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Micrographie de cordon de soudure acier - respect des DMOS

Les opérations de soudure font l’objet de normes et surtout de modes opératoires (DMOS – descriptif de mode opératoire de soudage, QMOS – qualification de mode opératoire de soudage) qui permettent de s’assurer de la qualité et de la répétitivité de la réalisation d’un assemblage soudé, suivant le procédé adopté. Pour cela, des coupons de référence (assemblages de qualification normalisés) sont réalisés afin de les contrôler (traction longitudinale, traction sens travers, dureté, corrosion, pliage, macrographie, micrographie …). On peut rencontrer à ce stade de nombreux défauts dans le métal fondu mais également autour (ZAT – zone affectée thermiquement) qui peuvent être liés à des anomalies dans la microstructure du métal de base, à la qualité du matériau d’apport ou encore à un paramètre de soudage non respecté ou mal optimisé. Nous détaillerons dans cet article la caractérisation macro et micrographique des cordons de soudure en acier (qui affectent les caractéristiques mécaniques de l’assemblage) en lien avec le respect des DMOS.

Les technologies de soudure des métaux

Les premières techniques d’assemblage de métaux consistaient en une opération de « chauffage martelage », permettant une continuité physique de la matière mais qui était limitée à des métaux reconnus pour leur malléabilité (à température ambiante ou avec un faible apport calorifique).
C’est seulement à la fin du XIXème siècle, suite à la découverte de l’arc électrique, que les procédés d’assemblage des métaux par soudage ont fait leur révolution. La maîtrise de l’énergie électrique provoquée par l’arc, permet en effet d’imposer de fortes températures de manière très localisée, mettant en fusion les différentes parties des pièces à assembler. Cette évolution technique a permis ensuite l’explosion et la diversification des procédés de soudure d’une pièce métallique (TIG, électrodes enrobées-MMA, arc submergé-SAW, …).

Des transformations structurales majeures

2 plastrons en acier soudés à l’arc plasma bout à bout pleine pénétration – Défaut d’accostage provoquant un caniveau

Mais peu importe la méthode de soudure utilisée, c’est la maîtrise du mode opératoire dans sa globalité qui permet la répétabilité de l’opération de soudage propre à un assemblage et une sévérité d’utilisation donnée. La notion de « métallurgie de soudage » prend de ce fait toute son importance. En effet, les cycles thermiques parfois sévères imposés aux différents éléments constituant l’assemblage à souder provoquent des transformations structurales dans la zone affectée thermiquement (ZAT) qui dépendent de la température maximale atteinte, de sa durée ou encore des conditions de refroidissement du métal.

Les DMOS et QMOS

L’élaboration d’une soudure donne lieu à un descriptif de mode opératoire de soudage (DMOS) qui fait lui-même référence à une qualification préalable (QMOS). L’épreuve de qualification consiste en la réalisation d’un assemblage témoin généralement appelé coupon, représentatif des conditions de soudage utilisées. Sur le DMOS, toutes les informations nécessaires pour la préparation avant soudage, les réglages du poste à souder ainsi que les informations sur les matériaux mis en œuvre (métal d’apport et métaux de base à souder) sont mentionnées.

La norme NF EN ISO 15609

Caractérisation des assemblages soudés – DMOS et QMOS

Les normes européennes NF EN ISO 15609 (dont l’indice est dépendant du mode opératoire) précisent les modalités de rédaction du descriptif du mode opératoire de soudage. Toutes les opérations, informations techniques et instructions nécessaires pour assurer la répétitivité d’obtention d’un assemblage soudé de qualité sont consignées dans ce formulaire. Les paramètres indiqués sont le procédé de soudage (suivant la codification donnée par le norme NF EN 24063) : arc électrique avec électrodes enrobées (111), TIG avec métal d’apport (141), MAG avec fil fourré poudre métallique (138), le type d’assemblage (bout à bout, en V, en X, en T, en U, assemblage par recouvrement), les types de matériaux (nuance normalisée rattachée au groupe codifié des métaux de base et du métal d’apport), l’épaisseur des pièces, la position de soudage (suivant la codification de la norme EN ISO 6947 : à plat, au plafond, en position verticale ou horizontale), la méthode de préparation et la géométrie des chanfreins de l’assemblage (découpage sous eau, oxycoupage, cisaillage, meulage …), le mode de nettoyage préalable (dégraissage, sablage, brossage …), le préchauffage, l’énergie de soudage ou encore l’ordre et le nombre de passes. Suivant la qualification de l’assemblage, les normes NF EN ISO 15614 (dont l’indice dépend également du mode opératoire) spécifient le type d’essais à réaliser ainsi que leurs localisations.

Analyse visuelle d’un coupon témoin

Exemple de coupon témoin : Soudure d’angles sur assemblage en T de deux tôles

Tout coupon témoin fait d’abord l’objet d’un contrôle visuel, afin de vérifier le nettoyage, la finition, le respect de la géométrie de l’assemblage ainsi que l’absence de coups d’arc, de projections, de laitier ou encore de stries de burin ou de meule. A ce stade de l’examen, il est également possible de détecter des défauts d’alignements (défaut de bridage), des affaissements du métal d’apport (effondrements) ou encore la présence de fissuration (à chaud, par arrachement lamellaire ou à froid).

