Soudage/Examens, essais et mesures

LE SOUDAGE Sommaire Généralités Conception d'un assemblage soudé Soudage par friction Soudage par aluminothermie Énergie de soudage Thermique du soudage Métallurgie du soudage Examens, essais et mesures Cet ouvrage fait partie de la collection Technologie

Examens, essais et mesures

Toutes structures métalliques allant des ponts aux réacteurs nucléaires en passant par les boîtes à conserves sont prévues pour satisfaire des conditions de fonctionnement en service. Les assemblages permanents tels que les soudures qui constituent ces structures doivent posséder des propriétés et des caractéristiques compatibles avec ces mêmes conditions.

Pour assurer que des joints soudés soient munis des propriétés et caractéristiques requises pour résister et satisfaire dans la durée, aux sollicitations en service, le test idéal serait bien sûr l'observation en continu et en direct du comportement de la dite structure, ce qui n'est pas toujours réalisable du point de vue de la faisabilité, du coût de mise en œuvre et du facteur temps. Aussi, la plupart du temps, avons-nous recours à différents types d'essais et de mesures couramment effectués sur des échantillons, éprouvettes ou prélèvements représentatifs des joints soudés.

Ces essais et mesures sont effectués tant pour mettre au point et qualifier un mode opératoire de soudage avant sa mise en œuvre que pour surveiller sa mise en application et la conformité de ses résultats tout au long de la production. Les méthodes d'essais peuvent très bien ne pas ressembler aux conditions réelles de sollicitation mais permettre d'évaluer la performance attendue dans les structures impliquées.

Ce chapitre est dédié aux méthodes d'examens, de mesures et d'essais qui peuvent être utilisé pour évaluer les propriétés et caractéristiques d'un joint soudé.

Pièce soudée représentative

Les éprouvettes d'essai sont prélevées dans une pièce soudée dont les dimensions sont suffisantes pour permettre un soudage aussi représentatif que possible :

• En règle générale la pièce soudée consiste en l'assemblage de deux coupons de tôles de 250 à 300 mm de largeur sur 800 à 1000 mm de longueur chacun. L'identification de ces coupons doit assurer leur traçabilité (rattachement aux documents de contrôle).
• Le sens de prélèvement des coupons, perpendiculaire ou parallèle au sens de laminage, est un paramètre très important qui, s'il n'est pas maîtrisé, induit des écarts importants dans le résultat des mesures.

D'autre part il est important de procéder à l'enregistrement des paramètres spécifiques et essentiels au mode opératoire de soudage à qualifier ou à surveiller. Ces paramètres peuvent être d'une nature différente selon le ou les procédés de soudage utilisés. L'identification de ces paramètres de soudage, parfois appelés variables essentielles, est publiée dans des cahiers de charges tels que les normes et les codes relatifs à la conception et/ou à la construction de ces structures ainsi que dans la spécification du donneur d'ordre, lorsqu'elle existe.

Extraits de paramètres essentiels devant faire l'objet d'un enregistrement et d'une conservation pendant toute la durée de vie du mode opératoire de soudage :

• La désignation du procédé de soudage,
• La nature et la désignation des matériaux de base et des produits d'apport,
• Le type d'assemblage (a plat, en angle) et la préparation soudage (type de chanfrein, angle d'ouverture, jeu à la racine, talon...),
• L'épaisseur des coupons à souder,
• La position de soudage (a plat, en corniche, en verticale, au plafond...)
• La température initiale de la pièce à souder,
• L'intensité, la tension et la vitesse de soudage,
• La température entre passe,
• ...

Dans le cas de la construction d'une structure réglementée (équipements sous pression par exemple) il arrive qu'il soit exigé que tous les travaux relatifs à la qualification d'un mode opératoire de soudage soient supervisés par un organisme tiers.

Essais de traction

Fig. . Éprouvettes d'essais de traction en métal fondu

Essais de pliage

Fig. . Éprouvettes d'essai de pliage

Cet essai permet de déterminer l'aptitude à la déformation par pliage du joint soudé. Il est décrit dans des normes, des codes de construction ou les cahiers des charges des donneurs d'ordre.

Le prélèvement des éprouvettes est le plus souvent effectué dans le sens travers (perpendiculairement à la soudure) pour tester l'aptitude au pliage endroit ou envers du joint soudé mais, lorsque l'épaisseur du matériau est trop importante, ils sont parfois remplacés par des essais de pliage côté.

Les avantages de l’essai de pliage sont que tant l’éprouvette que l’appareillage nécessaire à l’essai sont simples et faciles à mettre en œuvre.

