Institut de Soudure - Le soudage des aciers à Hautes Performances

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SOUDUREoctobre 2006Colloque sur les Ouvrages d'Art

Le soudage des aciers à Hautes Performances

S 460 et S 690Applications Génie Civil

F. Maltrud Institut de Soudure

Présenté par J-M Vigo OTUA

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Plan de l’exposéVous avez dit « performance en soudage »? ?…

Nuances d’acier et produits d’apport en soudage

Soudabilité des S 460 M, ML, Q, QL, QL1,CEV, conditions de soudage …

Soudabilité des S 690 Q, QL, QL1, CEV, conditions de soudage …

Réparation des soudures

Chaudes de retrait

Conclusions

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Performances des soudures :

• La soudabilité métallurgique :

Définie par le niveau de précautions à prendre pour éviter la fissuration à froid en ZAT (Zone Affectée Thermiquement) et en ZF (Zone Fondue): Choix des apports, nécessité ou non du préchauffage et du postchauffage

• Les caractéristiques mécaniques (traction -résilience) du joint (ZAT et ZF)

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Les aciers concernés :

- Les aciers thermomécaniques S460M et ML (EN 10025-4)

- Les aciers trempés revenus S460 Q, QL, QL1 à S690 Q, QL, QL1 (EN 10025-6)

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Les produits d’apport concernés :

Des normes de références- Normes européennes avec des garanties sur Rp0.2%

Jusqu’à 500 MPa> NF EN 5560 (ex EN 499) électrodes enrobées> EN 440 fils MAG> EN 758 fils fourrés

Jusqu’à 890 MPa> NF EN 757 électrodes enrobées> NF EN 12534 fils MAG> NF EN 12535 fils fourrés

- Possibilité pour les soudures d’angle d’utiliser un métal d’apporavec une limite d’élasticité inférieure en augmentant la hauteurde gorge

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Leur comportement actuel vis à vis du soudage :

- les aciers S460M et S460Q : soudabilité bien meilleure que celle des aciers normalisés de grade équivalent, voire meilleureque celle des aciers S355 - Cependant nécessité de certaines précautions spécifiques, notamment du fait de la zone fondue

- les aciers trempés revenus S500Q à S690Q : soudabilité des meilleurs aciers actuels très supérieure à celle des premiers aciers de ce type - demandent toutefois quasi systématiquement la mise en œuvre de préchauffage, voire de post chauffage, mais à des températures modérées - nécessité du contrôle rigoureuxde tous les paramètres de soudage (T entre passes, taux H2)

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Comparaison des carbones équivalent max. autorisés pour différentes nuances thermomécaniques et trempées revenues

Ceq Max. (EN 10025 3-4-6)

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 50 100 150épaisseur (mm)

Ceq

max

.

S460MS460QS500QS690QS460NCeq

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Aciers S460 (M et ML)

Réalité de l'offre : meilleure que les prescriptions de la norme

e(mm)

C Mn Si Ni V CET CEV

40 0,090 1,50 0,30 0,40 0,058 0,25 0,38

50 0,070 1,54 0,32 0,42 0,070 0,24 0,37

CEVEN100025-4

0.46

0.47

exemple de deux fournitures industrielles :

CET=C + (Mn+Mo)/10 + (Cr+Cu)/20 + Ni/40CEV=C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15

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Aciers S460 (M et ML)Procédés de soudage les plus utilisés :

- Electrode enrobée basique

- sous flux en poudre

- soudage MAG avec fil fourré de poudres métalliqes

- soudage MAG avec fil fourré sans gaz de protection

Large choix de produits d'apport présentant les caractéristiques mécaniques (traction, résilience) requises

Impératif particulier : malgré la très bonne soudabilité métallurgique de ces aciers il est impératif de choisir des produits d'apport présentant des taux d'hydrogène très bas (H5), pour évitele risque de fissuration en zone fondue (cf. ci après)

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Aciers S460 (M et ML)Le risque de fissuration à froid en Zone Fondue

fonction de la composition chimique de la zone fondueet du taux d'hydrogène diffusible du produit d'apport

exemple : influence de la teneur en manganèse de l'apport et du taux d'H2 dif.

Teneur en manganèseH2diffusible(ml/100g m.f.)

Classede tauxH2 dif.