Les examens macro et micrographiques

Vérification d’une soudure bout à bout en X de 2 tôles en acier avec reprise sur envers

Les nuances d’acier les plus couramment employées pour le soudage, ont fait l’objet d’études de cinétiques de transformation, afin de relier la microstructure obtenue aux cycles thermiques (notamment de refroidissement) imposés pendant l’opération de soudage. Le diagramme ainsi construit, relie la température maximum atteinte, la vitesse de refroidissement imposée et la matrice obtenue. Ce diagramme « transformations en refroidissement continu » pour une nuance d’acier donnée, permet d’anticiper certaines conditions de soudage.

L’examen macrographique après découpe et attaque métallographique d’un coupon, permet d’apprécier les différentes zones en présence : constituées des métaux de base, du métal d’apport et des zones affectées thermiquement. Cet examen permet de vérifier la quantité de métal déposé, le nombre de passes ainsi que la conformité de la géométrie de la soudure vis-à-vis de la configuration imposée par le DMOS. On vérifie la bonne fusion en racine, et on peut également mesurer le taux de pénétration de la soudure dans les métaux de base.

Défauts de soudure

Défauts de type soufflure dans un assemblage soudé sur une pièce en acier

On observe de nombreux défauts dans les soudures examinés ; certains sont critiques alors que d’autres sont moins importants pour la tenue de l’assemblage.

On peut ainsi détecter des défauts volumiques de type soufflure vermiculaire, un effondrement, un manque de fusion en racine, un défaut d’accostage (provoquant un caniveau). L’examen macrographique permet également de détecter des manques de compacités qui peuvent éventuellement être associés à des inclusions solides (laitier ou oxydes).

Vérification d’un assemblage entre une tôle (S355) et un acier inoxydable (304L)

Vérification de la géométrie d’une soudure bout à bout d’une tôle en acier avec un acier inoxydable austénitique

On peut ainsi vérifier la géométrie d’une soudure bout à bout d’une tôle en acier de construction non-allié (type S355) avec un acier inoxydable austénitique 304L (X2CrNi19-11) soudé MAG avec fil fourré (309L) sur une épaisseur de 30 mm. Dans ce cas particulier, on constate que la configuration générale du joint soudé apparait avec une configuration initiale en X. La quantité de métal déposée est différente suivant le côté observé : 1/3 côté supérieur et 2/3 côté inférieur. La jonction soudée au niveau du talon initial de la préparation ne présente pas de défaut (bonne interpénétration des cordons de soudure), néanmoins sa position révèle une asymétrie. La géométrie initiale de la préparation avant soudage, imposée dans le DMOS n’est donc pas respectée.

Métal d’apport 309L : visualisation des passes de soudage (zones de cristallisation différentes)

L’examen micrographique (attaque Nital 4 %) du métal de base de la tôle en acier met en évidence une matrice ferrito-perlitique en bandes alternées. Coté acier inoxydable 304L, la micrographie (attaque à l’eau régale glycérinée) permet de révéler une matrice austénitique à grains maclés avec la présence de liserés de ferrite delta (δ) sous forme d’alignements discontinus.La structure du métal d’apport 309L, quant-à-elle, est austénitique avec un réseau de ferrite delta.

On distingue ainsi nettement les passes de soudage grâce aux zones présentant une cristallisation différente (zones recuites permettant de comptabiliser le nombre de passes).

ZAT côté acier de construction non-allié (type S355) avec une structure évolutive

La ZAT côté acier de construction acier de construction non-allié (type S355) présente, quant-à-elle,  une structure évolutive en lien avec la température atteinte et le cycle thermique engendré lors du soudage. Cette structure est caractérisée par un grain grossier (martensite et bainite) en zone de liaison qui évolue jusqu’à la matrice originelle de l’acier de construction.

ZAT de l’acier de construction avec vagues de dilution associées à un fin liseré martensitique

On distingue également la présence de vagues de dilution à structure matensitique qui correspondent à la dilution localisée du métal de base.

La zone affectée thermiquement de la tôle en acier austénitique est très réduite. On met en évidence un grossissement des grains austénitique et une réorganisation de la ferrite delta principalement dans les espaces intergranulaires au lieu de rester sous forme de liserés.

L’expertise des cordons de soudure

Examen macrographique d’une soudure en acier et mise en évidence des passe de soudure – macrographie CTIF

L’analyse des soudures et de leur conformité fait appel à de nombreuses compétences ; la caractérisation des matériaux métalliques (traction longitudinale et/ou travers, dureté, corrosion, pliage, macrographie, micrographie …), l’analyse et la compréhension des DMOS et QMOS, et enfin l’expertise métallurgique (conformité des microstructures, analyse des défauts métallurgiques ou de soudage, respect dimensionnel, …) sur de nombreuses familles de matériaux avec souvent la présence de matériaux très divers.