Les fissures de soudage sont classées selon leur nature en fissures à chaud, fissures de réchauffage, fissures à froid, déchirures lamellaires, etc. Ce qui suit est une explication détaillée des causes, des caractéristiques et des méthodes de prévention de diverses fissures.
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fissures chaudes
Cela se produit à des températures élevées pendant le soudage, c'est pourquoi on parle de fissure à chaud. Il se caractérise par des fissures le long de la limite du grain d'austénite d'origine. Selon les matériaux du métal soudé (acier faiblement allié à haute résistance, acier inoxydable, fonte, alliage d'aluminium et certains métaux spéciaux, etc.), la forme, la plage de température et les principales raisons des fissures à chaud sont également différentes. Actuellement, les fissures thermiques sont divisées en trois catégories : les fissures cristallines, les fissures de liquéfaction et les fissures polylatérales.
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(1) Fissures du cristal
Il se produit principalement dans les soudures d'acier au carbone et d'acier faiblement allié contenant plus d'impuretés (contenant beaucoup de S, P, C, Si) et d'acier austénitique monophasé, d'alliages à base de nickel et de certaines soudures d'alliages d'aluminium. Ce type de fissure se produit lors du processus de cristallisation du soudage, à proximité de la ligne solidus. En raison du retrait du métal solidifié, le métal liquide résiduel est insuffisant et ne peut être comblé à temps. La fissuration intergranulaire se produit sous l'action d'une contrainte.
Les mesures de prévention et de contrôle sont les suivantes : en termes de facteurs métallurgiques, ajuster de manière appropriée la composition du métal fondu, raccourcir la plage de température fragile, contrôler la teneur en impuretés nocives telles que le soufre, le phosphore et le carbone dans la soudure ; affiner les grains primaires du métal fondu, c'est-à-dire ajouter de manière appropriée Mo, V, Ti, Nb et d'autres éléments ; en termes de technologie, cela peut être évité en préchauffant avant le soudage, en contrôlant l'énergie de la ligne, en réduisant la contrainte des articulations, etc.
(2) Fissures de liquéfaction près de la zone de couture
Il s'agit d'une sorte de microfissure qui se fissure le long de la limite des grains d'austénite. Sa taille est très petite et se produit dans la ZAT près de la zone de jointure ou entre les couches. Sa formation est généralement due au fait que le métal dans la zone proche du joint ou le métal entre les cordons de soudure lors du soudage provoque la refusion à haute température de la composition eutectique à bas point de fusion sur les joints de grains d'austénite dans ces zones. Sous l'action d'une contrainte de traction, la composition eutectique à bas point de fusion Les fissures intergranulaires d'austénite forment des fissures de liquéfaction.
Les mesures de prévention et de contrôle pour ce type de fissures sont fondamentalement les mêmes que celles pour les fissures cristallines. En particulier en métallurgie, il est très efficace de réduire autant que possible la teneur en éléments eutectiques à bas point de fusion tels que le soufre, le phosphore, le silicium et le bore ; en termes de technologie, cela peut réduire l'énergie de la ligne et réduire la concavité de la ligne de fusion dans le bain de fusion.
(3) Fissures polygonales
Cela est dû à la faible plasticité à haute température lors de la formation des polygones. Ce type de fissure n'est pas courant et ses mesures de prévention et de contrôle peuvent inclure l'ajout d'éléments tels que Mo, W, Ti, etc. à la soudure pour augmenter l'énergie d'excitation polylatérale.
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réchauffer le crack
Cela se produit généralement dans certains types d'acier et alliages à haute température contenant des éléments renforçant les précipitations (y compris les aciers à haute résistance faiblement alliés, les aciers perlitiques résistant à la chaleur, les alliages à haute température renforcés par les précipitations et certains aciers inoxydables austénitiques). Aucune fissure n'a été trouvée après le soudage. Au lieu de cela, des fissures se sont produites pendant le processus de traitement thermique. Des fissures de réchauffage se produisent dans les parties surchauffées à gros grains de la zone affectée thermiquement par le soudage, et leur direction est de s'étendre le long des limites des grains d'austénite à gros grains de la ligne de fusion.
En termes de choix de matériaux pour éviter les fissures de réchauffage, de l'acier à grains fins peut être utilisé. En termes de technologie, utilisez une énergie linéaire plus petite, utilisez une température de préchauffage plus élevée et des mesures de chauffage ultérieures, et utilisez des matériaux de soudage peu adaptés pour éviter la concentration de contraintes.
