Procédé pour la détermination statique de la tension minimum de fissuration
retardée se produisant dans un acier soudé
L'invention a pour but un procédé pour la détermination statique de la tension minimum de fissuration retardée se produisant dans un acier soudé sous l'influence des tensions continues externes agissant sur le joint soudé.
L'invention a également pour but un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
La détermination de la tension de fissuration retardée des aciers soudés, qui se produit dans une zone appelée la zone d'influence thermique des soudures, est nécessaire afin de connaître dans quelle mesure les processus mécano-métallurgiques, caractéristiques au soudage des métaux, influencent les propriétés de résistance et la sensibilité à la fissuration et à la rupture fragile des aciers employés afin de réaliser les constructions métalliques et de confectionner des organes de machine de toutes sortes en exécution soudée, ainsi que pour établir les conditions technologiques relatives au choix de l'électrode, à la température de préchauffage et le traitement thermique ultérieur au soudage, garantissant à l'acier soudé les mêmes caractéristiques mécaniques qu'à l'acier non soudé.
Divers procédés sont connus pour apprécier la sensibilité des aciers à la fissuration fragile, pendant ou après le soudage, tels que: - essais réalisés par assemblage à l'aide de soudures de coin de plaques superposées, et détermination de la fréquence et la taille des fissures, par contrôle visuel et par étude métallographique des zones soudées, sectionnées par des moyens mécaniques; - essais de résilience, sur des éprouvettes prélevées dans diverses portions des tôles soudées bout à bout, comprenant le cordon de soudure et la zone d'influence thermique, l'entaille des éprouvettes étant localisée à diverses distances par rapport à un repère conventionnel;
; - essais de fissuration et de rupture, effectués sur des tôles soudées bout à bout, rigidement enserrées dans un dispositif empêchant la libre contraction de la soudure en cours de refroidissement, le cordon de soudure étant de section transversale moindre que celle des tôles, et mesurant l'effort et le temps après lequel les premières fissures font leur apparition, et après lequel le cordon de soudure est complètement rompu; - essais de pliage d'éprouvettes planes, sur lesquelles un cordon de soudure a été déposé, de manière que la partie soudée soit sollicitée à la traction, en mesurant l'angle auquel la rupture totale survient, et en analysant l'aspect des surfaces de rupture;
; - essais de fissuration, à cordons de soudure déposés le long d'une coupe exécutée sur une portion de tôle, restant rigide dans la portion mi-soudée, et pouvant empêcher la contraction thermique du cordon de soudure, de manière que, en cas de sensibilité du métal de la soudure ou du métal de base à la fissuration, les fissures surviennent sous l'action des propres efforts de contraction; - essais de traction statique, sur éprouvettes cylindriques entaillées, implantées dans une tôle perforée, sur laquelle un cordon de soudure est déposé, la rupture survenant à l'endroit de l'entaille, sous l'action d'une force de traction extérieure, appliquée pendant ou après la fin de l'opération de soudage;
; - essais de rupture par choc d'éprouvettes soudées, pourvues d'entaille à la hauteur de sections transversales ou longitudinales préétablies, avec détermination de la profondeur de propagation de la fissure, en fonction de la température et de l'intensité du choc; - essais de détermination de la dureté sous-cordon, par déposition de simples cordons de soudure sur éprouvettes plates, mesurant la variation de la dureté dans la zone d'influence thermique après sectionnement de l'éprouvette, comparaison des résultats obtenus avec des valeurs statiques existantes, limitant la dureté maximum à une certaine valeur, considérée comme limite admissible pour exclure l'apparition des fissures.
Les désavantages communs à tous ces procédés d'essai consistent en ce que, bien que chacun corresponde à une certaine manière de vérifier le comportement de l'acier à la soudure, aucun ne correspond à la détermination quantitative de la tension minimum, à laquelle la fissuration commence dans la zone d'influence thermique des joints soudés, et ne peut établir avec précision la qualité et l'état de l'électrode, la température de préchauffage et la température de recuit, à laquelle les propriétés mécaniques de l'acier, dans la zone d'influence thermique, atteignent les propriétés initiales de l'acier non soudé.
