124494679-metallurgie-ts1-eleve

7/28/2019 124494679-Metallurgie-TS1-eleve

1/45

STRUCTURES METALLIQUES

DOSSIER

(Elve)Mtallurgie

du soudage

1re anne BTS

BTS

Conception

Ralisation

Chaudronnerie

Industrielle

Ministre de l'ducation Nationale, de

l'Enseignement Suprieur et de la Recherche


2/45

Centre NationaldeRessourcesStructuresMtalliques Page 2

AVANT PROPOS

Les volutions des technologies, des contenus de formation et des pratiques

pdagogiques ncessitent une adaptation constante des connaissances des enseignants.

La formation continue des professeurs qui en dcoule est organise essentiellement

autour des services acadmiques de formation des personnels.

Le rseau national de ressources STRUCTURES MTALLIQUES, sous l'autorit de la

Direction de l'Enseignement Scolaire et de l'Inspection Gnrale dveloppe une politique de

ressources pour la formation continue des enseignants.

Au travers des diffrents dossiers et fascicules labors par des professeurs du

terrain, le rseau permet de soutenir et d'accompagner cette formation, c'est--dire :

Favoriser l'auto-formation des enseignants, leur rythme, selon leurs besoins

et sur leur lieu de travail ;

Proposer des rponses aux besoins et aux problmes poss;

Apporter des informations aux corps d'inspection qui sont les relais avec le

terrain;

Elaborer des supports de formation pouvant tre utiliss par les inspecteurs

et les services acadmiques de formation.

C'est dans cette optique que vous est propos le dossier ressource :

Cours et applications concernant la mtallurgie du soudage en BTS CRCI premire anne.


3/45


Ce dossier devrait permettre au technicien suprieur C.R.C.I daborder les problmes

de mtallurgie du soudage avec un apport de connaissances, une dmarche et des outils qui

vont lui permettre de solutionner les htrognits dans les diffrentes zones concernes.

Il aura une connaissance sur la trempabilit des aciers dans un premier temps. Lexplication

du phnomne (pouvoir trempant) ainsi que les inconvnients sy rapportant.

Il abordera alors les mthodes bases sur le carbone quivalent ou sur la vitesse de

refroidissement de la soudure afin de dvelopper une remdiation.

Viendra enfin ltude de la fissuration pour les aciers au carbone.

Ce cours est illustr dtudes de cas qui permettront de bien assimiler les

problmatiques rencontres en mtallurgie du soudage.

Les tudiants devraient comprendre les risques encourus lors du soudage et rentrer

dans le process qui doit leur permettre dobtenir les pices les plus homognes possibles

tant au niveau de la structure quau niveau des caractristiques mcaniques.

Ce dossier a t labor par :

M. Marc BENTI professeur au LEGT Paul Constans - 03100 MONTLUCON

Coordination du rseau de ressources

M. Jean Claude TTOT

Professeur UPEC - IUFM SSTP

Centre National de Ressources Structures Mtalliques

Place du 8 Mai 45 - BP 85 - 93203 St Denis

Tlphone 01.49.71.87.00 - Fax : 01 49 71 88 39

Site web:http://cnrsm.creteil.iufm.fr
http://cnrsm.creteil.iufm.fr/http://cnrsm.creteil.iufm.fr/http://cnrsm.creteil.iufm.fr/http://cnrsm.creteil.iufm.fr/


4/45


METALLURGIECRCI PARTIE 1

1 LE MATERIAU METALLIQUE

Cours : structure du matriau, de latome au grain, avec quelques questions.

2 LES ALLIAGES BINAIRES Cours : diagramme de transformation simple avec explication de la rgle des segments

inverses ( la dmonstration des quations nest pas obligatoirement donne aux tudiants).

Deux applications en fin de cours.

3 - DIAGRAMME FER CEMENTITE Cours : comprendre les diffrentes phases de lacier, les transformations solides solides,

entre en matire pour les traitements thermiques.

Application : quelques questions pour bien comprendre le diagramme.

4 - SOUDABILITE DES ACIERS NON ALLIES ET FAIBLEMENT ALLIESCours : La soudabilit et le taux de carbone. Comprendre ce quest un pouvoir trempant,

utilisation du carbone quivalent. Entre en matire pour les mthodes de rsolution.

5 - LES METHODES BWRA ET SEFERIANCours : Utilisation des deux mthodes bases sur le Ceq. Petites applications pour bien

assimiler les mthodes.

Application : un exercice de style pour utiliser les deux mthodes.

6 - ENERGIE DE SOUDAGE VITESSE DE REFROIDISSEMENT TRCSLes mthodes IRSID et BAUS ET CHAPEAU

Cours : On aborde ici les courbes et les vitesses de refroidissement. Application : un exercice

de style pour utiliser les deux mthodes.

7 LA FISSURATION Cours : Diffrences entre la fissuration chaud et la fissuration froid avec leurs causes

principales.

Application : Encore un exercice de style pour aller au bout du pr et post-chauffage.

Les cours et exercices sont tirs de livres et de cours de collgues, ils ont t labors depuis

plusieurs annes et mis en commun avec Bordeaux et Le Creusot.


