Techniques et procédure de soudage par cordon de trempe

Quelles sont les différentes techniques de soudage par cordon de trempe ?

Lors de l’exécution d’un soudage au cordon de trempe, l’apport de chaleur de soudage, la température de préchauffage et d’interpasse et le placement du cordon de soudure doivent être étroitement surveillés et contrôlés pour :

  1. a) Limiter l’apport de chaleur et préchauffer pour éviter un grossissement excessif du grain de la zone affectée par la chaleur (ZAT) « à gros grains » de la première couche de soudure réalisée sur le composant.
  2. b) Pour la 2 ème couche de soudure, augmenter l’apport de chaleur d’une quantité définie (généralement un apport de chaleur plus élevé que le cordon précédent) pour affiner la ZAT à gros grains de la première couche de soudure sous-jacente en raison de l’effet de trempe produit par la chaleur thermique de la 2 ème couche de soudure.
  3. c) Superposer le placement des cordons de soudure successifs pour produire un raffinement du grain des cordons de soudure adjacents.
Soudage par cordon de trempe

Types de techniques de soudage par cordon de trempe

Sur la base de nombreux travaux réalisés au cours des deux dernières décennies, cinq techniques de soudage au cordon de trempe ont été développées comme indiqué ci-dessous :

1) Technique de demi-perle

2) Technique de couche cohérente

3) Technique de perle de trempe alternative

4) Technique de dépôt contrôlé

5) Technique de trempe des orteils de soudure

Toutes les techniques ci-dessus ont le même objectif de tempérer la ZAT à gros grains dans le métal de base et les cordons/couches de soudure précédents. Les méthodes de dépôt des cordons de soudure varient d’une technique à l’autre.

Technique de soudage à demi-perle

La technique a été initialement établie pour une utilisation dans l’industrie nucléaire, mais est depuis devenue largement utilisée pour les réparations de tuyauterie, de collecteurs et de carters de turbine dans les centrales électriques conventionnelles.

La technique SMAW est utilisée et emploie une série d’électrodes de diamètre croissant, commençant par 2,5 mm, puis 3,2 mm, et finissant par des électrodes de 4,0 mm. Les diamètres croissants fournissent une augmentation suffisante de l’apport de chaleur de la première à la troisième couche.

La zone à réparer est nettoyée et préchauffée à une température correspondant au matériau et à l’épaisseur (typiquement >150 °C), et une technique de beurrage utilisée comme première couche avec des électrodes de 2,5 mm. L’utilisation d’électrodes de 2,5 mm est de produire une petite zone affectée thermiquement peu profonde.

La deuxième étape consiste à enlever environ la moitié de la couche soudée par meulage.

La troisième étape est le dépôt d’une deuxième couche à l’aide d’électrodes de 3,2 mm. Cela retransforme efficacement la zone affectée thermiquement à gros grains et la première couche.

La quatrième étape consiste à nouveau à éliminer environ la moitié de la couche soudée par meulage.

Les étapes restantes sont le dépôt de la troisième couche et des couches suivantes à l’aide d’électrodes de 4,0 mm avec un meulage supplémentaire après que chaque couche a été déposée. Chaque couche suivante transforme et tempère les couches sous-jacentes.

L’inconvénient de la technique est que beaucoup de meulage précis est nécessaire. Cela prend du temps et si trop de matière est retirée de la première couche, les effets de la re-transformation ne sont pas réussis. En conséquence, cette technique a maintenant perdu la faveur.

Technique de soudage à couche uniforme

Cette technique utilise soit le processus SMAW, soit le processus GTAW. La technique consiste à déposer des couches de soudure suffisamment épaisses pour que la couche de soudure suivante ne tempère que la zone affectée thermiquement par la première couche. La température n’est pas destinée à dépasser la température de cristallisation inférieure “A1” (Cliquez ici pour calculer la température de recristallisation inférieure et supérieure pour n’importe quel acier), donc aucune transformation de grain ne se produit. La technique peut produire une microstructure de zone affectée thermiquement qui se compose principalement de martensite trempée avec de petites quantités de bainite, ce qui donne de bonnes propriétés de ténacité.

Technique de soudage par cordon de trempe alternative

Cette technique a été développée spécifiquement pour les matériaux carbone-manganèse et carbone-molybdène utilisés dans les composants des cuves sous pression des réacteurs nucléaires. Il utilise le processus GTAW automatique et constitue une alternative à la technique des demi-billes pour une utilisation dans les zones à forte exposition aux rayonnements.

La technique consiste à préparer la zone à réparer pour qu’au moins six couches de beurrage puissent être effectuées. Un préchauffage de 1500°C minimum est appliqué, et l’apport de chaleur de chaque couche est contrôlé à 10 % près de celui mesuré dans le test de qualification de procédure.

