Métallurgie de soudage

Soudage, technique utilisée pour assembler des pièces métalliques, généralement par application de chaleur. Cette technique a été découverte lors d'efforts pour manipuler le fer en formes utiles. Les lames soudées ont été développées au 1er millénaire, les plus célèbres étant celles produites par des armuriers arabes à Damas, en Syrie. Le processus de cémentation du fer pour produire de l'acier dur était connu à cette époque, mais l'acier résultant était très fragile. La technique de soudage - qui consistait à intercaler du fer relativement doux et résistant avec un matériau à haute teneur en carbone, suivi par le forgeage au marteau - a produit une lame solide et résistante.

Dans les temps modernes, l'amélioration des techniques de fabrication du fer, en particulier l'introduction de la fonte, restreint le soudage au forgeron et au joaillier. D'autres techniques d'assemblage, telles que la fixation par boulons ou rivets, ont été largement appliquées aux nouveaux produits, des ponts et des moteurs ferroviaires aux ustensiles de cuisine.

Les procédés de soudage par fusion modernes sont une conséquence de la nécessité d'obtenir un joint continu sur de grandes plaques d'acier. Il a été démontré que le rivetage présente des inconvénients, en particulier pour un conteneur fermé tel qu'une chaudière. Le soudage au gaz, le soudage à l'arc et le soudage par résistance sont tous apparus à la fin du XIXe siècle. La première véritable tentative d'adopter des procédés de soudage à grande échelle a été faite pendant la Première Guerre mondiale. En 1916, le procédé à l'oxyacétylène était bien développé, et les techniques de soudage utilisées alors sont toujours utilisées. Depuis lors, les principales améliorations concernent l'équipement et la sécurité. Le soudage à l'arc, utilisant une électrode consommable, a également été introduit au cours de cette période, mais les fils nus initialement utilisés ont produit des soudures cassantes. Une solution a été trouvée en enveloppant le fil nu d'amiante et d'un fil d'aluminium entrelacé. L'électrode moderne, introduite en 1907, se compose d'un fil nu avec un revêtement complexe de minéraux et de métaux. Le soudage à l'arc n'a pas été universellement utilisé avant la Seconde Guerre mondiale, lorsque le besoin urgent de moyens de construction rapides pour le transport maritime, les centrales électriques, le transport et les structures a stimulé les travaux de développement nécessaires.

Le soudage par résistance, inventé en 1877 par Elihu Thomson, a été accepté bien avant le soudage à l'arc pour l'assemblage par points et par joints de la feuille. Le soudage bout à bout pour la fabrication de chaînes et l'assemblage de barres et de tiges a été développé dans les années 1920. Dans les années 40, le procédé au gaz inerte au tungstène, utilisant une électrode en tungstène non consommable pour effectuer des soudures par fusion, a été introduit. En 1948, un nouveau procédé blindé au gaz utilisait une électrode en fil qui était consommée dans la soudure. Plus récemment, le soudage par faisceau d'électrons, le soudage au laser et plusieurs processus en phase solide tels que le soudage par diffusion, le soudage par friction et l'assemblage par ultrasons ont été développés.

Principes de base du soudage

Une soudure peut être définie comme une coalescence de métaux produite par chauffage à une température appropriée avec ou sans application de pression, et avec ou sans utilisation d'un matériau de remplissage.

Dans le soudage par fusion, une source de chaleur génère suffisamment de chaleur pour créer et maintenir un pool de métal en fusion de la taille requise. La chaleur peut être fournie par l'électricité ou par une flamme de gaz. Le soudage par résistance électrique peut être considéré comme un soudage par fusion car il se forme du métal en fusion.

Les procédés en phase solide produisent des soudures sans faire fondre le matériau de base et sans ajout de métal d'apport. La pression est toujours employée, et généralement de la chaleur est fournie. La chaleur de friction est développée lors de l'assemblage par ultrasons et par friction, et le chauffage du four est généralement utilisé pour le collage par diffusion.

L'arc électrique utilisé pour le soudage est une décharge à courant élevé et à basse tension généralement comprise entre 10 et 2 000 ampères à 10 et 50 volts. Une colonne d'arc est complexe mais, d'une manière générale, se compose d'une cathode qui émet des électrons, d'un plasma gazeux pour la conduction de courant et d'une région d'anode qui devient comparativement plus chaude que la cathode en raison du bombardement d'électrons. Un arc à courant continu (DC) est généralement utilisé, mais des arcs à courant alternatif (AC) peuvent être utilisés.