5/45


1.LE MATERIAU METALLIQUE

ETAT METALLIQUE : Atome de Fer

STRUCTURE CRISTALLINE :

Les mtaux sont forms de grains dont la forme est polygonale. Cette structure cristalline est lorigine de leurs proprits.

Les mtaux cristallisent suivant les systmes cristallins ci aprs :

MA I L L E C U B I Q U E CE N T R E E

Elle comporte un atome

chaque sommet du cube et

un en son centre.Ex : Fer , Ni, Mo .

MA I L L E C U B I Q U E A FA C E SC E N T R E E S

Elle comporte un atome

chaque sommet et un au

centre de chaque face ducube

MA I L L E H E X A G O N A L E CO M P A C T E

Elle comporte un atome chaque

sommet du prisme, un au centre de

chaque base et trois atomes dans le

plan mdian.

Un matriau mtallique est constitu dune

multitude de grains ( 5 < < 20 ).

Latome est form dun noyau et dun nuage

dlectrons ; le noyau comprend les neutrons et les

protons.

La maille est un motif dions (atomes chargs

lectriquement).


6/45


1 - NOMBRE DATOMES PAR MAILLE:

Une maille CC comporte 8 atomes partags entre les 8 mailles voisines. 1/8 pour les sommetsplus celui du centre, ce qui nous donne 2 atomes par maille.

Combien une maille CFC comporte-t-elle datomes par maille?

.

2 - ALLIAGE METALLIQUE :

4.1 CaractrisationLalliage mtallique est caractris par les facteurs suivants :

Composition chimique : proportion respective des lments de base Constitution physico-chimique : proportion des constituants obtenus partir des lments de

base (Martensite, Perlite ). Structure : gomtrie suivant laquelle sont disposs les constituants (gros grain ou grains fins).

Etat mcanique : Contraintes rsiduelles et proprits mcaniques.

4.2 Diffrents types

On distingue deux types dalliage :- Solution solide de substitution (fig. a)

- Solution solide dinsertion (fig. b)

Dans les diffrentes configurations de mailles nous ne

retiendrons que les systmes cubiques (CC; CFC) qui

sont ceux des mtaux les plus usuels.

Certains mtaux, comme le Fer nont pas

toujours le mme systme cristallin (transformationsallotropiques).


7/45


2. ORGANISATION AU SEIN DE LA MATIERE POUR LACIER :

3 - TRAVAIL DEMANDE :

A Indiquer, par crit les trois chelles des structures des mtaux et alliages.

B Quel est le but de la macrographie ?

C Quel est le but de la micrographie ?

D Quelles sont les structures mtalliques les plus rpandues ?

EQuels sont les deux types dalliage que lon distingue ?

La macrographie, examen lil

nu ou la loupe, o lon observe la

structure densemble.

ZAT Mtal de Base

La micrographie, examen au

microscope optique, o lon observe la

structure micrographique. Grossissement 250

Structure cristalline, examen au

microscope lectronique ou ionique.


8/45


LES ALLIAGES BINAIRES

DIAGRAMME A SOLUTION SOLIDE UNIQUE:

Soit un alliage binaire : deux lments (exemple du cuivre et du nickel).

Le cuivre et le nickel sont des corps purs, ils changent dtat (liquide, solide) une seule temprature.

Un alliage 40% de nickel commence se solidifier 1280, il est donc pratiquement totalement

liquide.

Cet alliage termine sa solidification 1200, o il est totalement solide. Entre ces deux tempratures

cest un mlange de liquide et de solide. Les proportions sont dtermines par la rgle des segments

inverses.

Nous travaillerons toujours avec le pourcentage massique.


9/45


REGLE DES SEGMENTSINVERSES:

Rgle des segments inverses : on prend le segment inverse ce que lon calcule :

% calcul = (Segment inverse / segment total) x 100

%Liquide = (PN/PM) x 100 et %Solide = (NM/PM) x 100

A temprature T, lalliage particulier dont la teneur de Ni est X est caractris par une

composition particulire (mlange de solide et de liquide). Si m1, m2 et m sont les masses respectives

de liquide, de solide et de lalliage, nous avons:

Equation 1 m1 + m2 = mEquation 2 m1 X1/100 + m2 X2/100 = m X/100

Do:Le liquide m1 / m = PN / PM

Le solide m2 / m = NM / PM

Application:

A 1250, lalliage cuivre nickel 40% de nickel en masse contient:

A 1200, lalliage cuivre nickel 30% de nickel en masse contient:

DIAGRAMME FER-CEMENTITE


10/45


1.CHANGEMENT DETAT

La caractristique particulire du fer est son polymorphisme (plusieurs formes) en fonction de la

temprature et de la pression.

Le fer existe sous trois formes (sans pression extrieure) :

De 0 kelvin (-273 C) 912 C :. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

De 912 C 1394 C :. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .De 1394 C 1538 C : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.CHANGEMENT DE PHASE.

Les diagrammes dalliages fer carbone sont de 2 types :

Le diagramme dquilibre stable fer graphite.