Technique de soudage à l’état de dépôt contrôlé

Cette technique résultait de cas particuliers où la fragilisation par fluage et la fissuration par réchauffage étaient des problèmes potentiels lors de la réparation et visaient des matériaux spécifiques utilisés dans les centrales thermiques conventionnelles. C’est également une technique SMAW et utilise des rapports d’apport de chaleur strictement contrôlés entre une couche de soudure et la suivante. L’apport de chaleur pour la deuxième couche est 1,3 à 1,8 fois plus élevé que pour la première couche et est conçu pour produire un raffinement et un revenu du grain dans la zone d’origine affectée par la chaleur. Les rapports doivent être vérifiés expérimentalement pour chaque matériau à souder.

L’augmentation de l’apport de chaleur doit être de 30 à 70 % pour chaque couche suivante, et pour SMAW, augmenter la taille de l’électrode d’une taille tout en gardant la même technique de soudage y parvient généralement.

Il n’est pas nécessaire pour la production d’utiliser exactement le même apport de chaleur que dans le test de procédure, mais le rapport entre les couches doit rester le même.

Une partie du métal fondu et de la ZAT du premier cordon est refondue par le second cordon. La quantité refondue dépend du chevauchement, mais généralement, un chevauchement de 50% est l’objectif. La technique des perles de trempe consiste généralement à terminer la première couche en premier.

L’apport de chaleur pour les passes de la deuxième couche est augmenté de sorte que la chaleur refonde certaines des premières couches mais retransforme la zone à gros grains de la ZAT tout en tempérant la région intercritique. Un soin extrême est nécessaire avec le placement de la dernière manche. La troisième couche est une répétition de la deuxième couche avec un apport de chaleur accru.

Technique de trempe des orteils de soudure

Cette technique implique la mise en place d’un recouvrement sacrificiel à l’aide de cordons, de passes ou d’une séquence de soudure pour tempérer la ZAT sous-jacente au pied des soudures bout à bout ou d’angle. La séquence de placement des billes est cruciale pour obtenir l’effet souhaité. Les cordons de recouvrement de trempe sont généralement meulés pour ramener le renfort de soudure à des limites acceptables. Bien que les vertus des techniques de soudage par cordon de trempe soient discutables, il ne fait aucun doute que la ZAT au niveau du pied de soudure est l’une des zones les plus difficiles lorsqu’elle est laissée à l’état brut de soudure. La technique de trempe du pied de soudure fournit une méthode simple pour tremper cette zone sans recourir à PWHT. Il est appliqué depuis de nombreuses années.

QUALIFICATION DES PROCÉDURES DE SOUDAGE PAR BILLES DE TREMPE

L’ASME Section IX a fourni tous les détails sur les tests de qualification des cordons de trempe conformément au code ASME. Le processus de qualification pour le soudage au cordon de trempe doit établir que la technique de soudage produit le traitement thermique requis de la ZAT en plus de répondre aux exigences de qualification des procédures de soudage traditionnelles.

Pour déterminer si la procédure de soudage au cordon de trempe produit la ZAT requise, les quatre tests supplémentaires suivants sont généralement appliqués :

1). Évaluation microstructurale de la soudure et de la ZAT Cette évaluation déterminera la présence de martensite non trempée, les régions de croissance excessive des grains et la présence de toute microstructure indésirable.

2). Test de dureté Une étude de dureté systématique à travers la soudure et la ZAT fournira une preuve rapide de microstructures dures indésirables. Une enquête d’essai de microdureté dans la ZAT à l’aide des méthodes d’essai de dureté Vickers ou Knoop fournit une bonne indication de l’obtention des microstructures souhaitées dans la ZAT.

3). Essai d’impact Charpy Vee Notch L’essai Charpy Vee Notch de la ZAT brute de soudage fournit une détermination bien connue de la ténacité à l’entaille de la ZAT.

4). Test de pliage Le test de pliage latéral traditionnel fournit une méthode rapide et peu coûteuse pour déterminer la ductilité et la capacité de déformation de la ZAT.

Afin de déterminer l’efficacité de la procédure de soudage du cordon de revenu, il sera nécessaire de comparer les résultats HAZ du cordon de revenu avec :

  1. a) Les mêmes résultats obtenus à partir du test de qualification du mode opératoire de soudage conventionnel après le traitement thermique post-soudage traditionnel ;
  2. b) Les mêmes résultats d’essai obtenus à partir de la procédure de soudage conventionnelle sans traitement thermique post-soudage.

Les deux comparaisons sont nécessaires pour déterminer si la technique de soudage au cordon de trempe appliquée fournit les résultats requis.