De fait, au cas où l'on procède au mesurage de la grandeur et de la fréquence des fissures surgissant sous l'action des tensions internes provenant de la soudure, on peut obtenir des informations sur la sensibilité des joints soudés à la fissuration, et donc sur la soudabilité du métal de base. Vu cependant que la direction et les grandeurs des tensions internes provenant du soudage pour lesquelles la fissuration commence sont inconnues, on ne peut pas établir le niveau des tensions internes, ou des sollicitations externes, où le risque d'une rupture partielle ou totale fait son apparition.
Les essais basés sur l'utilisation d'entailles artificielles pour amorcer des ruptures permettent également de mesurer l'effort d'amorçage et de propagation de la fissure, jusqu'à la rupture dans une section affaiblie, et donc prédestinée à la rupture par l'entaille même, excluant de cette manière la rupture de l'éprouvette dans une section plus dangereuse, ou bien le mesurage de la tension effective de fissuration dans les joints soudés réels, dépourvus d'entailles.
Les indices de soudabilité des matériaux résultant de n'importe laquelle des méthodes mentionnées ci-avant ne peuvent présenter qu'un caractère conventionnel et orientatif, vu qu'ils ne présentent aucunement la valeur de tension minimum de fissuration utilisable comme critère de résistance en vue d'éliminer avec certitude le risque de fissuration ou de rupture fragiles, pendant l'exécution ou l'exploitation de la structure soudée.
La présente invention écarte les désavantages des procédés mentionnés ci-haut et est caractérisée en ce qu'on forme une éprouvette formée d'une tige cylindrique de l'acier dont on veut déterminer la tension minimum de fissuration retardée, qu'on dépose une soudure à une extrémité de la tige, de manière que sous la soudure soit formée une zone d'influence thermique ayant des isothermes perpendiculaires à l'axe de la tige, et que l'on applique ensuite à la tige soudée des tensions statiques de traction, de différentes valeurs, afin de déterminer l'effort pour lequel commence à avoir lieu la fissuration retardée dans la zone d'influence thermique.
Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé est caractérisé par une pièce tronconique dans un alésage de laquelle est introduite ladite tige, la pièce et la tige étant reliées par soudure à leur extrémité commune, par un bloc servant comme support pour la pièce tronconique et portant un alésage par lequel passe la tige, et par une barre de traction destinée à être reliée avec la tige pour transmettre des tensions de traction axiales à celle-ci.
Le dessin annexé représente à titre d'exemple un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé.
La fig. 1 est une section axiale de l'éprouvette.
La fig. 2 est une section axiale de l'éprouvette, placée par serrage en position de soudage, dans le dispositif de refroidissement ou de chauffage contrôlé.
La fig. 3 est une section axiale partielle du dispositif de sollicitation à la traction, avec l'éprouvette soudée, placée en position de sollicitation.
La fig. 4 est un diagramme des tensions minimums de fissuration et de rupture, déterminées dans l'exemple présenté.
L'éprouvette formant partie du dispositif et exécutée par usinage mécanique est composée de deux pièces séparées, une tige cylindrique 1 et une pièce tronconique 2 dont la première seulement doit être exécutée du matériel à étudier, la tige cylindrique ayant une portion plus mince a, finement usinée et sans entaille, et une portion plus forte b, filetée, les dimensions importantes de ces deux pièces étant les diamètres dt, d3 et la longueur 1, pour la tige 1, respectivement la hauteur h, le diamètre d2, D et l'angle Q pour la pièce tronconique 2.
La tolérance pour les deux diamètres d1 et d8 est choisie de telle manière que la portion a de la tige 1 puisse toujours être introduite par glissage, sans serrage et sans jeu, dans l'alésage cylindrique de la pièce tronconique 2.
Afin de déterminer dans les conditions usuelles la tension minimum de fissuration dl et de rupture, la longueur 1 sera égale à la hauteur h, de sorte que, en introduisant l'une des pièces dans l'autre, jusqu'au refus, les extrémités de la tige 1 et de la pièce 2 soient au même niveau.