Le diagramme dquilibre mtastable fer cmentite.

Pour les aciers et dans les conditions de refroidissement industriel, le diagramme mtastable est

prpondrant.

Le diagramme sera donc limit sur la partie droite, par lexistence dun compos chimiquement

dfini de fer et de carbone : La cmentite.

3.LES CONSTITUANTS A LEQUILIBRE DES ALLIAGES FE-C

Dans ltude qui suit, nous nous attarderons sur les aciers dont la teneur en carbone est

infrieure 2.11 %.

3.1 LA PHAS E FE RRITIQUE (FE R )Domaine dexistence :

Dissolution du carbone :

Caractristiques mcaniques :

3.2 LA PHAS E AUS TENI TI QUE (FE R )Domaine dexistence :



3.3 LA CEMEN TI TE (FE3C)

Domaine dexistence :




11/45


3.4 LE POINT EUTECTIQUE

Domaine dexistence :.

3.5 LE POINT EUTECTODE

Dfinition :


3.6 APPL ICA TION

Dterminer avec la rgle des segments inverses la composition de la perlite.

Teneur en ferrite :

Teneur en cmentite :

% de carbone :

4. CONSTITUTION A LEQUILIBRE DES ALLIAGES FER-CARBONE

4.1 ETUDE DE L A CIER E U TECTODE

Dterminer sa composition 1150 C :



Reprsentation microscopique

La transformation se fait par germination et croissance, cest

dire quil y a apparition dun grain (germination) puis

dautres grains autour (croissance).


12/45


4.2 DETERMINATION D UN ACIER A 0.4 % D E C

Dterminer sa composition 1150 C : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Analyser lvolution de 840 728 C :

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Dterminer son volution 726 C :

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Dterminer son volution temprature ambiante : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Dterminer la composition de lacier 0.4 % de Carbone :

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

728 C

726 C


13/45



14/45


QUESTIONNAIRE SUR LE DIAGRAMMEFER CEMENTITE1. QUESTIONNAIRE

Complter par une croix le tableau suivant et justifier vos rponses en vous aidant du

diagramme donn en cours.

VRAI FAUX

A la temprature ambiante, tous les alliages Fe-C dont la teneur en C est

0.002 % comportent de la cmentite.

Justification :

En dessous de 0.002 % de C., cest du fer . Il dissout trs peu de cmentite.

Un alliage hypoeutectode commence fondre une tempratureinfrieure celle dun alliage hypereutectode.

Justification :

Avec 0.5 % de C la fusion dbute 1450.

Avec 1.1 % de C la fusion dbute 1320.

A 780, un alliage ferrito-austnitique devient totalement austnitique si

on lui ajoute du carbone.

Justification :

A 780 avec 0.3 % de C nous avons un alliage ferrite + austnite. A cette mme

temprature avec 0.7% de C nous navons plus que de laustnite.

Pendant lchauffement, entre 720 et 1145, la teneur en carbone dun

acier eutectode varie de 0.8 % 2.11 %

Justification :

Elle ne varie pas, puisque lon se dplace suivant une verticale.

Un alliage hypoeutectique commence fondre une temprature

infrieure celle dun alliage hypereutectique.

Justification :

Ils commencent fondre tous les deux 1148.


15/45


4. SOUDABILITE DES ACIERS NON ALLIESETFAIBLEMENT ALLIES

1 - SOUDABILITE :

Si lon reprsente cette soudabilit par un coefficient : S variant de 0 10, la courbe fig. 1

reprsente la variation de Sen fonction de la teneur en carbone de lacier.

COEFFICIENT DE SOUDABILITE S

pour les aciers au carboneet faiblement allis.

PARFAITEMENT SOUDABLEC = 0 0,25 %S 9 10

MOYENNEMENTSOUDABLEC = 0,25 0,45 %S 7 9

SOUDABLE AVECPRECHAUFFAGEC = 0,45 0,65 %S 5 7

SOUDAGE DIFFICILESoudage sous conditions(prchauffage) indispensableS < 5


16/45


2 - INFLUENCE DES ELEMENTS DADDITION : Les lments daddition les plus importants entrant dans la composition des aciers sont : le

manganse, le nickel, le chrome, le molybdne car ils tendent augmenter le pouvoir trempant du

mtal.

La fig. 2 met en vidence linfluence du manganse sur la soudabilit, ainsi un acier 0,2 %

de C + 1,5 % de manganse a une soudabilit analogue un acier 0,35 % de carbone.

3 - CALCUL DU CARBONE EQUIVALENT DAPRESLIIS :LInstitut International de Soudure a mis au point une formule permettant de calculer le

carbone quivalent : Cq = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15

Ainsi que le carbone quivalent compens qui tient compte de lpaisseur souder :

CEC = CQ + 0.0254 X E

Application : On veut souder une pice en acier 25 Cr Mo 4, quel est cet acier, analysez sa

soudabilit en fonction de son % de carbone, faites de mme en prenant en compte son carbone

quivalent, que pouvez vous en conclure ? (Mn : 0.5%, Mo : 0.2%, Ni : 0.1%)


17/45


4 - REPARTITION THERMIQUE DANS LES ASSEMBLAGES SOUDES :

Lorsquon fait une soudure, la rpartition thermique lintrieur de celle-ci (diffusion de la

chaleur), seffectue suivant des lignes isothermes.

