Déchirure lamellaire en soudage et aciers faiblement alliés au carbone

Qu’est-ce que la déchirure lamellaire?

La déchirure lamellaire ou la fissuration lamellaire est un phénomène de fissuration qui se produit dans une plaque épaisse traitée à l’Al qui est soumise à des contraintes de soudage transversales (à travers l’épaisseur) élevées. Le problème est lié à la présence d’inclusions de MnS aplaties (laminées) dans l’acier de base traité à l’Al, parallèles à la surface de la plaque et donnant une faible ductilité dans le sens de l’épaisseur (courte transversale). Les inclusions allongées sur différents plans au bord de la fissure HAZ visible ou décohère, se rejoignant pour former des fissures étagées, qui progressent approximativement parallèlement à la surface de la plaque sous forme de déchirures lamellaires.

Déchirure lamellaire

Étapes de la déchirure lamellaire

Une déchirure lamellaire se déroule en trois étapes :

  1. Début de séparation et formation de vides au niveau des inclusions dans le métal de base.
  2. Formation de « terrasses » de fissures par l’enchaînement de séparations individuelles.
  3. Jonction de terrasses par rupture de cisaillement. La déchirure elle-même présente un profil en terrasse caractéristique, et c’est cet aspect de terrasse en marche qui distingue une déchirure lamellaire d’une discontinuité ordinaire.

Comment la déchirure lamellaire affecte-t-elle la qualité du soudage ?

La déchirure lamellaire est principalement un problème lors du dépôt de soudures bout à bout en T ou d’angle lourd, par opposition au soudage bout à bout droit, car l’orientation de la soudure signifie que les contraintes de retrait agissent sur l’épaisseur. Lorsqu’une bonne ductilité est nécessaire dans le sens de l’épaisseur, cela peut être spécifié lors de la commande d’acier, comme indiqué dans les codes, par exemple BS EN 10164:2004. Des tests de réduction transversale courte de surface (STRA) sont requis pour donner un minimum de 20 à 30 %. Ces aciers sont souvent appelés aciers de nuance Z (ayant des propriétés garanties dans le sens Z ou dans le sens de l’épaisseur). Cette amélioration peut être produite par une réduction suffisante de la teneur en soufre et par un contrôle de la forme des inclusions, obtenu en ajoutant du Ca ou des métaux des terres rares à l’acier fondu.

Déchirure lamellaire

Causes ou raison du déchirement lamellaire

La déchirure lamellaire se produit lorsqu’il existe moins de trois conditions telles que :

  1. Utilisation d’une tôle laminée sensible comportant des inclusions pour réaliser des joints de soudure et,
  2. Contrainte transversale élevée agissant le long de l’épaisseur traversante ou dans la direction Z (courte) de la plaque.
  3. Orientation de la soudure.

La tôle laminée sensible désigne le matériau de base comme une tôle ayant une très faible ductilité dans la direction transversale courte (Z), ce qui provoque la déchirure du matériau même sous une contrainte de soudage normale, car la zone de l’inclusion n’a pas la résistance nécessaire pour résister aux contraintes. Cette faible ductilité est due à la présence d’inclusions non métalliques (MnS) qui vont s’aplatir et s’allonger lors du laminage à chaud du matériau.

Mécanisme de déchirure/fissuration lamellaire

Les facteurs mentionnés ci-dessous contribuent à la fissuration ou au déchirement lamellaire.

1) Faible ductilité dans l’épaisseur du matériau de base, également appelée ductilité transversale courte.

2) Épaisseur du matériau.

3) Grande quantité de longerons ou inclusion le long du sens de laminage.

4) Géométrie du joint de soudure.

La déchirure lamellaire se produit dans la région HAZ du C-Mn ou de l’acier faiblement allié, juste à l’extérieur de la région transformée entre les structures ferritiques-perlitiques. Les impuretés telles que le soufre seront converties en sulfure de manganèse pendant le processus de solidification et de déformation. Il est orienté suivant la direction de laminage. si la teneur en soufre est relativement élevée et supérieure à 0,05 % en poids, alors le filon de MnS sera continu le long de la direction de laminage. Si la teneur en soufre est inférieure à 0,05 %, alors le MnS devient discontinu. 

Déchirure lamellaire

Quantification de la fissuration/déchirure lamellaire (test STRA)

La plupart des tests utilisés pour quantifier la déchirure lamellaire dans le matériau sont basés sur le type d’auto-retenue, où les soudures produisent une contrainte d’épaisseur élevée.

Un autre type de quantification du déchirement lamellaire consiste à réaliser un test STRA (Short transverse reduction area). Il s’agit d’un test simple qui donne une indication de la sensibilité à la fissuration lamellaire. Dans ce cas, l’éprouvette est soumise à un essai de traction avec leur axe perpendiculaire à la surface de la plaque. Elle est mesurée en pourcentage de surface de réduction, plus la valeur de %R est élevée, Plus la résistance à la déchirure ou à la fissuration lamellaire est élevée. t mesure la ductilité à travers l’épaisseur d’une plaque d’acier (la direction Z). Les aciers à faible STRA sont généralement associés à un niveau élevé d’inclusions de sulfures ou d’oxydes laminés et il n’y a pas de nuance d’acier sujette à la déchirure lamellaire comme les aciers à faible STRA.

La règle générale stipule que les aciers avec un STRA supérieur à 20 % sont résistants à la déchirure tandis que les aciers avec moins de 10 à 15 % de STRA ne doivent être utilisés que dans des assemblages légèrement contraints. Les fournisseurs d’acier peuvent fournir de l’acier ayant subi un test d’épaisseur avec une valeur STRA supérieure à 20 %. 