L'éprouvette montée de cette manière est enserrée sous l'action d'une force extérieure F, constante et de valeur préétablie agissant de bas en haut, dans l'alésage conique d'un dispositif 3 pour fixation en vue du soudage et qui joue en même temps le rôle d'un dispositif de refroidissement ou de chauffage contrôlé. L'alésage conique du dispositif 3 doit présenter le même angle d'inclinaison que la pièce tronconique 2, afin de réaliser un contact intime entre les deux pièces et une transmission uniforme de chaleur, de l'une à l'autre. Dans cette situation, un point de soudure concentrique 4, à régime de d/ soudure contrôlé, est déposé sur la surface visible de l'éprouvette, réalisant ainsi une éprouvette combinée, composée par soudage des deux parties 1 et 2, servant pour déterminer la tension minimum de fissuration c de la tige cylindrique 1.
Les diamètres du et D sont choisis de telle manière que, lorsqu'on procède au dépôt du point de soudure 4, le procédé et le régime de soudure appliqués permettent de réaliser une fusion uniforme de la surface de l'éprou- vette, la zone d'influence thermique étant plane, et non pas ondulée, et les isothermes de cette zone pratiquement perpendiculaires à l'axe de l'éprouvette.
La différence entre la masse de la tige cylindrique 1 et la masse de la pièce tronconique 2, l'ajustage d2-dt entre l'alésage et la tige, ainsi que le chauffage de l'éprouvette partant de l'intérieur vers l'extérieur, respectivement le refroidissement de l'extérieur vers l'intérieur, ont comme conséquence l'échauffement plus fort de la tige cylindrique 1 pendant le soudage, en comparaison avec la partie tronconique 2.
La conséquence en est que la dilatation thermique de la tige cylindrique 1 dans la direction de la longueur 1 pendant le soudage est supérieur à la dilatation dans la direction h de la pièce tronconique 2, un fait qui, lorsque survient la contraction thermique après la soudure, provoque l'apparition systématique de tensions internes axiales de traction Gint, d'intensité pratiquement répétable, et qui - dû à leur répartition uniforme - jouent le rôle de tensions internes naturelles, orientées et contrôlables.
Le cycle thermique, auquel l'éprouvette est soumise, dû au procédé de soudage est déterminé par le régime énergétique de soudage, par la durée de déposition du point de soudure 4, par la température du dispositif de soudure 3 et de l'éprouvette, au début de l'opération, ainsi que par le régime de refroidissement appliqué; en maintenant constants le régime et la durée de l'opération de soudage, le cycle thermique sera déterminé dans la zone d'influence thermique c, seulement par la température initiale du dispositif 3 et par la vitesse de refroidissement de ce dernier, les deux étant variables de manière contrôlée, à l'aide de système de contrôle thermique adéquat, tel par exemple que résistances électriques réglables et thermocouples communs, ou bien circuits de refroidissement à l'eau, montés dans des coquilles en cuivre.
Le point de soudure 4 est déposé par tout procédé de soudure, avec le métal d'apport désiré, et au régime de soudage établi d'avance, la durée de déposition étant déterminée par le rapport correct entre la masse du point de soudure et la masse de l'éprouvette. Après le soudage, l'éprouvette peut être soumise en plus à un traitement thermique ultérieur, soit dans le dispositif de soudure 3 même, soit dans un four séparé.
Après l'uniformisation de la température dans toute la masse de l'éprouvette, respectivement son refroidissement jusqu'à la température ambiante, ou bien à des températures plus élevées ou plus basses, on passe à la sollicitation de l'éprouvette de l'extérieur, à efforts unitaires égaux, ou même supérieurs aux tensions internes de contraction aext. > a10.. Dans ce but, on emploie un dispositif spécial, composé de deux pièces, un bloc massif 5, pourvu d'un trou axial, le long duquel passe une barre de traction 6, dont la rigidité axiale est calculée en fonction de l'importance des forces de traction N utilisées, de sorte que la variation de l'effort de traction, pendant la fissuration de l'éprouvette à l'essai, soit pratiquement négligeable.
