COMPORTEMENT MÉCANIQUE DES SOUDURES SMAW

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3^ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012, http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 59

COMPORTEMENT MÉCANIQUE DES SOUDURES SMAW

Mohamed Farid Benlamnouar¹, Riad Badji¹, Mohamed Hadji²

1 : Centre de Recherche en Soudage et Contrôle (CSC), Cheraga –Alger- Algérie, 2 : Université de Saad Dahleb - Blida, Institut de Mécanique

Résumé :

Ce travail s’inscrit dans le cadre du développement des Techniques de soudage pour gazoduc vis à vis le comportement mécanique et la structure métallurgique du cordon de soudure, Cette première étude concerne l’acier X70, matériau potentiellement utilisé dans le transport des hydrocarbures et de gaz sous forme des tubes avec soudures. Nos essais consistent à exécuter une soudure (SMAW) bout à bout d'un gazoduc, une caractérisation microstructurale de la zone soudée et une réalisation des éprouvettes normalisées prélevées perpendiculairement au sens du soudage et sollicitées en traction uniaxiale, afin de caractériser le comportement du cordon de soudure où les nouveaux propriétés mécaniques dues au soudage sont observables.

Mots clés : X70, Procédé SMAW, ZAT, Essai de traction, Microdureté, Métallographie Nomenclature :

ZAT: La zone affectée thermiquement ZF: La zone fondue

SMAW: Shielded-Metal-Arc-Welding

X70: Matériau à haute limite élastique de 70 Ksi, HSLA: High Strength Low Alloy

DC-RP: Direct Current Reverse Polarity

1 Introduction

Le transport pétrolier dans les conditions de production nécessite l'utilisation de pressions très élevées, et donc l'utilisation d'aciers à haute limite élastique HSLA avec des bonnes soudures. De plus, la sécurité des installations soudées demande une bonne propriété mécanique pour éviter l’éclatement et l’endommagement des pipelines (figure 1).

De nos jours, l’industrie pétrolière porte un grand intérêt à la caractérisation de soudage des pipelines, ce type d’assemblage se distingue particulièrement par des zones d’hétérogénéités, qui reflètent des microstructures et des caractéristiques mécaniques très défères, il est alors nécessaire de les identifier afin de les prendre en compte lors de l’installation du réseau de gazoducs.

Dans ce travail, On présente dans un premier temps les compositions chimiques des matériaux utilisés ainsi les principaux paramètres de procédé de soudage appliquée dans un pipeline en service. Par la suite, On traite la caractérisation par la microscopie optique, avant de conclure, on présente les résultats obtenus et leur interprétation.

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le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012, http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 60 Figure 1 : Éclatement d’un gazoduc 23 Oct.2006 prés de Bekhaitia, à 350 kilomètres à l'ouest d’Alger

2 Procédure de soudage et techniques expérimentales

L’acier utilisé pour les conduites de transport d’hydrocarbure et de gaz, se présente sous la forme d’un tube de 28’’ (711.2mm) et de 11.48 mm d’épaisseur (Tableau 1), il répond au critère de la spécification technique API 5LX de grade X70 [1].

Le matériau de base va être soudé à l’arc électrique en 05 passes avec des électrodes de type : E9010-G nommés (G) et E 9018-D1 nommés (D1) de diamètre de 4mm, de manière permettant d’obtenir des joints avec un maximum d’homogénéité de la structure métallurgique (Tableau 2).

Tableau 1 - Composition chimique du métal de base.

Code Teneur des éléments en % massique

X70 C Mo Cu Ni Cr P Si V S

0.075 0.016 0.162 0.031 0.055 0.016 0.335 0.010 0.0048

Tableau 2 - Composition chimique des métaux d'apport.

Codes Teneur des éléments en % massique

C Si Mn Mo Ni Cr Cu

E9010-G 0.07 0.4 1.5 0.35 0.15 0.15 0.05

E9018-D1 0.06 0.4 1.6 0.4 0.16 0.15 0.04

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3 Mise en œuvre

Le soudage à électrode enrobée (SMAW) est un procédé de soudage à l’arc potentiellement utilisé dans la construction des réseaux des pipelines.

Dans le (SMAW), le métal en fusion de l’électrode est acheminé à travers l’arc et devient le métal fondu de la soudure.

Le tableau suivant donne les principaux paramètres de soudage semi-automatique SMAW sous protection gazeuse où la chaleur nécessaire à la fusion à souder est fournie par un arc électrique qui jaillit entre le fil électrode et les bouts des pipelines.

Tableau 3 - Principaux paramètres de soudage

Nombre

de passe Électrode Préchauffage (°C)

Tension moyenne (V)

Intensité (A)

Vitesse de soudage (mm/min)

Polarité

1 G 170 27 83 42 DC-RP

2 195 25 138 96 DC-RP

3 D1 200 24 144 71 DC-RP

4 D1 197 26 161 71 DC-RP

5 D1 175 23 143 120 DC-RP

Les électrodes sont consommées à différentes vitesses choisies selon le nombre des passes. La source du courant est à caractéristique alterné et la vitesse d’avance du fil est constante pour chaque passe.