CYCLE THERMIQUE EN SOUDAGE

*


18/45


19/45


LES METHODES : BWRAETSEFERIAN

1. METHODE BWRA : .Cette mthode base sur le pouvoir trempant de lacier, est rserve au soudage larc

lectrique avec lectrode enrobe. Elle consiste calculer la temprature de prchauffage despices en tenant compte des paramtres suivants :

Indice de svrit thermique,

Indice de soudabilit, Diamtre des lectrodes.

1.1 INDICE DE SEVERITE THERMIQUE :Il caractrise la gomtrie et lpaisseur de lassemblage. Lindice T.S.N. est obtenu en

divisant la somme des paisseurs souder (en mm) par 6 (unit dpaisseur).

Le tableau ci-dessous donne les valeurs de lindice T.S.N. pour les types dassemblageles plus courants.

1.2 INDICE DE SOUDABILITE :Il est fonction du pourcentage en Cq., de lacier souder, ainsi que de la nature des

lectrodes utilises. Le tableau ci-dessous permet de le dterminer aprs avoir calcul le Cq.

Par la formule :


20/45


[]

indicesde

soudabilitElectrodes rutiles Electrodes Basiques

jusqu [C] = 0,20 jusqu [Cl = 0,25 A

0,21 0,23 0,26 0,30 B

0,24 0,27 0,31 0,35 C 0,28 0,32 0,36 0,40 D

0,33 0,38 0,41 0,45 E

0,39 0,45 0,46 0,50 F

> 0,45 > 0,50 G

1.3 DIAMETRE DES ELECTRODES ET TEMPERATURE DE PRECHAUFFAGE :La quantit de chaleur transmise au joint tant lie au diamtre des lectrodes utilises, on

prend en compte ce paramtre pour le calcul de Tp (Temprature de prchauffage).

Chiffre de

svrit

thermique

Indice

de

soudabilit

Temprature minimum laquelle doit tre effectue la soudure

Diamtre des lectrodes en millimtres

3.2 4 5 6 8

( C ) ( C) ( C ) ( C ) ( C )

T.S.N. 2 DEF

050125

025

T.S.N. 3CDEF

075

100150

025

1000

25

T.S.N. 4CDEF

50100125175

2575

1250

75 0

T.S.N. 6BCDEF

50100150175225

25100125175

2575

1250

75 0

T.S.N. 8ABCDEF

2575

125175200225

2575

125150200

2575

125175

050

1252550

T.S.N. 12ABCDEF

75125150200225250

2575

125175200225

2575

125175200

075

100150

050

125

T.S.N. 16ABCDEF

75125175200225250

2575

150175200250

050

125175200225

050

125150200

2550

100150

T.S.N. 24A

BCDEF

75

125175200225250

25

75150175200250

0

50125175200225

2575125175200

25100150200


21/45


2. APPLICATION : On se propose de souder larc lectrique llectrode enrobe basique 2 tles

dacier 10 CD 9 10 de 15 mmdpaisseur, chanfrein en V pas de reprise envers.

On ralise une passe de fond llectrode 3.15 et deux passes de remplissage 5.

Electrode, SAFER CD 65 SC, basique pour acier faiblement alli.

Analyse chimique:

C Mn Si Cr Ni Mo Cu S P

10 CD 9 10 0.10 0.5 0.35 2.06 0.23 0.91 0.17 0.017 0.009

1/ - Quel est cet acier, donner la correspondance dans la NE ?

2/ - Donner la polarit et le type de poste pour effectuer la soudure.

3/ - Vrifier sil y a besoin dun prchauffage.


22/45


3. METHODE SEFERIAN :Cette mthode est galement base sur le pouvoir trempant , elle consiste, pour un

acier donn, dterminer la temprature de prchauffage des pices souder, de manire viter

un refroidissement trop rapide du joint qui conduirait la formation dune structure fragile (

martensite ) dans la Z.A.C.. Le calcul de cette temprature de prchauffage seffectue en trois

tapes : Calcul du carbone quivalent ( Ceq ),

Calcul du carbone quivalent compens ( Ceq.C ),

Calcul de la temprature de prchauffage ( Tp ).

3.1 CARBONE EQUIVALENT : EXPRESSION DE SEFERIAN

3.2 CARBONE EQUIVALENT COMPENSE

Le carbone quivalent compens (Ceq.C) tient compte de lpaisseur des pices

assembler (influence de la vitesse de refroidissement) ainsi que du carbone quivalent (Ceq).

Il est dfini par la formule :

e : Epaisseur moyenne des tles en mm.

3.3 TEMPERATURE DE PRECHAUFFAGE DES PIECES A SOUDER (1)

Elle est calcule en fonction du Ceq.C par lexpression suivante :

( 1 ) Le diagramme page suivante dtermine Tp, directement partir de Ceq. et de e.

