Les essais destructifs sur assemblages soudés

contrôle des caractéristiques mécaniques - essai de traction.

Assemblage soudé - contrôle des caractéristiques mécaniques - essai de traction.

Les assemblages soudés peuvent être contrôlés par différentes techniques de CND (Contrôle Non Destructif) et par des essais destructifs (microstructure, essais de traction, essais de flexion, essais de pliage, filiations de micro dureté, examens macrographiques, analyses chimiques…) pour s’assurer de leur conformité. Dans cet article, nous balayons les types d’essais destructifs les plus couramment requis pour passer les tests.

La soudabilité

La soudabilité est une notion qui définit l’aptitude au soudage. Cette soudabilité est déterminée par plusieurs critères : des critères opératoires, des critères de service, des critères métallurgiques. Au niveau des critères opératoires, la soudabilité est déterminée en fonction de la pièce, du procédé et de la position de soudage, de l’environnement… Pour les critères de tenue en service, la soudabilité de l’assemblage doit satisfaire aux conditions de service qui lui sont ou seront imposées. Citons par exemple une résistance mécanique trop faible, une mauvaise tenue à la corrosion, problèmes d’étanchéité… Enfin, les critères métallurgiques tiennent comptent du fait que la soudabilité correspond à la possibilité de réaliser une soudure en maîtrisant la formation de défauts qui résultent du comportement des matériaux lors du soudage. En effet, cette opération de soudage occasionne, de par son apport énergétique et parfois l’apport de métal, de fortes perturbations métallurgiques au niveau du joint soudé.

Modification de la microstructure

Ces modifications dans les assemblages soudés vont affecter les microstructures de la zone fondue et des zones affectées thermiquement (ZAT). En fonction du matériau, les évolutions de structure à redouter peuvent être un grossissement des grains, la précipitation de carbures, la formation de composés intermétalliques fragiles ou encore l’effet de trempe (ou de revenu).

DMOS (Descriptifs des Modes Opératoires de Soudage)

Les descriptifs de mode opératoire de soudage consistent à détailler l’ensemble des étapes (procédé utilisé, préparation et géométrie du joint, position de soudure, dégraissage, préchauffe avant la première passe, consommables, gaz, préchauffe inter passe, traitement thermique après soudage…). Ils ont pour but de hiérarchiser/planifier les opérations afin de s’assurer de la qualité de l’exécution. Ces DMOS sont certes indispensables pour la répétabilité de la soudure, mais ils ne garantissent pas que l’assemblage soudé satisfasse aux exigences imposées. En effet, l’oubli d’un préchauffage lors de l’établissement du DMOS, ou au contraire une température de fusion du métal d’apport trop importante, peut engendrer un manquement dans les caractéristiques mécaniques de l’assemblage ou même, une fissuration avant mise en service. La réalisation d’une qualification du mode opératoire de soudage (QMOS) exécutée sur des coupons « témoins », permet de s’assurer de la bonne tenue de l’assemblage dans les conditions et exigences requises.

Les normes utilisées

Normes applicables aux assemblages soudés.
Normes applicables aux assemblages soudés.

En fonction de la métallurgie et du procédé de soudage utilisé, une série de normes intitulées « Descriptifs et qualification d’un mode opératoire de soudage » sont à notre disposition. Pour un procédé de soudage donné, elles permettent de démontrer en s’appuyant sur le DMOS que les assemblages ainsi produits ont les propriétés mécaniques requises pour l’application prévue. Ces normes permettent de caractériser une large gamme de fabrications soudées.

Le soudage à l’arc des goujons sur matériaux métalliques est traité par la norme NF EN ISO 14555 et le soudage à l’arc des tubes sur plaques tubulaires par la norme NF EN ISO 15614-8.

Essais de traction dans le sens travers

Assemblage bout à bout de 2 tôles d’épaisseurs différentes - photographie CTIF.
Assemblage bout à bout de 2 tôles d’épaisseurs différentes – Crédit photo CTIF.

Ces essais de traction dans le sens travers sont le plus souvent réalisés suivant la norme NF EN ISO 4136. Les éprouvettes sont prélevées dans le sens transversal de l’assemblage soudé, de manière qu’après usinage, l’axe de la soudure demeure à mi- longueur de la partie calibrée de l’éprouvette. Les éprouvettes peuvent être prélevées dans des tôles (éprouvettes prismatiques) ou bien dans des tubes, voir essai directement sur tube. Dans le cas des assemblages de tôles « bout à bout », l’éprouvette est égale à l’épaisseur du métal de base situé à proximité du joint soudé. Pour les épaisseurs supérieures à 25 mm, il convient de faire des éprouvettes multiples de manière à couvrir la totalité de l’épaisseur de l’assemblage soudé.

Localisation rupture après essai de traction en ZAT sur un tube en soudure bout a bout - photographie CTIF.
Localisation rupture après essai de traction en ZAT sur un tube en soudure bout a bout – Crédit photo CTIF.

Après rupture, il est essentiel de localiser la cassure (en zone de liaison, dans le métal de base, dans le métal fondu, en ZAT). Des examens macrographiques du faciès de rupture peuvent être réalisés afin de s’affranchir de l’existence de défauts.