Conceptions de joints sensibles et améliorées pour la déchirure lamellaire

Diverses mesures peuvent être prises pour éviter la déchirure lamellaire, les principaux aspects sont la conception améliorée de la soudure, comme indiqué dans la figure ci-dessous.

Conception de déchirure lamellaire

Prévention de la déchirure lamellaire

  1. Utilisez des électrodes à faible teneur en hydrogène lors du soudage de grands joints en T et en coin. L’hydrogène absorbé n’est pas considéré comme une cause principale d’amorçage de la déchirure lamellaire, mais l’utilisation d’électrodes à faible teneur en hydrogène sur les grands joints (longitudinaux, transversaux ou traversants) pour minimiser la tendance à la fissuration à froid induite par l’hydrogène est une bonne pratique dans n’importe quel cas. L’utilisation d’électrodes à faible teneur en hydrogène peut entraîner des problèmes.
  2. Dans les grands joints, la soudure séquentielle passe d’une manière qui construit la surface du métal de base sollicité dans le sens longitudinal avant de déposer des cordons de soudure contre la face du métal de base sollicité dans le sens de l’épaisseur. Cette procédure permet à une partie importante du retrait de la soudure d’avoir lieu en l’absence de retenue.
  3. Sur les joints d’angle, lorsque cela est possible, la préparation du joint biseauté doit être sur le métal de base soumis à une contrainte dans le sens de l’épaisseur de sorte que le métal de soudure fusionne au métal de base sur un plan dans l’épaisseur du métal de base au maximum possible.
  4. Les joints à double V et à double biseau nécessitent un dépôt de métal de soudure beaucoup moins important que les joints à simple V et à simple biseau et, par conséquent, réduisent la quantité de retrait de soudure à accommoder d’environ la moitié. Lorsque cela est possible, l’utilisation de tels joints peut être utile.
  5. Dans les assemblages soudés impliquant plusieurs joints de métal de base d’épaisseurs différentes, les joints les plus gros doivent être soudés en premier afin que les dépôts de soudure qui peuvent impliquer la plus grande quantité de retrait de soudure puissent être réalisés dans des conditions de retenue la plus faible possible. Les joints plus petits, bien que soudés dans des conditions de contrainte plus élevée, impliqueront une plus petite quantité de retrait de soudure à accommoder.
  6. La zone des éléments auxquels les grandes soudures transféreront les contraintes dans le sens de l’épaisseur doit être inspectée lors de la mise en place pour s’assurer que le retrait de la soudure du joint n’applique pas de contraintes d’épaisseur sur le métal de base avec des lamelles préexistantes ou de grandes inclusions (voir ASTM A578).
  7. Il a été démontré qu’un grenaillage correctement exécuté des passes de soudure intermédiaires réduit le risque de déchirure lamellaire. Les passes de racine ne doivent pas être grenaillées afin d’éviter la possibilité d’introduire des fissures dans les passes de soudure minces initiales qui peuvent passer inaperçues et se propager par la suite à travers le joint. Les passes intermédiaires doivent être grenaillées avec un outil à nez rond avec une vigueur suffisante pour déformer plastiquement la surface de la passe et changer les résidus de traction en contraintes résiduelles de compression, mais pas si vigoureusement pour provoquer une surface hachée ou des chevauchements. Les passes de finition ne doivent pas être grenaillées.
  8. Éviter l’utilisation de métal d’apport trop résistant.
  9. Lorsque cela est possible, utilisez un métal de base à faible teneur en soufre (< 0,006 %) ou un métal de base avec des propriétés d’épaisseur améliorées.
  10. Les joints critiques doivent être examinés par RT ou UT après refroidissement du joint à température ambiante.
  11. Si des discontinuités mineures sont détectées, l’Ingénieur doit évaluer soigneusement si les discontinuités peuvent être laissées non réparées sans compromettre l’aptitude au service ou l’intégrité structurelle. Le gougeage et le soudage de réparation ajouteront des cycles supplémentaires de chauffage et de refroidissement et de contraction de la soudure dans des conditions de contrainte susceptibles d’être plus sévères que les conditions dans lesquelles le joint a été initialement soudé. Les opérations de réparation peuvent provoquer une condition plus préjudiciable.
  12. Lorsque des déchirures lamellaires sont identifiées et qu’une réparation est jugée souhaitable, le travail ne doit pas être entrepris sans d’abord examiner le WPS et un effort fait pour identifier la cause du résultat insatisfaisant. Un WPS spécial ou un changement dans le détail du joint peut être nécessaire.

Normes d’acceptation pour la déchirure/fissuration lamellaire

Comme les déchirures lamellaires sont des imperfections linéaires qui ont des arêtes vives, elles ne sont pas autorisées pour les soudures répondant aux niveaux de qualité B, C et D conformément aux exigences de la norme BS EN ISO 5817:2017.

Calcul de conception pour la sélection des matériaux

La norme DIN EN 1993-1-10 (Eurocode 3) Tab.3 spécifie les critères de calcul et de sélection du matériau requis.
A partir d’une épaisseur de tôle > 30 mm, le ZEd requis doit être calculé à l’aide du tableau 3.2. 

Le risque de déchirure lamellaire peut être négligé si les conditions suivantes sont réunies :
ZEd ≤ ZRd

Il s’ensuit que
ZEd = la valeur Z requise, qui résulte de l’amplitude de la déformation du matériau de base due au retrait de la soudure obstrué.
ZRd = la valeur Z disponible du matériau selon EN 10164, c’est-à-dire Z15, Z25 ou Z35.

La valeur Z requise ZEd peut être déterminée à l’aide de la formule suivante et du tableau 3.2 de la norme DIN EN 1993-1-10 :
ZEd = Za +Zb +Zc + Zd + Ze

Reportez-vous au tableau ci-dessous pour les critères affectant la valeur cible de zEd.

Conception de déchirure lamellaire