4. APPLICATION : Reprendre la mme application que le N4, comparez les deux mthodes.Aprs cette tude que pouvez vous dire de la soudabilit de cet acier, de son pouvoir trempant,

quelle est la diffrence ?

Ceq. =. + --------------- + --------- + ----------

..


23/45


PRECHAUFFAGE DES ACIERS AU CARBONE

ET FAIBLEMENT ALLIES

DIAGRAMME DE SEFERIAN

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.20 0.25 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80

0.543

0 50 100 150 200 220 250 300 350

EPAISSEUR(mm)

CARBONE EQUIVALENT

TEMPERATURE DE PRECHAUFFAGE ( C )

UTILISATION

:Lediagrammepermetdedterminer

latempraturede

prchauffage,directementpartirducarbonequivalentC

eq..

Parexemple:

PourCe

q.=0.543ete=40mm,Tp=220C


24/45


APPLICATION N1 SEFERIAN - BWRA

On se propose dtudier lassemblage des repres 101 et 102 suivant le plan de laroue auges. Cette soudure est ralise larc lectrique llectrode enrobe basique.Tous les usinages du moyeu (trou 125 et rainure de clavette) seront raliss aprs

soudage.

1 seule passe sera suffisante, le joint sera effectu avec une lectrode 5.

Analyse chimique des matriaux en prsence :

1/ -Quelle est la longueur de la soudure, faire le schma cot de lassemblage.

2/ - Expliquer la dsignation de ces aciers, sont-ils parfaitement soudables?

3/ - Donner la polarit, les paramtres de soudage et le type de poste pour effectuer

la soudure.

4/ - Vrifier sil y a besoin dun prchauffage avec les mthodes BWRA et

SEFERIAN.

C Mn Si Cr Ni Mo Cu Al S P

S355 JO 0.17 1.4 0.45 0.063 0.026 0.027

C35 0.35 0.63 0.27 0.05 0.05 0.14 0.02 0.015 0.022


25/45



26/45


ENERGIE DE SOUDAGEVITESSE DE REFROIDISSEMENT-TRCS

1.ENERGIE NOMINALE DE SOUDAGE :

Cest lnergie fournie au niveau de larc lectrique pour excuter une soudure. Elle

correspond une puissance P pendant un temps t.

2.ENERGIES NOMINALESET VITESSESDE SOUDAGE

Ce tableau donne lnergie nominale (En) en fonction du de llectrode, de la longueur

du cordon ou de la vitesse de soudage Vs. des lectrodes 2.5 3.2 4 5

Longueur utile 300 400 400 400

Intensit en A 75 110 150 200

Tension en Volts 24 25.4 27 29

Tps fusion d'une lectrode 64 82 92 110

Longueur du cordon en cm pour 10 cm d'lectrode consomme

EnergieNominaleenkJ/cm

6 6.4 9.5 15.5 26.6

8 4.8 7.2 11.6 19.9

10 3.8 5.7 9.3 16

12 3.2 4.8 7.8 13.3

14 2.7 4.1 6.7 11.416 3.6 5.8 10

18 3.2 5.2 8.9

20 2.9 4.7 8

25 2.3 3.7 6.4

30 3.1 5.3

40 2.3 4

50 3.2

des lectrodes 2.5 3.2 4 5

Vitesse de soudage cm / mn

EnergieNominaleenkJ/cm

6 18 27.9 40.5 588 13.5 21 30.4 43.5

10 10.8 16.8 24.3 34.8

12 9 14 20.3 29

14 7.7 12 17.4 24.9

16 10.5 15.2 21.8

18 9.3 13.5 19.3

20 8.4 12.2 17.4

25 6.7 9.7 13.9

30 8.1 11.6

40 6.1 8.750 7

Elle sexprime enj/cm avec

En = U.I / V

Elle sexprime en kJ/cm avec

En = 60.U.I / 1000.V


27/45


Exemple : Donner la vitesse de soudage et lEn pour le soudage dun S 355 paisseur 8 mm

chanfreine en V 60. Pour la passe de fond 3.2, pour une passe de remplissage 4. Ces deux

passes sont-elles suffisantes ?

3.COURBES TRCS : La fissuration froid est, de loin, le dfaut le plus redout dans le soudage des aciers. Le

dsir dviter cette fissuration est la source de la plupart des critres voqus dans le contexte

du soudage : carbone quivalent, duret sous cordon, etc..., dont la validit nest pas absolue.

LInstitut de Soudure mis au point des courbes de Transformation en RefroidissementContinu en condition de Soudage (TRCS).

DIAGRAMME TRCS ACIER C45

Composition chimique :

C MN Si

0.46 0.73 0.28

HV5

A B


Rm = 780 N/mm Re = 460 N/mm A% = 24

en C


28/45


Courbe TRCS dun C45 :

Si la Vitesse de Refroidissement Vr ou tr < 13 s ( nez Martensitique ), nous considrons

deux cas :

Si la Vitesse de Refroidissement Vr ou tr > 13 s :

Ces mmes courbes TRCS prsentent la courbe de duret( trait mixte ) avec des

graduations en ordonne droite, exprimes en HV5 :

Il est vident daprs cette courbe que la duret augmente considrablement avec la

rapidit du refroidissement.