Le dispositif est monté à l'intérieur d'une table de travail 7, la partie supérieure de la pièce massive S étant fixée directement au-dessus de la table 7. Afin d'effectuer l'essai de traction de l'éprouvette, le bout fileté de celle-ci b est vissé dans le trou fileté de la tige de traction 6, jusqu'à ce que la partie tronconique de l'éprouvette se pose librement sur le bloc massif 5 du dispositif de traction.
A l'aide d'un mécanisme de commande quelconque, connu en soi, basé sur le principe des machines simples ou d'autres systèmes simples de multiplication de la force, on réalise le dépla- cement axial par traction de la tige 6, jusqu'à ce qu'on atteigne l'effort extérieur désiré N, qui produit dans la section de la tige 1 de l'éprouvette un effort unitaire, uni formément réparti a. gent ): flint, résultant de la division de la force de traction N par la section circulaire à diamètre dl.
Jusqu'au moment où l'effort unitaire égale la résistance à la rupture de l'acier étudié op, mesurée à l'état non soudé, la rupture de l'éprouvette ne peut survenir que dans la zone d'influence thermique c, vu que c'est seulement dans cette zone, affectée par la soudure, que des processus de fragilisation, spécifiques au soudage, ont pu se produire, tels que la fragilisation structurale, thermo-mécanique ou bien celle due à la présence d'hydrogène dans la soudure. Les effets de ces processus de fragilisation se manifestent par des fissures dans la zone sous-cordon, respectivement dans la zone d'influence thermique c de la tige 1 à l'état soudé.
Ces fissures représentent des amorces de rupture fragile pour toute construction soudée, les sollicitations extérieures aext zone maintenues constantes, ce qui permet la détermination par essais répétés pour des valeurs progressives de aext., des tensions minimums, auxquelles se produit la fissuration de l'acier, dans la zone d'influence thermique.
Au cas où la fissuration se produit même sous la simple action interne des tensions propres de contraction 0et. = ai,,, il est considéré par approximation que cet effort unitaire représente la tension minimum de fissuration, vu que sur un acier tellement sensible à de pareilles ruptures, c'est-à-dire aussi peu résistant à l'état soudé, la détermination précise de ces tensions est sans importance pratique concrète, vu que les tensions Qot.' provenant de la propre contraction de la tige cylindrique 1, sont de l'ordre de quelques kp/mm2.
Suit un exemple d'étude d'un acier C-Mn destiné à une construction soudée, effectuée sur des éprouvettes de proportion et dimensions préconisées ci-haut, les dispositifs respectifs étant exécutés selon l'exemple de réalisation décrit.
Les deux parties de l'éprouvette, la tige 1 et la pièce tronconique 2, sont réalisées, par tournage et rectification, de l'acier étudié, qui à l'état soudé présente une limite de rupture sous charge statique de aR = 62 kp/mm8, les autres caractéristiques mécaniques, technologiques, et l'analyse chimique satisfaisant les prescriptions du standard.
L'acier étant livré en forme de tôle de 20mm, des éprouvettes ont été choisies, ayant les dimensions et la forme géométrique selon fig. 1, avec Q = 8 mm,
D=24mm, l=h=20mm et a=750 La soudure a été effectuée à l'aide d'un dispositif 3 en cuivre, à une température initiale de l'éprouvette de 220 C, une force de serrage F = 600 kp, en employant des électrodes au rutile au diamètre de 4 mm, à 150 A et 22 V, pendant 10 secondes, les tensions internes axiales résultant de la soudure étant de Qot. = 8 kp/mm2.
En soumettant l'éprouvette à des efforts extérieurs aext = aient. = 8 kp/mm2, la fissuration et ensuite la rup- ture de la zone d'influence thermique s'est produite selon le diagramme de la fig. 4, a,njn*1, qui montre que le début de la fissuration s'est produit à 20 minutes après avoir effectué la soudure et la rupture complète à 85 minutes.
