone de soudure à une certaine température avant de la refroidir, ce qui réduit les contraintes et les redistribue uniformément dans le métal, améliorant ainsi la dureté et la ductilité, ce qui augmente la résistance à la fatigue et contribue à limiter la fissuration induite par l'hydrogène dans certaines nuances d'acier.

En fonction du type de matériau et de la soudure à traiter, différentes méthodes de traitement thermique peuvent être mises en œuvre, telles que le recuit, le revenu, la trempe et la normalisation. Chacune présente ses propres avantages et inconvénients ; il est donc essentiel d’utiliser la méthode appropriée et de respecter les paramètres de temps et de température recommandés.

Les recherches menées sur les mécanismes de relaxation des contraintes résiduelles ont donné lieu à des résultats mitigés et souvent difficiles à comprendre, ce qui rend leur interprétation plus complexe que prévu. On ignore encore si la déformation plastique, telle qu’elle se manifeste par des variations de la limite d’élasticité et du module de Young, joue un rôle quelconque dans la relaxation des contraintes ; par ailleurs, il n’existe à l’heure actuelle aucune relation quantitative entre la température du traitement thermique post-fabrication (PWHT) et la durée de maintien permettant d’obtenir les résultats souhaités.

Réduction de la fissuration par fatigue

Les contraintes résultant du soudage peuvent compromettre les performances à long terme d'un composant et provoquer des fissures de fatigue ; toutefois, le détensionnement permet d'atténuer ce risque en éliminant les contraintes induites par le soudage et en rendant le composant plus résistant à la rupture par fatigue sous des charges cycliques. De plus, le détensionnement permet aux processus de trempe, de précipitation ou de vieillissement des matériaux de se dérouler, ce qui peut améliorer la ductilité tout en réduisant les risques de rupture fragile.

Le PWHT consiste à chauffer la pièce au-delà de sa température de transformation pendant une durée déterminée. Cela crée un gradient de température qui provoque la relaxation des contraintes internes, ce qui contribue à prévenir la corrosion sous contrainte et la fissuration induite par l'hydrogène, tout en réduisant la sensibilité de l'assemblage soudé aux charges en service. Le PWHT peut s’avérer nécessaire lors de la mise en œuvre de structures complexes ou de pièces moulées présentant des tolérances dimensionnelles serrées et soumises à des charges critiques, qui nécessitent une attention particulière lors des processus de soudage ou de moulage.

Des études ont démontré qu’un traitement thermique post-soudage (PWHT) uniforme peut entraîner une réduction significative des contraintes résiduelles sur certaines assemblages soudés, avec des variations dépendant de divers facteurs tels que les propriétés des matériaux, la géométrie et la taille des assemblages. Le développement des déformations par fluage joue un rôle bien plus important que la déformation plastique dans les procédés de PWHT uniforme en four – et la majeure partie de ce développement se produit avant même le début des temps de maintien du PWHT ; par conséquent, il est peu probable qu’un temps de maintien plus court puisse permettre d’obtenir des effets de réduction des contraintes similaires à ceux obtenus avec des temps de maintien plus longs.