0,95 1,10 1,38 1,64

4,7 H5 NF NF NF NF5,4 H10 NF NF NF F6,6 H10 NF NF F F10,1 H10 F F F F15,1 H10 F F F F

nécessité d'un taux de Mn suffisant pour obtenir les caractéristiques mécaniques requises en ZF ⇒ obligation d'utiliser des produits de classe H5 pour éviter le risque de fissuration en zone fondue

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Le risque de fissuration à froid en ZAT

• faibles valeurs de Carbone équivalent

+• nécessité d'utiliser des apports à faible taux d'hydrogène diffusible, du fait de la zone fondue

=absence de risque fissuration à froid en ZAT dès que les énergies de soudage sont supérieures à 10 kJ/cm⇒ le préchauffage n'est généralement

pas nécessaire(dégourdissage, en fonction des conditions climatiques)

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Caractéristiques mécaniques du joint

Zone fondue :

• l'offre des fournisseur est telle qu'il est assez aisé de trouver des apports présentant des caractéristiques mécaniques de traction et de résilience en rapport avec celles du métal de base

• les caractéristiques mécaniques sont peu dégradées par les énergies de soudage et les températures entre passes élevées,tant que l'on reste dans le cadre des pratiques usuelles relatives aux aciers normalisés de grade équivalent

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Aciers S460 (M et ML)Caractéristiques mécaniques du joint

ZAT :

Par rapport aux aciers normalisés de grade équivalent, la réduction des teneurs en carbone, silicium, niobium, et l'ajout de titane, permettent d'utiliser des énergies de soudage élevées sans détériorer la résilience en ZAT

Un adoucissement localisé peut survenir en ZAT, mais sauf mise en œuvre d'énergie extrêmement élevées vis à vis de l'épaisseur soudée, cette zone est suffisamment étroite pour ne pas dégrader les propriétés de traction du joint

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Aciers S460 (M et ML)Chaudes de retrait

Globalement, ces aciers permettent l'utilisation de chaudes de retrait efficaces

impératif particulier :

il est nécessaire de contrôler et de limiterles températures maximales atteintes :

• chaudes en ligne : Tmax = 900°C

• chaudes triangulaires : Tmax = 650°C

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Aciers S690 (Q, QL, QL1)

réalité de l'offre :

analyse de 25 fournitures industrielles ép 20 à 60mm:répatition des valeurs de CET

02468

101214

0,30-0

,33

0,33-0

,36

0,36-0

,39

0,39-0

,41

0,41->

0,45

répartition Ceqiiw

02468

101214

0,40-0

,50

0,50-0

,60

0,60-0

,70

0,70-0

,80

0,80->

0,90

0.65*0.83*

*CEV EN 10025-6: ép. <50 mm -0.65%; ép. 50/100 mm -0.77% ; ép.100/150 mm -0.83%

⇒ possibilité d'obtenir des fournitures présentant une bonne soudabilité, mais il existe des fournitures ne présentant pas cette bonne soudabilité

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Procédés de soudage les plus utilisés :- Electrode enrobée basique- sous flux en poudre- soudage MAG avec fil massif- soudage MAG avec fil fourré de poudres métalliques

choix de produits d'apport assez large, bien que moins large que pour les aciers S460

Impératifs particuliers : • choisir des produits d'apport présentant des taux d'H2 très bas (H5), pour minimiser les précautions requises vis à vis du risque de fissuration à froid en ZAT et ZF• prendre garde au risque "d'undermatching", le métal de base ayant souvent un Re nettement supérieur à 690MPa

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Aciers S690 (Q, QL, QL1)Le risque de fissuration à froid en ZAT

variable, selon l'acier utilisé :

Tr 800-500 (s)

Courbes d'implant de deux aciers S690Q et d'un acier S355

ACIER « A »

ACIER « B »

point particulier : les conditions de soudage établies pour un approvisionnement donné ne peuvent être transposées sans vérifications à un autre approvisionnement "équivalent selon norme"

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Le risque de fissuration à froid en ZAT

exemple de conditions de soudage pour une fourniture "moderne" :

Température de préchauffage Conditions depostchauffage

Taux H2 duproduit d'apport(ml/100g m.f.)