L'essai a donc démontré que, dans les conditions de soudage sans préchauffage et en utilisant des électrodes qui, par la nature de leur enrobage, contiennent des quantités d'hydrogène relativement élevées, environ 20 cm3/100 g - ce gaz étant l'un des facteurs fragilisants des joints soudés, la tension minimum de fissuration et de rupture de l'acier soudé ne dépasse pas 8 kp/mm2.
On en a déduit la nécessité de remplacer les électrodes essayées par des électrodes avec un contenu minimal d'hydrogène.
Répétant l'essai dans des conditions autrement identiques, mais à électrodes à enrobage basique et à basse teneur en hydrogène, environ 2cl3/1009, les tensions axiales internes, résultant par suite de la soudure, ont été également aient. = 8 kp/mm2, sous l'action desquelles cependant la fissuration et la rupture de la zone d'influence thermique n'ont plus eu lieu. En introduisant l'éprouvette dans le dispositif de traction conçu selon la fig. 3, et pourvu de commande manuelle et transmission mécanique à roues dentées, elle a été soumise à des efforts unitaires extérieurs cext. de 10, 15 et 20 kp/mm2.
La première fissure fit son apparition à 20 kp/mm2, après 54 minutes de sollicitation, et la rupture survint après 93 minutes. On a constaté donc que, dans ces conditions, la tension minimum de fissuration et de rupture de l'acier soudé, Qoin, , est aux environs de 20 kp/mm8.
Des essais supplémentaires ont permis de vérifier le domaine de fragilisation structurale pure du matériau, éliminant l'action thermo-mécanique des tensions internes de contraction ayant = 0. Dans ce but on a employé une éprouvette à tige de longueur L h, introduite dans la pièce tronconique 2 de telle manière que, pendant la dilatation et la contraction thermique dues au soudage, la tige puisse se contracter librement dans la direction axiale. L'éprouvette, également soudée aux électrodes à basse teneur en hydrogène, a présenté la première fissure à o,,,= 28 kp/mm8 après 76 minutes de sollicitation, la rupture survenant après 124 minutes.
On a conclu que l'acier examiné peut présenter des fissures à l'état soudé, même dans le cas des tensions internes réduites au minimum, si les sollicitations extérieures dépassent localement l'effort unitaire de 28kp/mm2. L'acier est donc sensible à la fragilisation structurale par refroidissement rapide, et pour cette raison la technologie de soudage de l'acier étudié doit imposer la condition obligatoire de procéder au préchauffage.
En base des mesurages effectués sans préchauffage des éprouvettes soumises aux essais, on a passé à des essais similaires à préchauffage à des températures progressives.
Dans ce but, on a utilisé un dispositif de soudage 3, en fonte, et pourvu d'un circuit électrique de préchauffage réglable et à température contrôlable. Les éprouvettes soumises aux essais ont été soudées au moyen d'électrodes à basse teneur en hydrogène, en appliquant les mêmes régimes de soudage que dans le cas des essais sans préchauffage. On a vérifié l'effet de plusieurs températures de préchauffage, à partir de 500 C, et en augmentant par degrés de 250 C. La sollicitation des éprouvettes dans le dispositif de traction a commencé après leur complet refroidissement à la température ambiante 220 C.
Ces essais ont montré que, pour 50O C, la fissuration et la rupture retardée de la zone d'influence thermique c se produit à partir de amin 4= 36kp/mm2, pour 750 C, la fissuration et la rupture se sont manifestées à partir de amin 5 = 43 kp/mm2; pour 1000 C, à gamin. 6 = 55 kp/mm2; pour 1250 C, à omit. 7 = 62 kp/mm2, et pour 1500 C, l'éprouvette a cessé de se rompre dans la zone d'influence thermique.
Les essais informatifs effectués à électrodes à teneur élevée d'hydrogène ont montré que dans ce cas la rupture retardée du métal soudé ne cesse pas après un préchauffage à 1500 C, et que afin de réaliser une soudure dépourvue du danger de fissuration retardée - il est besoin de préchauffer à au moins 2500 C.
