Traitement thermique post-soudure

Le traitement thermique post-soudure (PWHT) est une méthode industrielle standard de traitement thermique post-soudure de pièces métalliques et d'éléments soudés à des températures inférieures à leur température de transformation critique inférieure, généralement avant le soudage ou les applications métallurgiques telles que les appareils à pression et les tuyauteries.

Le PWHT local est une approche permettant de minimiser la déformation hors plan. Cette méthode a été étudiée à l'aide d'une analyse par éléments finis et les distributions locales de contraintes ont été comparées à celles obtenues par l'électroérosion au four.

Résistance de la soudure

Le traitement thermique post-soudure, communément abrégé en PWHT, est une étape importante après le soudage, qui consiste à chauffer le métal à une température inférieure à sa température critique de transformation et à le maintenir à cette température pendant une période déterminée. Cela permet d'atténuer les contraintes résiduelles dans la zone de soudure tout en augmentant la ténacité et en aidant à prévenir les fractures fragiles dans les joints de soudure. Dès que possible après l'achèvement du soudage, il convient de procéder à un contrôle - son importance ne doit pas être ignorée !

Le PWHT est nécessaire en raison des procédés de soudage qui créent des gradients de température élevés entre le matériau de base et le métal soudé, créant des contraintes dans le matériau soudé qui dépassent les limites des contraintes de conception. Le traitement thermique à chaud peut réduire considérablement ces contraintes, améliorant ainsi la résistance et la durabilité des structures soudées.

Pour assurer un cycle de température stable, il faut que les structures ou les composants pesés bénéficient d'un soutien adéquat. Des tréteaux conçus pour épouser les contours de leur objet à intervalles réguliers contribueront à minimiser les déformations ; cela est particulièrement important pour les composants longs ou de forme irrégulière, car les différences de dilatation thermique entre les sections peuvent les faire plier ou déformer le matériau au fil du temps.

Les fours PWHT avancés sont conçus pour être flexibles et polyvalents, capables de répondre à de nombreux processus différents tels que le recuit, le vieillissement, la normalisation, le détensionnement et le revenu. Leur construction à double paroi limite les pertes de chaleur tout en conservant l'énergie ; des systèmes de contrôle précis suivent les profils de chauffage/refroidissement obligatoires imposés par les codes de soudage, avec des thermocouples mesurant à la fois la température interne du four et la température de la pièce soudée pour des résultats précis.

Contrainte résiduelle de soudage

Les contraintes résiduelles jouent un rôle essentiel dans les performances des soudures par points. Les contraintes résiduelles de compression rapprochent les matériaux tandis que les contraintes résiduelles de traction les séparent ; la compression améliore généralement la résistance à la fatigue et la durée de vie, tout en ralentissant la propagation des fissures et en augmentant la résistance à la fissuration assistée par l'environnement, telle que la fissuration induite par l'hydrogène ou la fissuration par corrosion sous contrainte.

Les contraintes résiduelles de traction réduisent la durée de vie en fatigue, augmentent le potentiel de fissuration et la vulnérabilité aux fractures fragiles dans les structures soudées. Leur nature exacte et leur ampleur dépendent de plusieurs facteurs, notamment la géométrie de la structure, les procédures de fabrication, les méthodes de soudage utilisées, les traitements appliqués après le soudage, les conditions de service, etc.

Prévoir et atténuer les facteurs de stress n'est pas une tâche simple en raison des interactions non linéaires complexes entre les différentes variables. En outre, les mesures des contraintes résiduelles et les prévisions analytiques présentent souvent une dispersion et une variabilité importantes pour de nombreuses raisons, notamment les incertitudes liées aux lieux de mesure et aux matériaux utilisés, ainsi que les erreurs introduites dans les données mesurées ou les hypothèses incorrectes dans la modélisation analytique.

Pour prédire et atténuer avec précision les contraintes résiduelles, il est nécessaire d'acquérir une connaissance approfondie des processus fondamentaux qui régissent leur développement dans les structures soudées. Pour y parvenir, ce numéro spécial présente 13 articles de recherche originaux axés sur des modèles mathématiques, des techniques expérimentales et des méthodologies de mesure développés spécifiquement pour détecter et atténuer les contraintes résiduelles causées par le soudage pour différentes géométries de joints et conditions de soudage.

Soudage Fissuration

De nombreux projets, des bobines de tuyauterie aux sphères de stockage en passant par les récipients sous pression, peuvent être soumis à un traitement de trempe et de revenu dans des fours spécialement installés sur place. Toutefois, lorsqu'il s'agit de structures plus grandes et/ou plus lourdes, telles que des cuves, les bureaux d'études peuvent créer des fours sur mesure, spécialement adaptés aux besoins de leurs clients.

Le PWHT est nécessaire en raison des contraintes résiduelles créées lors du soudage de matériaux épais. Combinées aux contraintes de charge, ces contraintes résiduelles peuvent dépasser les limites du matériau et entraîner la rupture de la soudure. Le traitement thermique à chaud permet de réduire ces contraintes résiduelles ; cependant, des changements microstructuraux se produisent, ce qui diminue la ténacité et la ductilité du matériau.

Les aciers faiblement alliés et à haute teneur en carbone, en particulier, sont plus sujets à la fissuration à froid parce qu'ils sont plus fragiles et perdent de leur résistance à la traction lorsqu'ils sont refroidis à partir de la zone du bord de la soudure.

Les codes de soudage exigent une transition en douceur entre le métal soudé et le métal de base au niveau du bord de la soudure, afin d'éviter la formation d'une "élévation de contrainte" qui conduit à la fissuration. Pour atteindre cet objectif, il convient d'utiliser des vitesses de déplacement et des réglages de tension appropriés, ainsi que des chevalets de soudage spécialement conçus pour le composant, afin d'éviter toute distorsion excessive ; un positionnement régulier devrait permettre d'obtenir une soudure homogène.

Rupture de soudure

Le soudage des métaux produit des cycles de chauffage et de refroidissement non uniformes, ce qui entraîne l'accumulation de forces internes connues sous le nom de contraintes résiduelles dans le matériau. Il peut en résulter une distorsion et une réduction des propriétés mécaniques qui conduisent à des défaillances de la soudure et à un plus grand potentiel de fissuration - ce qui nécessite un traitement thermique de détente après soudage comme moyen crucial de protéger la résistance et les performances des fabrications soudées.

Un four PWHT est utilisé pour réduire et redistribuer les contraintes résiduelles par des cycles répétés de chauffage et de refroidissement, induisant un revenu qui améliore la ductilité du matériau et sa résistance aux ruptures fragiles. Ce traitement thermique est exigé par de nombreux codes et normes afin de garantir la sécurité des structures soudées.

Le traitement thermique des composants peut être effectué dans un four pwht, installé de manière permanente, portable ou monté sur place. Pour obtenir des résultats optimaux, ces fours doivent être placés de manière à éviter les zones susceptibles de produire des gradients ou des différences de température excessifs ; dans le cas contraire, ces zones amèneraient le composant à dépasser sa température de transformation de phase et conduiraient à des changements de volume et de phase inattendus.

Le PWHT consiste à chauffer des parties d'une structure soudée à des températures élevées et à les maintenir à ces températures pendant une période prolongée. Une directive standard suggère de prévoir une heure par tranche de 25 mm d'épaisseur ; il est également possible de procéder à un PWHT local, mais certaines restrictions doivent être respectées.