Tr 800-500mini(s) e = 10 mm e = 20 mm e = 50 mm si e≥ 20 à 30 mm

<55 à 10 s,

selon produit50° à 100°C,selon produit

100° à 125°C,selon produit

150° à 180°C,selon produit

1h à 2 h150° à 250°C,selon produit

en regard des caractéristiques mécaniques élevées, les températures de préchauffage nécessaires restent relativement limitées

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Le risque de fissuration à froid en Zone FondueS690 - comparaison : répartition des CET pour

le métal de base et le métal d'apport (CET + 0,03% pour le métal d'apport)

02468

101214

0,30-0,33 0,33-0,36 0,36-0,39 0,39-0,41 0,41->0,45

CET MBCET MA + 0,03

La composition chimique de l'apport est souvent "plus chargée" que celle du métal de basepoint particulier : dans ce cas, établir les conditions de soudage en fonction de l'apport (essais TEKKEN par ex.), et choisir un apport à bas taux d'H2

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Aciers S690 (Q, QL, QL1)Caractéristiques mécaniques du joint

Zone Fondue• possibilité de trouver des produits alliant bonnes caractéristiques de traction et bonnes résiliences

• points particuliers :

- risque d'undermatching lors des essais de traction travers (Re du métal de base souvent très supérieure au mini de la norme)

- nécessité de limiter les énergies de soudage et les températures de préchauffage et entre passes pour préserver les caractéristiques de traction de la ZF (cf. diapo suivante)

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Zone Fondue : effet de l'énergie de soudage sur Re et Rm en zone fondue

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

énergie de soudage (kJ / cm)

MPa

Rp0.2

Rm

Caractéristiques mécaniques obtenues sur métal déposé hors dilution avec électrodes de diamètre 4mm , 160 A, 24V, vitesse de soudage variable, température entre passes 120°C.

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Zone Affectée Thermiquement :

possibilité d'obtenir de très bonnes caractéristiques de résilience en ZAT

points particuliers :nécessité de limiter le Tr800-500 pour conserver ces bonnes caractéristiques(Tr800-500 < 15 à 20s)

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Réparation multiples Acier S 690 Q - Evolution des ZAT

1 passe3 passes5 passes

Duretés HV5 %400

350

300

250

200

C 0.19Mn 0.95Cr 0.52Ni 1.27Mo 0.48B 0.002Al 0.09

Ligne de fusion TIGEj: 25 KJ/cmSource: CETIM

0 5 10 15

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Aciers S690 (Q, QL, QL1)Chaudes de retrait

Globalement, ces aciers permettent l'utilisation de chaudes de retrait efficaces

impératif particulier :

il est nécessaire de contrôler et de limiterles températures maximales atteintes :

• chaudes en ligne : Tmax = 800°C

• chaudes triangulaires : Tmax = 600°C - 650°C

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Conclusions

Aciers S460 (M ou Q) :

• très bonne soudabilité : en général, pas de nécessité de préchauffage (dégourdissage éventuel)

• précaution particulière : mettre en œuvre des produits d'apport à bas ou très bas taux d'hydrogène : choix du produit (H5 et mieux), contrôle des approvisionnement, contrôle des conditions de séchage, d'utilisation et de recyclage

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ConclusionsAciers S500 à S690 (Q, QL, QL1) :

• soudabilité très correcte au regard des caractéristiques mécaniques offertes - cependant nécessité d'un préchauffage à des températures de l'ordre de 100°C à 180°C , voire d'un postchauffage pour les nuances à limite d'élasticité les plus élevées, pour les épaisseurs moyennes et fortes• points particuliers: - bien choisir le métal de base : la soudabilité peut varier fortement d'un produit commercial à un autre- bien choisir l'apport : caractéristiques mécaniques adaptées, et surtout taux d'H2 diffusible bas à très bas(H5 ou mieux)

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ConclusionsAciers S500 à S690 (Q, QL, QL1) :

• points particuliers (suite): - bien définir le régime thermique de soudage, en terme de température de pré (post) chauffage, d'énergie de soudage et de température entre passes minimum, mais également en terme d'énergie de soudage et de température entre passes maximum - attention, ceci défini un domaine de soudabilité relativement étroit- nécessité d'une grande rigueur pour veiller au respect scrupuleux des points ci dessus lors de toutes les étapes de la fabrication

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Merci pour votre attention

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