Pour pouvoir utiliser ces TRCS il faut calculer le temps de refroidissement tr ou t. Deuxmthodes nous sont proposes IRSID et BAUS et CHAPEAU.

4.METHODE DE LIRSID: LInstitut de Recherche de la SIDrurgie franaise (IRSID) mis au point un abaque qui

permet de dterminer la ncessit ou non dun prchauffage.

Il permet, galement de calculer la vitesse de refroidissement entre 800 et 500C t. lacourbe IRSID sutilise en association avec les diagrammes TRCS. Elle utilise les paramtres suivants:

Energie nominale En = U.I/Ven fait En = 60.U.I/1000 V.

Energie corrige qui tient compte de lagomtrie du joint Ec = En.k

Energie quivalente qui tient compte de lagomtrie de lassemblage et du

rendement darc (pertes parrayonnement par exemple) :

Eq = Ec. = En.k.= 1 pour le soudage llectrode enrobeet sous flux solide.

= 0.7 pour le soudage MIG MAG =0.5 pour le soudage TIG.Avec En, Ec, Eq en kJ/cm

Epaisseur des pices souder en mm.

Soudage plat k = 1


29/45


A POUR OBTENIR LE POINT

Selon lassemblage raliser, le soudeur met lhypothse dune En = 18 kJ pour une lectrode de

4 mmk = .. .=... .Epaisseur =

Abaque thermique gnral de lIRSID didactis

B POUR OBTENIR LE POINT

Daprs la norme NF EN 1614-1 la duret critique HVc = 380 (si on la calcule avec la formule de lapage 3 cest environ 600). Nous prendrons HVc = 380La vitesse de refroidissement partir de la TRCS : ..La temprature de prchauffage sera de : .

.Cette mthode prend en compte les paramtres de soudage, la gomtrie du joint, le

rendement, lpaisseur du matriau, la composition chimique (TRCS). Elle est complte.

Ec


30/45


31/45


- Pour To = 20 C et Ed = 17 kJ/cm,

- Pour To = 200 C et Ed = 17 kJ/cm,

- Remarque : Pour les tles trs paisses chanfreines en X, la valeur de est divise par 2

..

Quadrant suprieur droit

Il est utilis pour le soudage des tles minces (e < 25mm) en bout bout, en L,ou en T.

Pour diffrentes tempratures 20 200C, on lit lvolution de la dure de refroidissement

en fonction de lnergie dissipe Ed/e ( e : paisseur combine en cm). Lcoulement du

flux thermique ou de la chaleur ( calcul dee) dpend du nombre de chemins de dispersion de la

chaleur( voir les schmas sur labaque page 5 ).

Par exemple : deux tles dpaisseur 10 mm sont soudes en T avec lectrodes enrobes.Lnergie nominale de soudage tant de 18 kJ/cm.

On dtermine Ed et e: -Ed = ..

-e = ...........................................................................................

Sur le quadrant infrieur droit, partir de ces deux valeurs, on obtient

Ed/e =.......................................................................................

On dtermine ensuite partir du quadrant suprieur droit. Le soudage seffectue temprature ambiante, 20C, la vitesse de refroidissement entre 800 et 500C

= ..


32/45


APPLICATION N1 IRSID BAUS ETCHAPEAU

DONNEES TECHNIQUES :

On se propose dtudier lassemblage des repres 102 et 103 suivant le plan de la roue

auges. Cette soudure est ralise larc lectrique llectrode enrobe basique.

3 passes seront ncessaires de chaque cot du chanfrein. Premire passe 3.15, les deux

dernires seront effectues avec une lectrode 5.

TRAVAIL DEMANDE : 1 - Calculez tous les paramtres de soudage pour une nergie En = 12 kJ/cm pour le 3.15

et En = 20 kJ/cm pour le 5.Donnez le type et la polarit du poste utiliser. Quel est le paramtre

qui varie lorsque lnergie nominale varie.

2 - Quelle sera la vitesse de refroidissement. Donnez la structure et la duret dans la ZAT

pour cette vitesse. Pour trouver les valeurs demandes, on utilisera la courbe TRCS ainsi que les

abaques IRSID et BAUSS & CHAPEAU.

3 - Est-il ncessaire deffectuer un prchauffage en prenant comme condition que la duret

de la ZAT doit tre infrieure la duret critique HVc = 380(NF EN 15614-1). Calculez si besoin est.

4 - Comparez avec les rsultats obtenus avec ces deux mthodes, que pouvez vous en

conclure.

MARCHE A SUIVRE METHODE IRSID :

a. Classer lacier (NF EN 15614-1), choisir k (cours).

b. Calculer la vitesse de refroidissement (IRSID).

c. Trouver Hvc (NF EN 15614-1), donner la vitesse de refroidissement minimale (TRCS).

d. Comparer la vitesse de refroidissement IRSID et la vitesse de refroidissement minimaleTRCS.

e. Calculer la temprature de prchauffage si ncessaire.

Faire de mme pour la mthode BAUS ET CHAPEAU.


