Traitement thermique post-soudure

Le traitement thermique après soudage (PWHT) est un procédé destiné à éliminer et à redistribuer les contraintes résiduelles générées lors du soudage, tout en induisant des modifications métallurgiques qui améliorent la résistance, la ductilité et la ténacité.

Le traitement thermique post-soudage (PWHT) peut être imposé par les normes industrielles pour certains métaux utilisés dans les équipements sous pression ; toutefois, sa nécessité doit être évaluée avec soin, en tenant compte de son coût et de ses effets négatifs potentiels sur les propriétés du matériau.

Contraintes résiduelles

Des contraintes résiduelles peuvent apparaître lors du soudage en raison des gradients de température entre le métal d'apport et le matériau de base ; elles peuvent atteindre des niveaux critiques, entraînant des fissures ou une fissuration par corrosion sous contrainte sur les composants à parois épaisses. La plupart des normes relatives aux récipients sous pression et aux canalisations stipulent qu'un traitement thermique après soudage (PWHT) doit être effectué lorsque les assemblages soudés dépassent certains seuils de limite d'élasticité de conception, afin de limiter les risques de rupture fragile.

Le PWHT est un procédé destiné à éliminer ou à redistribuer les contraintes résiduelles et à favoriser les effets de recuit, de précipitation et de vieillissement dans le métal soudé, ce qui permet en fin de compte d'améliorer la ténacité, la ductilité et la résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte. Pour garantir l'efficacité du procédé PWHT, il est toutefois nécessaire d'approfondir la compréhension de ses mécanismes.

Pour ce faire, l'analyse par éléments finis (AEF) est utilisée pour simuler les champs de contraintes dans des modèles d'analyse à la fois élastiques et élastiques-viscoplastiques pour des assemblages soudés présentant différentes épaisseurs de paroi. Une approche complète de modélisation du fluage est également mise en œuvre afin de comprendre comment la déformation plastique et la contrainte de retour contribuent à la dissipation des contraintes résiduelles.

Les résultats indiquent que le traitement thermique post-soudage (PWHT) permet d'obtenir une réduction satisfaisante des contraintes résiduelles et une amélioration des propriétés des matériaux pour une large gamme de matériaux soudés, la résistance à la traction finale atteignant une valeur proche de celle prévue lors de la conception après le traitement. Les recherches futures devraient se concentrer sur l'établissement d'une relation temps-température-épaisseur appropriée pour les assemblages soudés plus épais soumis au PWHT, afin de minimiser les risques liés à la rupture fragile et d'améliorer la fiabilité globale de ces assemblages.

Dureté

La dureté des métaux est un indicateur de leur microstructure et peut avoir une incidence considérable sur l'adéquation des procédés de soudage ou des métaux d'apport à certaines applications. Si les microstructures excessivement dures ont tendance à être moins ductiles et moins résistantes que les métaux plus tendres, un traitement thermique peut parfois s'avérer nécessaire afin d'améliorer les propriétés mécaniques ou de réduire la sensibilité à la fissuration.

Le PWHT (traitement thermique à chaud après soudage) est un type de traitement thermique utilisé pour éliminer les contraintes résiduelles et améliorer la résistance, la ductilité et la ténacité des soudures. Les traitements PWHT peuvent également contribuer à prévenir la formation de fissures dues aux cycles thermiques ou à la corrosion sous contrainte ; leur nécessité dépendra du type de métal, de son épaisseur et de ses dimensions, ainsi que des paramètres de soudage et des exigences d'exploitation.

Les normes stipulent souvent que les matériaux à souder ou les assemblages soudés dépassant une certaine épaisseur doivent subir un traitement thermique après soudage à des fins de protection. En effet, certains métaux sont plus sensibles à la fissuration par corrosion sous contrainte ou présentent un risque plus élevé de défaillance des soudures que d’autres, tandis que certains procédés de soudage produisent des dépôts plus durs que d’autres.

Solidité

Le soudage peut générer des contraintes résiduelles qui, combinées aux contraintes de charge, compromettent la ténacité du matériau. Un processus contrôlé de chauffage et de refroidissement, appelé PWHT, peut contribuer à améliorer les propriétés mécaniques, à éliminer les contraintes résiduelles et à augmenter la résistance et la dureté des assemblages soudés ; sa nécessité dépend de plusieurs facteurs, notamment les paramètres de soudage et les exigences d'exploitation ; une analyse en mécanique de la rupture, utilisant des niveaux de contrainte et des tailles de défauts supposés, peut aider à déterminer si le PWHT est nécessaire.

Un modèle simple a été mis au point pour calculer la ténacité minimale requise pour des matériaux et des épaisseurs de section spécifiques. Les exigences en matière de ténacité à la rupture (K mat) ont ensuite été estimées pour deux probabilités de rupture différentes, P f = 0,05 et P f = 0,5, à l'aide de la courbe maître de l'annexe J de la norme BS 7910, qui établit une corrélation entre la ténacité à la rupture et l'énergie de Charpy.

Comme le montrent les figures ci-dessous, les résultats de notre analyse révèlent que même une baisse relativement faible de la température de PWHT peut réduire considérablement les exigences minimales estimées pour le mat K. Cela s’explique probablement par l’effet du PWHT, qui réduit la contrainte au niveau de la pointe de la fissure et favorise la propagation de celle-ci par déchirure ductile ; de plus, les résultats démontrent que le PWHT peut également améliorer considérablement la ténacité à l’impact des échantillons soudés au laser en leur redonnant leur mode de rupture fragile d’origine, avec des motifs en forme de rivière observés sur les échantillons non traités.

Ductilité

La ductilité désigne la capacité d'un matériau à subir une déformation plastique avant de se fissurer sous l'effet d'une contrainte, par opposition à la déformation élastique qui s'inverse dès que la contrainte disparaît. La ductilité est un facteur essentiel lors de la conception de composants, car elle indique le niveau de déformation qu'un composant peut supporter avant de céder ; une ductilité plus élevée implique un risque accru de déformation sous des charges extrêmes.

La ductilité des matériaux dépend fortement de leur composition chimique, de leur structure cristalline et de la température à laquelle ils sont soumis aux essais. Les métaux ont tendance à présenter une plus grande ductilité, car leurs liaisons métalliques permettent aux électrons de la couche de valence d’être partagés entre plusieurs atomes, ce qui permet aux atomes métalliques de se déplacer facilement les uns par rapport aux autres tout en absorbant les forces qui provoqueraient la fragmentation d’autres matériaux.

Bien qu’étroitement liées à la malléabilité, la ductilité et la malléabilité restent des propriétés distinctes. La ductilité désigne la capacité d’un métal à résister à des forces de traction, tandis que la malléabilité fait référence à sa capacité à supporter les contraintes de compression provoquées par le martelage ou le pressage. Ces deux propriétés doivent être prises en compte lors du choix des matériaux pour des applications spécifiques ; les matériaux à haute ductilité, comme l'or, ne peuvent être étirés que jusqu'à la rupture, tandis que les matériaux à faible ductilité, comme le cuivre, ne peuvent être étirés qu'à des épaisseurs très faibles avant de se rompre sous l'effort.