Traitement thermique post-soudure pour l'acier au carbone

Le traitement thermique après soudage (PWHT) permet de relâcher et de redistribuer les contraintes résiduelles générées lors des opérations de soudage ; il est souvent exigé par les normes pour les matériaux dont l'épaisseur dépasse certaines limites.

Les vitesses de chauffage et de refroidissement doivent être soigneusement contrôlées afin d'éviter tout choc thermique, toute déformation ou tout détendage inégal. Le traitement thermique post-fabrication (PWHT) peut être réalisé soit dans un four, soit à l'aide de couvertures ou de coussins électriques à résistance localisée.

Recuit

Le recuit de post-soudage (PWHT) réduit considérablement les niveaux de contraintes résiduelles de traction dans les zones soudées, mais ne les élimine pas complètement. La plupart des cycles de fatigue continuent d'entraîner des contraintes exclusivement de traction, qui peuvent s'avérer extrêmement néfastes.

Le recuit complet consiste à chauffer les phases hypoeutectoïdes et eutectoïdes à des températures supérieures d'environ 50 °C à leurs températures respectives Ac3 et Ac1, puis à les refroidir progressivement afin d'obtenir des structures proches de l'équilibre. Ce procédé permet d'éviter la fragilisation par l'hydrogène tout en réduisant les risques de fissuration induite par l'environnement.

Le traitement thermique post-assemblage (PWHT) ponctuel sur de petits composants est possible, mais doit être réalisé avec précaution. Un mauvais dimensionnement ou un mauvais positionnement des bandes de maintien à température, de chauffage et de contrôle du gradient peut entraîner une déformation ou un effondrement des composants structurels, voire une défaillance catastrophique due à des instabilités dans l'état des contraintes résiduelles. Une isolation doit être mise en place afin de maintenir des températures stables au sein des bandes chauffées ; il convient également d’utiliser des thermomètres à enregistrement automatique.

Normalisation

Ce traitement, généralement appliqué aux aciers faiblement alliés, élimine la structure à gros grains résultant du soudage et améliore les propriétés du matériau. De plus, il réduit le risque de rupture fragile tout en limitant les contraintes thermiques non contraintes dans la zone de soudure.

Chauffage du métal à des températures supérieures au point critique supérieur, suivi d'un maintien à cette température pendant une durée proportionnelle à l'épaisseur de la pièce, avant refroidissement dans un environnement à température ambiante selon un processus de refroidissement contrôlé. Ce procédé permet d'obtenir des structures à grain fin et des microstructures homogènes qui contribuent à éliminer les contraintes internes, rendant ainsi le matériau plus souple en termes d'opérations de formage et d'utilisation.

La normalisation complète, qui est le plus souvent appliquée aux aciers au carbone et aux aciers au carbone-manganèse, peut constituer une alternative efficace à la trempe dans certaines applications. Malheureusement, la normalisation complète n'élimine pas toutes les contraintes résiduelles ; les normes de calcul de fatigue peuvent donc exiger une renormalisation supplémentaire pour tenir compte de cette différence.

Soulagement du stress

Le détendage sert à réduire les contraintes internes du matériau provoquées par les procédés de fabrication tels que le formage et l'usinage, comme la compression en surface ou la traction au cœur du matériau. Le détendage s'apparente au recuit dans la mesure où il consiste à chauffer le matériau à une température élevée pendant une durée déterminée, puis à le refroidir lentement pendant une durée également déterminée.

Le recuit de détente présente plusieurs avantages, notamment la réduction de la résistance à la traction des soudures et le renforcement de la résistance à la fatigue au niveau des entailles localisées et des concentrateurs de contraintes, tout en augmentant la précipitation intergranulaire de carbures. Cependant, le traitement de détente peut être compromis par des techniques de refroidissement, des contrôles de température ou des techniques de soudage inappropriés utilisés lors des processus de PWHT ; pour optimiser les résultats, il est impératif que ces facteurs soient mis en œuvre aux moments et aux températures appropriés au cours de ce processus.

Trempe

Les aciers au carbone faiblement alliés nécessitent un traitement thermique post-soudage (PWHT) afin d'obtenir une microstructure suffisamment résistante et tenace. Ce procédé consiste à chauffer la pièce jusqu'à une température spécifique pendant une durée prolongée, avant de la refroidir progressivement.

Les modifications apportées à la structure métallurgique peuvent contribuer à réduire le risque de fissuration différée et à accroître la ductilité, ainsi qu’à améliorer la résistance à la corrosion des soudures, la ténacité, la résistance aux chocs et la résistance aux fractures fragiles.

Le PWHT est généralement réalisé à l'aide de systèmes de préchauffage et de chauffage contrôlables, équipés de thermocouples placés stratégiquement afin de garantir un chauffage uniforme sans déformation des composants. Le PWHT par points peut également être utilisé sur des composants de plus grande taille, tels que les soudures circonférentielles sur des tuyaux ou les soudures de fermeture sur de longs récipients sous pression ; toutefois, la mise en œuvre de cette technique peut s’avérer plus complexe en raison des variations de dilatation thermique susceptibles d’entraîner une déformation importante.