Traitement thermique post-soudure

Le traitement thermique après soudage (PWHT) constitue une étape importante pour éliminer les contraintes résiduelles présentes dans les équipements sous pression soudés, lesquelles pourraient entraîner l'apparition de défauts et des niveaux de durcissement supérieurs aux spécifications de conception, ainsi que pour améliorer la ténacité et la ductilité afin de répondre aux critères de conception.

Les essais de traitement thermique post-soudage (PWHT) sont exigés dans la plupart des spécifications relatives à la qualification des procédures de soudage, telles que les normes EN 13445 et BS PD 5500, les exigences en matière de durée et de température étant détaillées sous forme de tableaux dans ces documents.

Soulagement du stress

Le traitement thermique après soudage, communément appelé PWHT, permet de réduire les contraintes internes des composants en acier afin d'éviter toute déformation et d'autres problèmes susceptibles d'entraîner leur défaillance. Le PWHT peut également contribuer à limiter la fissuration induite par l'hydrogène dans certains alliages, ainsi qu'à atténuer les problèmes de corrosion à proximité des soudures dans certaines nuances de métal.

Des contraintes internes peuvent apparaître dans l'acier lors des opérations de formage, d'étirage et d'usinage, entraînant des contraintes résiduelles de traction ou de compression qui provoquent des déformations et, à terme, une défaillance en service. Le traitement thermique post-fabrication (PWHT) offre une solution efficace : il consiste à chauffer la pièce au-delà de sa température critique inférieure, puis à la refroidir progressivement et uniformément afin de la détendre.

Le chauffage des structures à cette température réduit leur limite d'élasticité et permet aux contraintes résiduelles de soudage qui dépassent cette nouvelle limite inférieure de la franchir, ce qui entraîne une déformation plastique qui élimine les contraintes résiduelles. Ce procédé, appelé « détente », consiste à maintenir les pièces à cette température pendant une durée variable en fonction de leur taille et de leur complexité.

Les essais PWHT sur des composants de grande taille, tels que les réservoirs d'air et les chaudières, visent à éliminer les contraintes internes avant qu'elles ne puissent causer des dommages durables. Ces essais sont souvent réalisés afin de s'assurer que toutes les contraintes internes ont été ramenées à des niveaux de tolérance acceptables avant le début des opérations d'usinage ou de finition définitives. Ils peuvent également être effectués au cours des étapes de fabrication afin de vérifier le respect des exigences de tolérance avant les opérations de finition définitives.

Contrôle de la dureté

Le soudage fait partie intégrante de l'exploitation des oléoducs et gazoducs, des centrales électriques et d'autres installations industrielles. Bien que le soudage offre de nombreux avantages, les contraintes résiduelles qu'il génère peuvent, à terme, réduire la résistance des matériaux. Pour compenser ces contraintes et garantir la sécurité de fonctionnement des équipements, des procédés de traitement thermique tels que le PWHT peuvent être mis en œuvre ; le PWHT réduit les contraintes résiduelles tout en améliorant la ductilité et la ténacité afin d'atteindre, voire de dépasser, les valeurs de conception initiales.

Le PWHT est généralement appliqué aux aciers au carbone et aux aciers alliés. Le procédé consiste à les chauffer à une température spécifiée, puis à les maintenir à cette température pendant une durée déterminée – généralement une heure par pouce d'épaisseur. La température, la vitesse de refroidissement et la durée de maintien doivent toutes être soigneusement prises en compte, car des procédures inappropriées pourraient entraîner une fragilisation par recuit, des déformations et des fissures de réchauffage.

Le PWHT peut s'avérer un procédé coûteux, car il repose sur des sources d'énergie onéreuses pour atteindre et maintenir les températures élevées nécessaires à un détendage efficace. De plus, la répétition de plusieurs cycles de PWHT au cours de la durée de vie d'un composant peut accroître la consommation énergétique globale. Heureusement, il existe d’autres alternatives offrant des avantages similaires : par exemple, les matériaux composites permettent de restaurer la résistance et la rigidité sans nécessiter de travaux à chaud ni de processus de soudage intensifs.

Amélioration de la force

L'« amélioration de la force » désigne la capacité à renforcer sa propre force physique ; il s'agit d'un sous-pouvoir de la « manipulation de la force » et d'une variante du « pouvoir secondaire ».

Les procédés Pwht (tels que le recuit, la normalisation et le revenu) consistent à chauffer puis à refroidir l'acier afin d'éliminer ou de redistribuer les contraintes résiduelles. D'autres procédés peuvent impliquer une précipitation, un vieillissement ou d'autres effets métallurgiques qui améliorent les propriétés mécaniques du matériau, tels que la réduction de la dureté, l'augmentation de la ténacité ou la réduction du risque de fissuration par l'hydrogène ; il convient de solliciter l'avis d'un spécialiste concernant les durées et les températures nécessaires à ces procédés.

Le PWHT peut également avoir un effet sur la microstructure du métal soudé, en contribuant à l'affiner. Cela peut améliorer la résistance à la fatigue des soudures, ce qui permet d'obtenir des conditions plus favorables.

Cependant, dans de nombreuses applications, la décision de recourir au PWHT n’est pas déterminée uniquement par les performances en fatigue de la soudure, mais dépend plutôt d’autres facteurs, tels que les exigences chimiques et/ou d’épaisseur imposées par des codes ou normes spécifiques. Par conséquent, cette décision doit être prise en tenant compte à la fois des coûts et des effets indésirables potentiels ; les codes relatifs aux récipients sous pression et aux canalisations imposent souvent un traitement thermique post-soudage (PWHT) pour les métaux soudés dépassant une certaine épaisseur, tandis que dans d’autres cas, c’est la sensibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte qui détermine la nécessité d’un tel traitement.

Ductilité

La ductilité désigne la capacité d'un matériau à subir une déformation plastique (c'est-à-dire à s'étirer et à se plier sans se rompre), par opposition à la déformation élastique, qui peut être annulée dès que la contrainte est supprimée. La plupart des métaux sont relativement ductiles ; l'étirage de fils ou le laminage de tôles sont facilités par les liaisons métalliques, qui permettent aux atomes disposés de manière répétitive de glisser les uns sur les autres lorsqu'ils sont étirés ou façonnés, tandis que les matériaux plus fragiles ont tendance à se fissurer aux points où les forces se concentrent.

La malléabilité est une propriété des matériaux qui mesure la facilité avec laquelle un métal peut être transformé en feuilles minces ou en d'autres formes ; il s'agit d'une qualité essentielle dans les applications industrielles impliquant des composants petits et fins, comme ceux que l'on trouve dans les pièces aérospatiales ou automobiles.

Bien que la ductilité et la malléabilité puissent être mesurées à l'aide de diverses techniques, l'un des indicateurs les plus fiables reste l'essai de résistance à la traction standard. Dans cette méthode, un échantillon plat ou rond, muni de sections de préhension à chaque extrémité et de sections plus fines au milieu (équivalentes à des « dog bones » ou à des « dumbbells »), maintenu fermement par des mâchoires supérieure et inférieure reliées à un capteur de force, est soumis à une traction exercée par une source de force et étiré jusqu’à la rupture, ce qui produit une courbe contrainteà mesure que l’éprouvette s’étire puis se rompt ; la déformation au point de rétrécissement constitue un bon indicateur de la ductilité du matériau, bien que l’identification du pic puisse s’avérer difficile selon la qualité de la préparation de l’échantillon.