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fissure froide
Cela se produit principalement dans la zone affectée par la chaleur de soudage des aciers à haute et moyenne teneur en carbone, des aciers faiblement et moyennement alliés, mais parfois des fissures à froid se produisent également dans les soudures de certains métaux, tels que certains aciers à ultra haute résistance, le titane et les alliages de titane. En général, la tendance au durcissement du type d'acier, la teneur en hydrogène et la répartition du joint soudé, ainsi que l'état de contrainte de retenue du joint sont les trois principaux facteurs qui provoquent des fissures à froid lors du soudage de l'acier à haute résistance. Sous l'action de l'élément hydrogène et des contraintes de traction, la structure martensite formée après soudage forme des fissures à froid. Sa formation est généralement transgranulaire ou intergranulaire. Les fissures à froid sont généralement divisées en fissures de pointe de soudure, fissures de cordon de soudure et fissures de racine.
La prévention et le contrôle des fissures à froid peuvent commencer par trois aspects : la composition chimique de la pièce, le choix des matériaux de soudage et les mesures de processus. Des matériaux avec des équivalents carbone plus faibles doivent être utilisés autant que possible ; des électrodes à faible teneur en hydrogène doivent être utilisées comme matériaux de soudage et des électrodes à faible résistance doivent être utilisées pour les soudures. Les matériaux de soudage austénitiques peuvent également être utilisés pour les matériaux ayant une forte tendance à la fissuration à froid ; l'énergie linéaire, le préchauffage et le post-chauffage doivent être raisonnablement contrôlés. Le traitement thermique est une mesure de procédé visant à empêcher la fissuration à froid.
Dans la production de soudage, en raison des différents types d'acier et matériaux de soudage utilisés, du type et de la rigidité de la structure ainsi que des conditions de construction spécifiques, diverses formes de fissures à froid peuvent apparaître. Cependant, la fissuration retardée est principalement rencontrée en production.
La fissuration retardée se présente sous trois formes :
(1) Fissure au pied de la soudure : ce type de fissure provient de l'interface entre le métal de base et la soudure et présente des emplacements de concentration de contraintes évidents. La direction de la fissure est souvent parallèle au cordon de soudure et commence généralement à partir de la surface du pied de soudure et s'étend jusqu'à la profondeur du métal de base.
(2) Fissures sous le cordon de soudure - Ce type de fissure se produit souvent dans la zone affectée par la chaleur du soudage avec une forte tendance au durcissement et une teneur élevée en hydrogène. Généralement, la direction de la fissure est parallèle à la ligne de fusion.
(3) Fissure de racine - ce type de fissure est une forme courante de fissure retardée, qui se produit principalement lorsque la teneur en hydrogène est élevée et que la température de préchauffage est insuffisante. Ce type de fissure est similaire à une fissure au pied de soudure et provient de la racine de la soudure, là où la concentration de contraintes est la plus élevée. Des fissures à la racine peuvent apparaître dans le segment à gros grains de la zone affectée thermiquement ou dans le métal fondu.
La tendance au durcissement du type d'acier, la teneur en hydrogène et la répartition du joint soudé, ainsi que l'état de contrainte de retenue du joint sont les trois principaux facteurs qui provoquent des fissures à froid lors du soudage de l'acier à haute résistance. Ces trois facteurs sont interdépendants et se renforcent mutuellement dans certaines conditions.
La tendance au durcissement des types d’acier est principalement déterminée par la composition chimique, l’épaisseur des tôles, le procédé de soudage et les conditions de refroidissement. Lors du soudage, plus la tendance au durcissement du type d'acier est grande, plus il est facile de produire des fissures. Pourquoi l’acier se fissure-t-il une fois durci ? Elle peut être résumée sous les deux aspects suivants :
(1) Formation d'une structure martensitique fragile et dure - la martensite est une solution solide sursaturée de carbone dans du fer ɑ. Les atomes de carbone existent sous forme d'atomes interstitiels dans le réseau cristallin, ce qui entraîne une déviation des atomes de fer par rapport à la position d'équilibre et des modifications du réseau cristallin. Une distorsion importante provoque le durcissement du tissu. En particulier dans les conditions de soudage, la température de chauffage dans la zone proche du joint est très élevée, ce qui entraîne une croissance importante des grains d'austénite. Lorsqu'elle est refroidie rapidement, l'austénite grossière se transforme en martensite grossière. La théorie de la résistance des métaux montre que la martensite est une structure fragile et dure, qui consomme moins d'énergie en cas de fracture. Par conséquent, lorsque de la martensite existe dans le joint soudé, des fissures se forment et se dilatent facilement.