Essais de traction dans le sens longitudinal

Ces essais de traction dans le sens longitudinal sont généralement réalisés suivant la norme NF EN ISO 5178. Les éprouvettes sont prélevées dans le sens longitudinal de l’assemblage soudé, de manière qu’après usinage la totalité de l’éprouvette soit située dans le métal fondu. Dans le cas des assemblages de forte épaisseur ou avec reprise envers (soudage des 2 côtés), il conviendra de prélever plusieurs éprouvettes. Les éprouvettes sont cylindriques et leur diamètre varie de 4 à 10 mm. Ces essais peuvent parfois être réalisés à haute température. Après rupture, il conviendra de localiser la rupture.

Position éprouvette traction assemblage bout à bout d’épaisseur 15 mm - Illustration CTIF.
Position éprouvette traction assemblage bout à bout d’épaisseur 15 mm – Crédit photo CTIF.

Essais de flexion par choc

Pour les essais de flexion, les normes NF EN 9016-1 et NF EN ISO 148-1 sont le plus souvent suivies. La position de l’entaille (généralement de type V2m) est essentielle suivant la « liaison » ou le métal à caractériser, à savoir : Métal de base (MB), Zone Affectée Thermiquement (ZAT), Métal Fondu (MF). La difficulté de ces essais réside donc dans le positionnement du prélèvement afin de bien placer/localiser l’entaille. Dans le cas des éprouvettes prélevées dans la ZAT, il faut que le bout d’entaille soit situé entre 1 et 2 mm de la Zone de Liaison (ZL).

La localisation de l’entaille joue un rôle primordial dans la fiabilité du résultat de la zone à caractériser. En effet, de par sa définition, la ZAT correspond à du métal de base dont la structure a évolué en raison du traitement thermique imposé par l’opération de soudage. La résilience sera d’autant plus élevée que les grains seront fins (les joints des grains forment des obstacles pour la propagation des déformations ou la propagation des ruptures fragiles).

Essais de pliage

Éprouvette transversale après essai de pliage - photographie CTIF.
Éprouvette transversale après essai de pliage – Crédit photo CTIF.

Les essais de pliage sont généralement réalisés suivant la norme NF EN ISO 5173. Ces essais peuvent être de différentes catégories : pliage transversal, endroit, envers ou de côté, pliage longitudinal, endroit ou envers et enfin pliage endroit ou de côté sur soudure sans / avec bout à bout. L’objectif de ces essais est de s’assurer qu’il n’y a pas de rupture ou de fissuration pour un angle de pliage spécifié.

Filiations de dureté

Coupon de soudure bout à bout avec les filiations de dureté associées - illustrations CTIF.
Coupon de soudure bout à bout avec les filiations de dureté associées – illustrations CTIF.

Les filiations de dureté sur coupe dans les assemblages soudés sont le plus souvent réalisées suivant la norme NF EN ISO 9015-1. Elles sont généralement de type Vickers (alliage ferreux hors aciers austénitiques) ou bien de type Vickers, ou encore Brinell (cas des alliages d’aluminium et des alliages de cuivre). En fonction de la configuration du coupon (géométrie, épaisseur, nombre de passes) il convient de réaliser une ou plusieurs filiations avec des empreintes situées dans des zones bien précises. L’objectif est de s’assurer qu’il n’y a pas de valeurs de dureté dépassant les exigences admissibles.

Examens macrographiques

Soudure un acier austéno-ferritique dont les ZAT ne sont pas visibles macrographiquement
Soudure d’un acier austéno-ferritique dont les ZAT ne sont pas visibles macrographiquement.

Les examens macrographiques sont généralement effectués suivant la norme ISO 17639. Les éventuels défauts observables peuvent être des défauts visibles en surface du coupon (fissures, porosités ouvertes, projections de métal fondu, coup de meulage abusif …), internes (fissures, soufflures, inclusions d’oxydes ou métalliques, manque de fusion ou de pénétration) ou enfin géométriques (excès de pénétration, débordement, effondrement, asymétrie…).

Microstructure passes soudage recuites et structure fine contrastant avec aspect basaltique passes non-recristallisé.
Microstructure passes soudage recuites et structure fine contrastant avec aspect basaltique passes non-recristallisées.

Il faut noter que des « niveaux de critères d’acceptation » concernant les défauts peuvent être autorisés. Ces examens permettent également de remonter à la cause de la défaillance – non qualité.

La caractérisation micrographique des cordons de soudure avait fait l’objet d’un article précédent sur MetalBlog.

Analyse chimique

Les analyses chimiques sont le plus souvent demandées dans les épreuves de qualification d’assemblages avec rechargement (cf. NF EN ISO 15614-7). On peut noter que CTIF possède un spectromètre d’émission optique, équipé d’une table pouvant analyser des surfaces de diamètre > à d = 8 mm. Cela permet d’être très rigoureux dans la localisation de l’analyse chimique d’assemblages soudés de petites dimensions.

Autres essais plus spécifiques

D’autres essais plus spécifiques peuvent être demandés tels que l’estimation du taux de ferrite delta, des essais de texture ou mécaniques (traction à l’ambiante ou à chaud, rupture par cisaillement ou déboutonnage, flexion par choc à température ambiante ou à froid, filiation de micro dureté…).

CTIF est un laboratoire accrédité COFRAC pour les essais sur assemblages soudés ou brasés (29-5). Portée d’accréditation disponible sous www.cofrac.fr

Remerciement à Magalie Garnierpaupert et à Maximilien Lauvernier, co-rédacteurs de cet article avec Julien Tomas.

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