L'apport d'énergie total dans tous les processus de soudage dépasse celui qui est nécessaire pour produire un joint, car toute la chaleur générée ne peut pas être utilisée efficacement. Les rendements varient de 60 à 90%, selon le processus; certains processus spéciaux s'écartent largement de ce chiffre. La chaleur est perdue par conduction à travers le métal de base et par rayonnement vers l'environnement.

La plupart des métaux, lorsqu'ils sont chauffés, réagissent avec l'atmosphère ou d'autres métaux voisins. Ces réactions peuvent être extrêmement préjudiciables aux propriétés d'un joint soudé. La plupart des métaux, par exemple, s'oxydent rapidement lorsqu'ils sont fondus. Une couche d'oxyde peut empêcher une bonne adhérence du métal. Des gouttelettes de métal fondu recouvertes d'oxyde sont piégées dans la soudure et rendent le joint fragile. Certains matériaux précieux ajoutés pour des propriétés spécifiques réagissent si rapidement lors d'une exposition à l'air que le métal déposé n'a pas la même composition qu'au départ. Ces problèmes ont conduit à l'utilisation de flux et d'atmosphères inertes.

Dans le soudage par fusion, le flux a un rôle protecteur en facilitant une réaction contrôlée du métal et en empêchant ensuite l'oxydation en formant une couverture sur le matériau fondu. Les flux peuvent être actifs et aider dans le processus ou inactifs et simplement protéger les surfaces lors de l'assemblage.

Les atmosphères inertes jouent un rôle protecteur similaire à celui des flux. Dans le soudage à l'arc sous protection gazeuse et à l'arc sous tungstène sous protection gazeuse, un gaz inerte - généralement de l'argon - s'écoule d'un anneau entourant la torche en un flux continu, déplaçant l'air autour de l'arc. Le gaz ne réagit pas chimiquement avec le métal mais le protège simplement du contact avec l'oxygène de l'air.

La métallurgie de l'assemblage métallique est importante pour les capacités fonctionnelles de l'articulation. La soudure à l'arc illustre toutes les caractéristiques de base d'un joint. Trois zones résultent du passage d'un arc de soudage: (1) le métal fondu, ou zone de fusion, (2) la zone affectée par la chaleur, et (3) la zone non affectée. Le métal de soudure est la partie du joint qui a fondu pendant le soudage. La zone affectée par la chaleur est une région adjacente au métal de soudure qui n'a pas été soudée mais a subi un changement de microstructure ou de propriétés mécaniques en raison de la chaleur de soudage. Le matériau non affecté est celui qui n'a pas été suffisamment chauffé pour altérer ses propriétés.

La composition du métal soudé et les conditions dans lesquelles elle gèle (se solidifie) affectent considérablement la capacité du joint à répondre aux exigences de service. Dans le soudage à l'arc, le métal fondu comprend du matériau de remplissage plus le métal de base qui a fondu. Après le passage de l'arc, un refroidissement rapide du métal de soudure se produit. Une soudure en un seul passage a une structure coulée avec des grains colonnaires s'étendant du bord du bain de fusion au centre de la soudure. Dans une soudure multipasse, cette structure coulée peut être modifiée en fonction du métal particulier à souder.

Le métal de base adjacent à la soudure, ou à la zone affectée par la chaleur, est soumis à une gamme de cycles de température, et son changement de structure est directement lié à la température de pointe en tout point donné, au moment de l'exposition et aux vitesses de refroidissement. Les types de métaux communs sont trop nombreux pour être abordés ici, mais ils peuvent être regroupés en trois classes: (1) matériaux non affectés par la chaleur de soudage, (2) matériaux durcis par un changement structurel, (3) matériaux durcis par des processus de précipitation.

Le soudage produit des contraintes dans les matériaux. Ces forces sont induites par la contraction du métal de soudure et par l'expansion puis la contraction de la zone affectée par la chaleur. Le métal non chauffé impose une contrainte sur ce qui précède, et comme la contraction prédomine, le métal de soudure ne peut pas se contracter librement et une contrainte est créée dans le joint. Ceci est généralement connu sous le nom de contrainte résiduelle, et pour certaines applications critiques, il doit être éliminé par traitement thermique de toute la fabrication. La contrainte résiduelle est inévitable dans toutes les structures soudées, et si elle n'est pas contrôlée, une flexion ou une distorsion de la soudure se produira. Le contrôle est exercé par la technique de soudage, les gabarits et les accessoires, les procédures de fabrication et le traitement thermique final.

Il existe une grande variété de procédés de soudage. Plusieurs des plus importants sont discutés ci-dessous.