(2) Le durcissement formera davantage de défauts de réseau – le métal formera un grand nombre de défauts de réseau dans des conditions de déséquilibre thermique. Ces défauts de réseau sont principalement des lacunes et des dislocations. À mesure que la contrainte thermique dans la zone affectée par la chaleur du soudage augmente, les lacunes et les dislocations se déplaceront et se rassembleront dans des conditions de contrainte et de déséquilibre thermique. Lorsque leur concentration atteint une certaine valeur critique, des sources de fissures se forment. Sous l’action continue des contraintes, des fissures macroscopiques continueront à s’étendre et à se former.
L'hydrogène est l'un des facteurs importants provoquant des fissures à froid lors du soudage des aciers à haute résistance et il présente des caractéristiques retardées. Par conséquent, les fissures retardées provoquées par l'hydrogène sont appelées « fissuration induite par l'hydrogène » dans de nombreux documents. Des études expérimentales ont prouvé que plus la teneur en hydrogène des joints soudés en acier à haute résistance est élevée, plus la sensibilité aux fissures est grande. Lorsque la teneur en hydrogène dans une zone locale atteint une certaine valeur critique, des fissures commencent à apparaître. Cette valeur est appelée valeur critique pour la génération de fissures. Teneur en hydrogène [H]cr.
La valeur [H]cr de la fissuration à froid dans divers aciers est différente et est liée à la composition chimique, à la résistance de l'acier, à la température de préchauffage et aux conditions de refroidissement de l'acier.
(1) Pendant le soudage, l'humidité dans le matériau de soudage, la rouille, les taches d'huile au niveau de la rainure de la soudure et l'humidité ambiante sont toutes des causes de soudures riches en hydrogène. Dans des circonstances normales, la quantité d'hydrogène dans le métal de base et le fil de soudage est très faible, mais l'humidité du revêtement de l'électrode et l'humidité de l'air ne peuvent être ignorées, devenant ainsi la principale source d'hydrogénation.
(2) Les capacités de dissolution et de diffusion de l'hydrogène dans différentes structures métalliques sont différentes. La solubilité de l'hydrogène dans l'austénite est bien supérieure à celle de la ferrite. Ainsi, lors du passage de l'austénite à la ferrite lors du soudage, la solubilité de l'hydrogène diminue brusquement. Dans le même temps, le taux de diffusion de l’hydrogène est tout le contraire, augmentant soudainement lors de la transformation de l’austénite en ferrite.
Sous l'action de la température élevée pendant le soudage, une grande quantité d'hydrogène sera dissoute dans le bain de fusion. Au cours du processus de refroidissement et de solidification ultérieur, en raison de la forte diminution de la solubilité, l'hydrogène s'échappera autant que possible, mais en raison du refroidissement rapide, l'hydrogène n'aura pas le temps de s'échapper. Reste dans le métal fondu pour former de l’hydrogène diffus.
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Déchirure lamellaire
Il s’agit d’une fissuration interne à basse température. Elle est limitée à la zone affectée par la chaleur du métal de base ou des soudures des plaques épaisses et se produit principalement dans les joints de type « L », « T » et « + ». Elle est définie comme une fissure à froid en forme de marche qui se produit dans le matériau de base car la plasticité de la tôle d'acier épaisse laminée dans le sens de l'épaisseur n'est pas suffisante pour résister à la contrainte de retrait de soudage dans cette direction. Généralement, cela est dû au fait que pendant le processus de laminage de tôles d'acier épaisses, certaines inclusions non métalliques dans l'acier sont laminées en inclusions en forme de bande parallèles à la direction de laminage. Ces inclusions provoquent une conductivité anisotrope dans les propriétés mécaniques de la tôle d'acier. Pour éviter la déchirure des lamelles, vous pouvez utiliser de l'acier raffiné dans la sélection des matériaux, c'est-à-dire utiliser des plaques d'acier offrant des performances élevées dans la direction z. Vous pouvez également améliorer la conception du joint pour éviter les soudures sur un seul côté ou réaliser des rainures sur le côté qui supporte la contrainte dans la direction z.
La déchirure lamellaire est différente de la fissuration à froid. Son apparition n'a rien à voir avec le niveau de résistance du type d'acier, mais est principalement liée à la quantité d'inclusion et à la forme de répartition dans l'acier. Généralement, des déchirures lamellaires peuvent se produire dans les tôles d'acier épaisses laminées, telles que l'acier à faible teneur en carbone, l'acier à haute résistance faiblement allié et même les tôles en alliage d'aluminium. Les déchirures lamellaires peuvent être grossièrement divisées en trois catégories selon leur localisation :
Le premier type est la déchirure lamellaire induite par des fissures froides dans le pied de soudure ou la racine de la soudure dans la zone affectée par la chaleur du soudage.
Le deuxième type est la fissuration par inclusion le long de la zone affectée par la chaleur du soudage, qui constitue la déchirure lamellaire la plus courante en ingénierie.