Les éprouvettes sont faciles à réaliser mais nécessitent d'être grossièrement polies afin de mettre en évidence la soudure et d’arrondir les arrêtes pour éviter les amorces de rupture. L’essai peut être réalisé à l’atelier. Le résultat peut parfois être utile pour prononcer la qualification d'un soudeur en lieu et place d'un contrôle par radiographie de soudure.

Le résultat est fonction de l'apparition de déchirures ou arrachements provoqués par d'éventuels défauts préexistants dans la soudure (ou dans le métal de base), le critère d'acceptation étant souvent associé à une longueur de défaut préétablie à ne pas dépasser.

En règle générale, l'essai de pliage requière deux pliages endroit et deux pliages envers soudure ou quatre pliages côtés.

Essais de résilience - Ténacité

Fig. . Schéma de principe du mouton pendule de Charpy

Fig. . Barreaux de résilience à entaille en "Vé"

Cet essai, encore appelé flexion par choc, est destiné à déterminer si la structure analysée est ductile ou fragile à une température donnée ainsi que l'énergie nécessaire pour rompre l'éprouvette entaillée.

En général des essais de résilience sont effectués par série de trois barreaux avec l'entaille placée en métal fondu, dans la zone de liaison(ZL) puis, selon le cas, à ZL +2 mm, ZL + 5 mm et en métal de base (MB). Selon l'épaisseur du matériau testé, des séries de prélèvements peuvent être effectués sous la peau, au tiers, à cœur ou côté reprise de la soudure. Le positionnement de l'entaille est tracé par l'opérateur à même la macrographie réalisée sur le prélèvement. Chaque barreau usiné doit être identifié afin d'assurer la correspondance avec la pièce soudée et la position de l'entaille (MF, ZL ou MB).

L'essai permet de mesurer l'énergie nécessaire pour rompre en une seule fois un barreau préalablement entaillé. On utilise un mouton-pendule muni à son extrémité d'un couteau qui permet de développer une énergie donnée au moment du choc. Cette énergie est classiquement, dans le cas de la norme européenne, de 300 joules.

L'énergie absorbée est obtenue en comparant la différence d'énergie potentielle entre le départ du pendule et la fin de l'essai. La machine est munie d'index permettant de connaître la hauteur du pendule au départ ainsi que la position la plus haute que le pendule atteindra après la rupture de l'éprouvette.

L'énergie obtenue (en négligeant les frottements) est égale à :

m : masse du mouton-pendule

g : accélération de la pesanteur (environ 9.81 m.s-2)

h : hauteur du mouton-pendule à sa position de départ

h' : hauteur du mouton-pendule à sa position d'arrivée

Fig. . Courbe de transition de ténacité obtenue à partir de 7 séries de trois éprouvettes d'essai. La température de transition est de moins 50°C et l'énergie de rupture correspondante de 46 joules

La graduation de la machine permet généralement d'obtenir directement une valeur en joule.

Le résultat est fonction de la valeur moyenne de l'énergie de rupture obtenue sur les trois éprouvettes d'une série ainsi que la valeur minimum comparées aux valeurs d'acceptation du cahier des charges (ou code ou norme) pour la température d'essai requise. Le profil de l'entaille joue un rôle prépondérant dans la réussite ou non de l'essai. Une solution acceptable pour réaliser l'entaille est l'usinage à la broche.

Lorsque des séries d'essais sont effectuées à différentes températures, on peut mettre en évidence la température de transition entre domaine ductile et domaine fragile d'un matériau. La séparation entre domaine fragile et domaine ductile est déterminée par l'examen du faciès de rupture de chaque éprouvette afin de détecter le lot présentant 50 % de surface fragile. La température d'essai de ce lot d'éprouvette est la température de transition du matériau, température à laquelle on peut faire correspondre l'énergie de rupture.

La plupart des aciers de construction sont sensibles au vieillissement, c'est-à-dire à une fragilisation dans le temps dû à un déplacement vers les hautes températures de leur température de transition de ténacité. Pour déterminer la sensibilité au vieillissement d'un joint soudé on recherche la température de transition sur éprouvette vieillie que l'on compare à la température de transition déterminée sur éprouvette brute de soudage. Il existe des procédures particulières de traitements thermiques avec refroidissement par étapes (en anglais « step cooling ») simulant le vieillissement des aciers, ces traitements thermiques ont des durées longues pouvant atteindre une dizaine de jours.

Voir aussi

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