Après l’étape de création de chaleur, le noyau fondu subit un refroidissement très rapide. L’évacuation de la chaleur se faisant à la fois dans les tôles en périphérie du point soudé, et dans les électrodes refroidies par circulation d’eau.
1.2.1 Structure générale d’un point soudé
La structure de refroidissement d’un point soudé peut être influencée par des cycles thermiques de soudages incluant des temps de recuit, ou post-traitements, qui peuvent affiner les tailles finales des grains. Toutefois, le cycle thermique subit par le matériau entre les électrodes reste mal contrôlé et n’est pas aussi optimisé que les cycles thermiques d’obtention des matériaux de base. Il en résulte une structure générale des points soudés constituée d’une Zone Affectée Thermiquement (Z.A.T.) et d’un noyau, comme illustré en figure 1.4.
FIGURE 1.4 – Structure schématisée d’un point soudé pour lequel le refroidissement fut plus rapide à travers les electrodes qu’à travers le métal de base [Zhang 06].
Le noyau fondu se solidifie en premier lieu en sa périphérie par germination d’une phase solide puis cristallisation en grains allongés (dendrites) dans la direction normale au front de solidification. Une zone partiellement fondue est généralement observée en frontière du noyau et de la ZAT. La cristallisation du noyau s’achève en son centre où les derniers liquides solidifiés forment des grains équiaxes. Les principaux défauts de solidification tels que des retassures sont susceptibles d’apparaître proche du dernier liquide solidifié (figure 1.4).
1.2.2 Microstructures d’un point soudé
Les microstructures observées sur un point soudé résultent d’une cinétique complexe de transformations de phases sous des conditions de chauffe et de refroidissement rapides. C’est pourquoi une caractérisation microstructurale après soudage n’informe que partiellement sur le cycle thermique effectivement subit par le matériau. Les trois grandeurs essentielles conditionnant la microstructure finale dans un point soudé sont :
– la température maximale atteinte localement, – la vitesse de refroidissement,
Température maximale atteinte Les vitesses de chauffage et de refroidissement lors du soudage limitent l’utilisation du diagramme de phase dans la prévision des microstructures finales, il est néanmoins utilisé afin d’interpréter de façon approchée les différentes zones du point soudé. Zhang et Senkara [Zhang 06], se basent sur le diagramme fer-carbone afin d’approcher un lien entre la température maximale atteinte durant le soudage
Tmaxet les différentes microstructures observées après soudage (figure 1.5).
FIGURE1.5 – Température maximale atteinte lors du soudage en fonction de la position dans le point soudé formé, et relation avec le diagramme de phases à l’équilibre [Zhang 06].
Ils classent les différentes zones de la façon suivante :
Zone Abr. Témpérature Commentaire
Zone fondue ZF Tf us< Tmax La température maximale Tmaxa excédé
la température de fusion Tf us
ZAT à gros grains ZATGG Ac3<< Tmax< Tf us L’austénitisation a été complète
et la croissance des grainsγ s’est produite.
ZAT à grains fins ZATGF Ac3< Tmax<< Tf us L’austénitisation s’est produite mais
Tmaxn’a pas entraîné la croissance des grainsγ
Zone intercritique ZIC Ac1< Tmax< Ac3 Austénitisation partielle.
TABLEI.1 – Les zones de solidification et température maximale atteinte associées [Zhang 06].
Vitesse de refroidissement C’est le second paramètre influant fondamentalement la microstructure finale
d’un point soudé. Cette grandeur varie selon la position dans le point soudé, et est de l’ordre de plusieurs centaines de degrés par seconde. L’utilisation de thermocouples judicieusement placés permet d’estimer ces variations, mais peut interférer avec le procédé.
Solidification La vitesse de refroidissement conditionne tout d’abord la formation de grains d’austénite à
partir du métal fondu liquide. La théorie de la surfusion par Rutter et Chalmers [Rutter 53] permet la prédiction du mode de solidification d’un alliage à l’interface Solide/Liquide, avec une diffusion limitée dans le liquide et nulle dans le solide. Cette théorie s’appuie sur le diagramme de phase de l’alliage et prévoit que dans le cas
où du liquide à l’interface Solide/Liquide se trouve à une température inférieure au liquidus, ce liquide est en situation de surfusion. Dans le cas de surfusion, le critère de Chalmers permet la prédiction de la morphologie du front solide/liquide : front plan ou dendritique.
Dans le cas du soudage d’un acier Dual Phase à 0,12% massique de carbone, Rossilon [Rossillon 07] vérifie le critère de Chalmers et conclue que le refroidissement engendre la formation de dendrites, ce qui est cohérent avec les observations des structures de refroidissement des points soudés.
Transformation de phase Pour un alliage de composition donnée, un diagramme TRC permet la prévision
de la microstructure obtenue par refroidissement continu depuis la phase austénite en fonction de la vitesse de refroidissement. Dans le cas du cas du soudage, des mouvements complexes de liquide dans le noyau se produisent lors d’un cycle, et généralement plusieurs cycles de soudages le suivent. La redistribution des solutés aux changements de phases est de cette façon très difficilement quantifiable, et la composition locale des matériaux en transformation est mal connue.
Les vitesses de refroidissement dans le noyau sont de l’ordre du millier de degrés par seconde pour des tôles de 2 mm, très supérieures à celles nécessaires à la formation de la martensite (de l’ordre de 100 degrés/s) dans le noyau et la ZAT. Ces vitesses de refroidissement très élevées empêchent la diffusion du carbone, et les lattes de martensites ainsi formées sont susceptibles de contenir des films d’austénite retenue, qui seraient situés entre les lattes ou les paquets de lattes. De la bainite inférieure pourrait également être retrouvée dans le noyau [Kou 02].