33/45


DIAGRAMMETRCS DU S 355

Analyse chimique du matriau :

C Mn Si Al S P

S355 JO 0.17 1.4 0.45 0.063 0.026 0.027

Caractristiques de traction :

Rm = 533 N/ mm Re = 328 N/mm A% = 31.8

HV5en C


34/45


ABAQUE THERMIQUE GENERAL DE LIRSID


35/45


ABAQUE DE BAUSS ET CHAPEAU


36/45


LA FISSURATION

1.FISSURATION A CHAUD Elle se forme trs haute temprature lors du refroidissement du bain de fusion.La solidification de la soudure se fait par la formation de cristaux partant de la zone de liaison versle centre et la surface de la soudure. Durant cette solidification des contractions importantestendent sparer les cristaux (contraintes de retrait).

1.1 ORIGINE DE LA FISSURE A CHAUD

1.1.1Composition chimique.

Analyse de la composition chimique du mtal fondu : R : Risque de fissuration chaud.R = 230 C* + 190S + 75P + 45Nb 12.3Si 1

C* = 0.08 si C 0.08 C* = C si C 0.08La prsence de cuivre dans la soudure favorise la fissuration chaud.Il faut galement prendre en compte le mtal dapport; le taux moyen de dilution de mtal de

base est de: - 20 30 % pour le soudage avec lectrodes enrobes, 20 40% pour les procdsTIG et MIG.Exemple pour un acier C35 soud en angle (composition page 5) avec une lectrode SAFER MD 56dont la composition est : C 0.05 ; Si 0.4 ; Mn 0.9 ; S 0.01 ; P 0.015 ; Ni 0.6 ; Mo 0.3.

1.1.2 Forme du cordon.

Maintenir un rapport de largeur du cordon sur sa hauteur 0.7 ( l / h 0.7 ) Cordon de forme convexe plutt que concave.

1.1.3 Contraintes appliques lors de la solidification.

Laugmentation de lpaisseur de la tle et une limite

lastique trop leve favorisent les contraintes.

Des pices brides par gomtrie de lassemblage ou

maintien en position trop rigide durant le soudage.

.1.2 COMMENT EVITER LA FISSURATION A CHAUD

En prenant en compte les paramtres cits prcdemment. Un prchauffage et post-chauffage homognes des pices diminuent les contraintes.

Fissure


37/45


2.FISSURATION A FROID

Elle se forme une temprature infrieure 200 C et peut galement apparatre plusieurs joursaprs soudage.Elle se rencontre dans la zone affecte thermiquement et plus rarement dans la zone fondue.Elle est trs fine et peut tre sous cordon, cest pourquoi elle est redoute.

2.1 ORIGINE DE LA FISSURE A FROID Prsence dune soudure peu ductile (trempe) Prsence de contraintes Prsence dhydrogne

2.1.1 PRESENCE D UNE SOUDURE PEU DUCTILE (MARTENSITE OU BAINITE).

La prsence de martensite est lie la trempabilit du mtal.Teneur en carbone du mtal dpos : 0.25 %Teneur en lment dalliages : Mn CrMo Cycle de refroidissement rapide.Energie nominale faibleEpaisseur du mtal forte

2.1.2 PRESENCE DE CONTRAINTES OU DE TENSIONS RESIDUELLES .Elles se dveloppent au niveau du joint durant le refroidissement.

Elles sont occasionnes par la dilatation localise du mtal due aux diffrences detemprature dun point lautre loign du cordon.

Elles dpendent : Des proprits mcaniques du mtal

de base et du mtal fondu. De la forme du joint. Des squences de soudage. Du bridage. Du poids des pices.

2.1.3 PRESENCE D HYDROGENE .

Elle est due lhumidit contenue dans les enrobages ou les flux des produits dapport.

Lhydrogne tend schapper vers lextrieur, ce processus de diffusion se produit dautant plus

rapidement que la temprature est leve, do lintrt du post- chauffage.

La prsence : de calamine, doxyde, de graisse, deau la surface des pices souder estune source importante dhydrogne.

Solubilit de lhydrogne Diffusion de lhydrogne

CARBONE EQUIVALENT

..

Rpartition des passes pour viter larrachement


38/45


A EXPLICATION DE LA SOLUBILITE DE L HYDROGENE :

Sous leffet des hautes tempratures de larc, lhydrogne passe en solution dans le mtal

fondu qui en est avide ltat liquide.

La courbe ci-avant nous montre que la solubilit de lhydrogne dans le fer dcrot avec latemprature. Donc lhydrogne ne se dissout que lorsquil y a fusion ensuite il se diffuse.

Au cours du soudage lorsque intervient la transformation du mtal fondu dans le domaineperlitique ou bainitique, lhydrogne (trs diffusible) tend alors traverser la zone de liaison pourentrer dans laustnite non encore transforme de la ZAT. Cette ZAT subit alors une

transformation martensitique qui pige cet hydrogne dans la ZAT.Tous les procds ne sont pas gaux face la quantit dhydrogne dissous.Si nous comparons la quantit dhydrogne dissout nous obtenons :

B REMEDES :

C ETUDE DES COURBES DE FISSURATION A FROID :

Les courbes de fissuration reprsentes en coordonnes contrainte temps de refroidissement (ounergie de soudage) doivent tre lues, en relation avec les TRCS correspondantes. Toutes les TRCSnont pas de courbe de fissuration froid.

