Traitement thermique post-soudure (PWHT) pour l'acier au carbone

Le traitement thermique après soudage, ou PWHT, fait partie intégrante du processus de soudage, car il permet d'atténuer les contraintes résiduelles causées par le soudage tout en tempérant les régions microstructurelles dures ou potentiellement fragiles.

Le PWHT peut être réalisé dans des fours fonctionnant à l'électricité, au gaz naturel ou au pétrole ; toutefois, dans cet article, nous nous concentrerons sur la température à atteindre pour obtenir des résultats optimaux avec le PWHT de l'acier au carbone.

Thermodynamique

Le soudage est l'un des procédés de fabrication les plus répandus. Cependant, après le soudage, des contraintes résiduelles peuvent se former et entraîner des difficultés opérationnelles. Pour atténuer ces tensions internes, le traitement thermique post-soudage (PWHT) peut contribuer à soulager les contraintes résiduelles en adoucissant les zones durcies, en améliorant la microstructure et les caractéristiques chimiques, en réduisant la teneur en hydrogène dans la zone de soudage et en soulageant les contraintes résiduelles ; cependant, une température ou des temps de maintien excessifs ou inappropriés ont un impact négatif sur les propriétés mécaniques [1].

Les aciers au carbone et les aciers faiblement alliés doivent être soumis à un PWHT afin de réduire les contraintes résiduelles, de contrôler la dureté du matériau et d'améliorer la résistance mécanique. Les températures de PWHT pour certaines compositions chimiques ou gammes d'épaisseur, telles que les aciers pour tuyauteries et appareils à pression dont la teneur en chrome est inférieure à 1,5%, requièrent généralement des températures supérieures à 1050 degrés Celsius, conformément aux exigences du code. Par exemple, lorsqu'il est utilisé pour des tuyaux et des appareils à pression avec de telles exigences, comme par exemple avec une teneur en chrome de 1,5%, l'acier nécessite des températures de PWHT supérieures à 1050degC pour améliorer la résistance mécanique, comme le prévoient les exigences imposées par les codes qui réglementent la manière dont le PWHT fonctionnera et atteindra ces objectifs de manière efficace.

Cependant, les nuances structurelles générales telles que BS 5400 pour les ponts, BS 5958 pour les bâtiments et EEMUA 158 pour les structures offshore autorisent des limites d'épaisseur telles que soudées nettement plus importantes, associées à des exigences d'énergie Charpy plus élevées. Ces différences semblent liées à des facteurs tels que la température de préchauffage, la teneur en alliages et la formation de martensite. L'objectif de cet article est d'aider les lecteurs à mieux comprendre ces influences lorsqu'ils déterminent une température de PWHT pour leur acier.

Microstructure

Certains matériaux nécessitent un traitement thermique post-soudure (PWHT) afin d'obtenir la résistance et la ductilité souhaitées. Le PWHT consiste à chauffer les fabrications soudées entre 580 et 620 degrés Celsius pendant une heure par 25 mm d'épaisseur afin de relâcher les contraintes résiduelles créées pendant le soudage. Cela permet de garantir une résistance suffisante à la traction et à l'impact Charpy, ainsi que de réduire le risque de fracture.

La microscopie STEM a été utilisée pour examiner la structure des dislocations et l'altération des carbonitrures MX à différents temps de PWHT. Un échantillon tel que soudé présentait une densité élevée de dislocations sévèrement enchevêtrées dans sa matrice bainitique ; aucune structure ordonnée telle que des réseaux de dislocations ou des limites de sous-grains ne pouvait être discernée à ce stade. En augmentant la durée du PWHT, la densité des dislocations a considérablement diminué ; de nouvelles structures ordonnées telles que des réseaux de dislocations ou des limites de sous-grains sont devenues évidentes, de même que des carbonitrures MX grossies qui ont réduit leur effet de pincement sur les dislocations, ce qui a finalement conduit à ce que les limites de sous-grains redeviennent visibles.

Aux temps de PWHT de 8 et 16 heures, la morphologie du métal soudé s'améliore avec des densités de dislocation plus faibles ; cependant, la densité de dislocation reste beaucoup plus élevée que celle de l'acier trempé. En outre, les précipités aux limites des grains et des sous-grains sont devenus beaucoup plus grossiers en raison du mûrissement d'Ostwald des carbonitrures MX, ce qui donne des particules plus grosses aux limites des grains et des sous-grains qu'à l'intérieur des grains eux-mêmes.

Soulagement du stress

Le traitement thermique des aciers au carbone et au carbone-manganèse est une étape essentielle après le soudage pour minimiser les fractures fragiles. Ce processus consiste à chauffer la zone de soudure à des températures élevées pendant une période prolongée, puis à la refroidir. À des températures plus élevées, la distribution des contraintes devient plus uniforme, ce qui diminue les contraintes résiduelles, tandis que le revenu ramollit les régions microstructurelles dures du matériau de base qui pourraient autrement conduire à des fissures.

Le soudage introduit des niveaux élevés de contraintes résiduelles dans les métaux, en particulier dans les soudures épaisses. Lorsqu'elles sont combinées à des contraintes de service, ces contraintes résiduelles peuvent réduire la résistance à la rupture et la susceptibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte (FCC). Le PWHT permet d'atténuer ces contraintes résiduelles et d'améliorer les propriétés mécaniques du joint à souder.

Le PWHT nécessite de soumettre les structures à des températures élevées pendant de longues durées, ce qui peut s'avérer difficile et coûteux pour les grandes structures. Pour garantir une isolation et un chauffage adéquats dans la zone de soudure, il est nécessaire d'obtenir une lecture précise de la température à l'aide d'un enregistreur/contrôleur numérique.

Un PWHT inapproprié peut réduire la résistance du matériau. En outre, une vitesse de refroidissement inefficace pendant le PWHT peut entraîner des distorsions et réduire la résistance finale à la traction.

La force

Comme indiqué ci-dessus, la résistance à la traction et la limite d'élasticité de l'acier au carbone tendent à diminuer avec l'augmentation de la température ; cependant, sa ductilité (KJc) augmente en raison du revenu produisant des constituants de martensite-austenite plus importants qui améliorent la résistance aux chocs.

Il est donc essentiel que les conditions de PWHT soient adaptées non seulement aux propriétés de l'acier tel qu'il est livré, mais aussi aux conditions de service prévues pour le composant soudé. Les sidérurgistes doivent donc en tenir compte lorsqu'ils déterminent la température de revenu de leurs produits de laminage.

Les codes et normes de construction (tels que BS 1113 et ASME VIII ) stipulent souvent une limite inférieure pour l'épaisseur du PWHT. Ces limites sont déterminées en partant du principe que la résistance à la traction et la limite d'élasticité restent dans des paramètres acceptables après la PTFE.

Bien sûr, ce n'est pas toujours possible et c'est pourquoi tout tuyau ou récipient conçu pour être utilisé avec de l'hydrogène doit subir un traitement thermique post-soudure (PWHT). La température et la durée de ce traitement doivent être soigneusement choisies afin de provoquer les changements métallurgiques souhaités tout en respectant toutes les spécifications du code, de la norme ou du contrat ; il convient également de demander l'avis d'un expert en ce qui concerne les durées et les températures spécifiques aux types d'acier au carbone.