4 Caractérisation

L’observation en microscopie optique d’une coupe transversales du cordons de soudure (après attaque de Nital), nous a permis de mettre en évidence ses microstructures (figure 2). La zone fondue (ZF) est totalement trompée avec un taux de martensite plus important ce qui explique une dureté très élevés dans la zone (C), cette zone est obtenue par un refroidissement rapide de la coulé du métal d’apport, ici on peut voir des lamelles dirigées vers la direction de refroidissement. D’autre part, une zone affectée thermiquement (ZAT) est mise en évidence. Celle-ci est assez recristallisée et assez dure, ici le métal a subi une altération métallurgique à cause de l’élévation de température liée au procédé de soudage. La microstructure de la (ZAT) subit une diminution taille de grain quand elle devient proche du métal de base, ce dernier est distingue par une structure ferrito–perlitique moins dure avec un taux de ferrite plus important (Tableau 4).

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Figure 2 : Micrographies montrent:

(A) : Cordon de soudure (x3), (B) : Métal de base dans la zone sélectionnée (x100), (C) : Zone fondue(x100), (D) : ZAT (x100), (E) : ZAT (x500)

Tableau 4 - Mesure de microduretés des échantillons

Échantillon B C D

L’intervalle de la dureté (HV) de 195 à 211 de 220 à 251 de 190 à 240

C

B ^D/E

A

B

D (E)

C

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5 Propriétés mécaniques de joint de soudure

On a considéré des éprouvettes de type plat (P) sans soudure et PS avec soudure [3,4], celles-ci sont des éprouvettes normalisées destiné à l’étude de la rupture dans l'entourage de la zone soudée (figure 3).

Les éprouvettes ont été sollicitées par le déplacement de la traverse d’une machine de traction, à une vitesse de 0.20 mm/mn. Pour (P) et (PS) : Chaque allure représente 3 essais similaires (figure 4).

(P) (PS)

Figure 3 : Géométries des éprouvettes (P) et (PS) utilisées

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(P) (PS)

Figure 4 : Les allures des courbes de traction pour (P) et (PS)

La figure montre bien que les courbes des éprouvettes sans soudure comportent trois parties:

- Une phase initiale linéaire qui reflète le comportement élastique du matériau;

- Puis une partie non linéaire de pente plus faible qui traduit la phase plastique homogène;

- Enfin une décroissance de l’effort au-delà du maximum, qui résulte l’instabilité plastique où la striction apparaît et la rupture de l’éprouvette se produit.

En revanche, Tous les essais de traction sur les éprouvettes (PS) montrent que la rupture se fait en métal de base,

Le comportement des éprouvettes (PS) n'est pas le même, selon les nouveaux états métallurgiques.

- Une chute considérable dans l'élasticité des éprouvettes, avec une augmentation de la résistance mécanique Rm (Figure.4), , où les éprouvettes ont présenté lors du soudage des dilatations et des contractions successives suivant que leur température subit une augmentation ou diminution jusqu’à la température ambiante, donc elles subsistent des déformations permanentes où on rencontre un phénomène du retrait qui varie potentiellement en fonction du coefficient de dilatation de chaque métal et de contrainte imposée sur la dilatation.

- Au refroidissement du cordon il se produirait un retrait thermique du métal dans les trois directions : longueur, en travers et suivant l’épaisseur.

- Au moment du refroidissement, il se produira un retrait du métal coulé et retrait de l’assemblage par suite du fait que ce dernier subit un échauffement inégal.

- Il se produira des déformations plastiques importantes dans la direction du cordon par suite de la présence de zones froides et résistantes avoisinant les parties fortement échauffées.

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- Transversalement au cordon, la contraction proprement dite du joint soudé est importante en dehors du joint soudé est faible mais la contraction proprement dite du joint soudé est importante et influence fortement la contraction transversale de l’ensemble en raison de la liaison moléculaire entre le métal coulé et les parois du chanfrein [5].

6 CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Le travail présenté dans cette étude constitue une contribution de compréhension du procédé de soudage (SMAW). On a commencé nos essais par des paramètres opératoires appliqués au terrain pour bien viser les problématiques rencontrées.

La méthodologie d’analyse du comportement du cordons de soudure présenté ici a permis de mette en évidence l’intérêt des mesures de la microdurté et les résultats obtenue par des essai mécaniques de traction sur des éprouvettes soudées, où la soudure va modifier leurs propriétés mécaniques par rapport des éprouvettes non soudées, Cependant, il serait intéressant d’utiliser des techniques avenacées pour mesurer et caractériser les différentes zones de la soudure trouvées ici, ces nouvelles zones qui vont modifie l’élasticité et la métallurgie de structure, auront besoin du protocole des traitements thermiques de relaxation pour améliorer leur comportement mécanique.

Références

[1] B. MAAMACHE, A. Brahimi, "Effet des cycles thermiques du soudage sur le comportement microstructural et mécanique de la Z.A.T. dans une soudure en acier H.S.L.A. X52", colloque des Matériaux ,13-17 Novembre 2006 – Dijon, France.

[2] Michael D. Gram, B.S, " Fine blanking of High Strength Steels: Control of Material Properties for Tool Life", the Ohio State University; 2010.

[3] ASME, "Qualification standard for welding and brazing” Boiler and Pressure Vessel Committee on Welding and Brazing", the American Society of Mechanical Engineers, July 1, 2010.

[4] ASTM, ‘‘Specification for Carbon Structural Steel’’, American Society for Testing and Materials;

2005.

[5] R.BAUS, W.CHAPEUX, "Application du soudage aux constructions", 1973.