D LES DIFFERENTES SORTES DE FISSURE :La figure ci-dessous illustre les diffrentes formes de fissures que lon rencontre dans la ZAT. Cestsurtout lors de la premire passe (passe de fond) que naissent les risques de fissuration.

E CONTRAINTES , PRECHAUFFAGE ET POST-CHAUFFAGE :

Les contraintes rsiduelles du soudage, lors dun bridage important (du la masse de la

pice ou au bridage de celle-ci) sont au plus gales la limite lastique la plus faible.Il est noter que la temprature de prchauffage est gale la temprature de post-

chauffage.


39/45


2.2.1 METHODE DE DETERMINATION DES RISQUES DE FISSURATION (METHODE DES IMPLANTS).

Cet essai consiste entailler 2 un petit cylindre 1que lon place dans un trou de diamtreidentique perc dans le mtal de base. Un cordon de soudure 3est dpos sur lassemblage. Unecontrainte prdtermine est applique durant le refroidissement et maintenue pendant 24heures.

On augmente leffort de contraintes sur le cylindrejusqu fissuration qui se produit dans la ZAT 4.On tudie linfluence de la vitesse de refroidissement et linfluence

de la quantit dhydrogne introduite par le soudage.Lessai de fissuration sur implants montre que la tension

est trs faible pour une structure compltement martensitique,mais augmente rapidement ds que la structure bainitique apparat.

Cette mthode permet de tracer des courbes de fissuration.

3.ARRACHEMENT LAMELLAIRE

Phnomne provenant uniquement du mtal de base (inclusions alignes dans le sens dulaminage). Fissuration en ZAT parallle la peau des produits lamins.

3.1 ORIGINEInclusions dans le mtal de base.Contraintes perpendiculaires la peau.

3.2 COMMENT EVITER LARRACHEMENT LAMELLAIREVoir la gomtrie du joint avant soudage.Limiter les contraintes perpendiculaires la peau.Optimiser la procdure de soudage. Squence de soudage. Beurrage etcChoisir des aciers caractristiques garanties dans le sens travers court.

4.POROSITESCe sont des petites bulles de gaz qui nont pu se dgager lorsque le bain de fusion tait liquide(Flocons).4.1 ORIGINE

Dgagement :Dhydrogne.Dazote.De CO.De gaz sulfureux SO2.


40/45


4.2 COMMENT EVITER LES POROSITES

5 SOUFFLURES VERMICULAIRESElles sont provoques par un dgagement gazeux, elles partent de la partie basse du

cordon de soudure en se dirigeant vers le haut.

TRCS DU C35 OU XC38


0.38 0.63 0.27 0.05 0.05 0.14 0.02 0.015 0.022

Caractristiques de traction :Rm = 603 N/mm Re = 388 N/mm A% = 29

Souder sur des pices propres : Non humides, exemptesde rouille, non grasses, exemptes de calamine.

Le S et P ne doivent pas excder 0.07 %.Utiliser des produits dapport dsoxydants contenant dusilicium, de laluminium.

Utiliser une nergie de soudage moyenne :

Energie trop faible = Bain trop froid. Energie trop forte = La quantit de gaz dans le bain de fusion

augmente trs rapidement.

en C HV5


41/45


COURBE DE FISSURATION A FROID DU C35 OU XC 38

CONDITIONS DE PRE ET POSCHAUFFAGE

Soudage avec lectrode basique traite 2h 350 C. Conditions limites pour viter la fissuration :Contrainte 400 N/mm, nergie 12 kJ/cm, paisseur 20 mm.


42/45


APPLICATION N1 FISSURATION A FROID

DONNEES TECHNIQUES :

On se propose dtudier lassemblage des repres 101 et 102 suivant le plan de la roue auges.

Cette soudure est ralise larc lectrique llectrode enrobe basique.

Lassemblage sera effectu en deux passes. La premire, lectrode 3.15, En = 14 kJ/cm et

la deuxime, lectrode 5, En = 20 kJ/cm. Contrainte maxi admissible : 300 N/mm(


43/45


COURBE DE FISSURATION A FROID DU S355 OU E 36

TRCS DU C35 OU XC38


0.38 0.63 0.27 0.05 0.05 0.14 0.02 0.015 0.022

Caractristiques de traction :Rm = 603 N/mm Re = 388 N/mm A% = 29en C HV5


44/45


COURBE DE FISSURATION A FROID DU C35 OU XC 38

CONDITIONS DE PRE ET POSCHAUFFAGE

Soudage avec lectrode basique traite 2h 350 C. Conditions limites pour viter la fissuration :Contrainte 400 N/mm, nergie 12 kJ/cm, paisseur 20 mm.


45/45

ABAQUE THERMIQUEGENERAL DE LIRSID

124494679-metallurgie-ts1-eleve

Documents