Le troisième type de fissuration des inclusions dans le métal de base, loin de la zone affectée thermiquement, se produit généralement dans des structures en plaques épaisses comportant davantage d'inclusions en flocons de MnS.
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La forme de déchirure lamellaire est étroitement liée au type, à la forme, à la distribution et à l'emplacement des inclusions. Lorsque les inclusions feuilletées de MnS sont dominantes dans la direction du roulement, la déchirure lamellaire a une forme claire en gradins, lorsqu'elle est dominée par des inclusions de silicate, elle est linéaire et lorsqu'elle est dominée par des inclusions d'Al, elle est irrégulière. Fait un pas.
Lors du soudage de structures de plaques épaisses, en particulier de joints en forme de T et d'angle, sous des contraintes rigides, le retrait de la soudure produira une contrainte de traction et une déformation importantes dans le sens de l'épaisseur du métal de base. Lorsque la déformation dépasse la plasticité du métal de base, lorsque la capacité de déformation se produit, les inclusions et la matrice métallique se séparent et des microfissures se produisent. Sous l'action continue de la contrainte, les pointes de fissures se dilateront le long du plan où se trouvent les inclusions, formant ce qu'on appelle une « plate-forme ».
De nombreux facteurs affectent les déchirures lamellaires, notamment les aspects suivants :
(1) Le type, la quantité et la forme de répartition des inclusions non métalliques sont la cause essentielle de la déchirure lamellaire. C'est la raison fondamentale de l'anisotropie et des propriétés mécaniques de l'acier.
(2) Contrainte de retenue dans la direction Z
Les structures soudées à parois épaisses supportent différentes contraintes de retenue dans la direction Z, contraintes résiduelles après soudage et charges pendant le processus de soudage, qui sont les conditions mécaniques qui provoquent la déchirure lamellaire.
(3) Influence de l'hydrogène
Il est généralement admis que l’hydrogène est un facteur d’influence important dans la déchirure lamellaire induite par la fissuration à froid à proximité de la zone affectée thermiquement.
Étant donné que l’arrachement lamellaire a un impact important et que les risques sont très graves, il est nécessaire de juger de la sensibilité de l’acier à l’arrachement lamellaire avant la construction.
Les méthodes d'évaluation couramment utilisées incluent le retrait de la zone de traction dans la direction Z et la méthode de contrainte critique dans la direction Z des broches. Afin d'éviter la déchirure des lamelles, le retrait de la surface ne doit pas être inférieur à 15 %. Généralement, on s'attend à ce qu'il soit de 15 à 20 %. A 25%, la résistance à la déchirure lamellaire est considérée comme excellente.
Pour éviter la déchirure lamellaire, des mesures doivent être prises principalement sous les aspects suivants :
(1) Acier raffiné
La méthode de désulfuration précoce du fer fondu et de dégazage sous vide peut être largement utilisée pour fondre de l'acier à très faible teneur en soufre avec une teneur en soufre de seulement 0.003~0,005 %, et son retrait de section (Z direction) peut atteindre 23 ~ 25%.
(2) Contrôler la forme des inclusions de sulfures
Il transforme le MnS en sulfures d'autres éléments, ce qui rend difficile son allongement lors du laminage à chaud, réduisant ainsi l'anisotropie. Les éléments additifs actuellement largement utilisés sont le calcium et les terres rares. L'acier traité comme ci-dessus peut produire des plaques d'acier lamellaires résistantes à la déchirure avec un retrait de zone dans la direction Z de 50 à 70 %.
(3) Du point de vue de la prévention de la déchirure lamellaire, le processus de conception et de construction vise principalement à éviter les contraintes dans la direction Z et la concentration des contraintes. Les mesures spécifiques sont les suivantes :
1) Les soudures unilatérales doivent être évitées autant que possible. L’utilisation de soudures bilatérales peut atténuer l’état de contrainte dans la zone racine de la soudure et empêcher la concentration des contraintes.
2) Utilisez des soudures d'angle symétriques avec une petite quantité de soudure au lieu de soudures à pénétration totale avec une grande quantité de soudure pour éviter des contraintes excessives.
3) Un biseau doit être réalisé sur le côté qui supporte la contrainte dans la direction Z.
4) Pour les joints en forme de T, une couche de matériau de soudage à faible résistance peut être pré-soudée sur la plaque horizontale pour éviter les fissures des racines de soudage et également alléger la contrainte de soudage.
5) Afin d'éviter la déchirure lamellaire causée par la fissuration à froid, certaines mesures visant à prévenir la fissuration à froid doivent être adoptées autant que possible, telles que la réduction de la quantité d'hydrogène, l'augmentation appropriée du préchauffage, le contrôle de la température intercouche, etc.