Les résultats obtenus dans l'exemple d'application décrit ont mené à la conclusion pratique directe que dans la soudure manuelle de l'acier étudié il existe un danger certain de fissuration et de rupture retardée des points soudés, sous forme de fissures dans la zone d'influence thermique. Le facteur fragilisant fondamental de l'acier étudié consiste dans les transformations structurales survenues dans la zone de l'influence thermique, sous l'action du cycle thermique de soudage, vu que,
en réduisant au minimum le contenu d'hydrogène de 2 cm3/100 g et les tensions internes joint = O, la tension minimum de fissuration et de rupture retardée est toujours relativement réduite (amin. 3 = 28 kp/mm2 = 0,45 6R). L'intervention des tensions internes en tant que facteur fragilisant Geint. = 8 kp/mm2 réduit la tension minimum de fissura tion à tymin = 8=20 kp/mm2, donc de 27,5 /o,
Omin. 3- min. 8 X 100
(min.
3 et la présence de l'hydrogène dans la soudure peut réduire la tension minimum de fissuration à une valeur très réduite (amin.1 = 8 kp/mm2 = 0,13 aR). Le préchauffage du métal n'exclut pas non plus toujours le risque de l'apparition de fissures et de ruptures, vu que jusqu'à des températures de réchauffement de 1250 C le métal soudé peut encore subir des fissurations et des ruptures retardées, à des tensions égales ou supérieures à gamin 4 respectivement CFmin.s, respectivement ami n. 5
L'exemple décrit montre qu'afin d'exécuter une construction métallique soudée avec l'acier étudié la suivante règle technologique fondamentale doit être appliquée:
préchauffage à minimum 1500 C, en employant des électrodes de qualité supérieure, à basse teneur en hydrogène, et préchauffage à minimum 2500 C au cas de la soudure avec des électrodes de qualité inférieure, à contenu élevé en hydrogène.
Le procédé décrit présente les avantages suivants: - l'éprouvette soudée reproduit tous les phénomènes de fragilisation de la zone d'influence thermique, spécifique aux processus de soudage, en réalisant par le blocage des deux bouts de la tige cylindrique soudée des tensions internes monoaxiales, de grandeur contrôlable; - l'éprouvette et le dispositif de soudage permettent de réaliser des cycles thermiques variables et contrôlables, ainsi que la variation séparée des actions des principaux facteurs fragilisants qui déterminent la valeur de la tension minimum de fissuration et de rupture retardée de l'acier à l'état soudé;
; - dû à la partie renforcée b de la tige cylindrique 1 de l'éprouvette, on peut réaliser non seulement le blocage rigide de celle-ci, en vue de réaliser les tensions internes de contraction aint., mais également un blocage élastique réglable, en introduisant, par exemple, un ressort-disque, à l'aide duquel aient. peut être varié pratiquement de Aient. = 0 à int. = aR; - en base des résultats expérimentaux, il permet d'établir les conditions fondamentales devant servir de base à l'élaboration d'une technologie industrielle de soudage d'un acier, destiné à l'exécution d'une construction soudée, de manière à garantir la construction contre les ruptures fragiles pendant l'exploitation;
; - tous les critères de soudabilité d'un acier, évalués par ce procédé, tels que température de préchauffage, type d'électrode, teneur maximum en hydrogène, ou régime de soudage, sont appréciés en base d'un seul critère, à savoir la résistance à la rupture retardée, donc une grandeur physique mesurée à l'aide de la même unité de mesure (kp/mm8) qui sert pour le projet et l'exploitation des constructions métalliques soudées; - la forme géométrique de l'éprouvette sert à établir le comportement de l'acier étudié, également sous l'action d'autres sollicitations extérieures, telles que la torsion statique et la sollicitation dynamique par choc ou cyclique à la traction, à la compression ou à la torsion;
; - sous la forme présentée, le procédé, l'éprouvette et les dispositifs respectifs peuvent être appliqués également pour d'autres métaux et alliages à souder, tels qu'alliages d'aluminium, de titane, de zircon et autres.