Leçons de niveau 15

Métallurgie générale/Exercices/Composition et structure d'un cordon de soudure

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Composition et structure d'un cordon de soudure
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Exercices no1
Leçon : Métallurgie générale
Chapitre du cours : Les aciers I - théorie

Exercices de niveau 15.

Exo préc. :Sommaire
Exo suiv. :Évaluation en métallurgie
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Métallurgie générale/Exercices/Composition et structure d'un cordon de soudure
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Cet exercice est tiré de l'épreuve U52 « Dossier bureau des méthodes » du BTS Réalisation d'ouvrages chaudronnés, session de 2009 (domaine public).

Présentation du problème[modifier | modifier le wikicode]

Le soudage consiste à assembler deux pièces métalliques par fusion. On fait fondre un métal d'apport ainsi qu'une partie des pièces à assembler ; il ne faut pas confondre le soudage avec le brasage pour lequel seul le métal d'apport fond. Dans le cas des aciers inoxydables, on a souvent un phénomène de fissuration à chaud dû à la ségrégation d'éléments lors de la solidification, qui abaisse localement le point de fusion (eutexie).

La composition chimique du cordon de soudure dépend bien évidemment des compositions chimiques des métaux d'apport et des pièces, ainsi que de la proportion de chacun des métaux. La structure cristalline et la forme des cristaux dans le cordon de soudure dépend des conditions de refroidissement, d'un traitement thermique subséquent éventuel (traitement thermique après soudage), et de la composition chimique du cordon. Cela peut s'évaluer avec le diagramme de Schaeffler.

Dans le cas présent, on soude deux pièces en acier :

  • la pièce 1 est en acier X2CrNiMo 17-12-2 (acier inoxydable, désignation américaine : 316L) ;
  • la pièce 2 est en acier S235 J0 (acier de construction, sans élément d'alliage).

On désire choisir le meilleur métal d'apport parmi trois nuances nommées par le fournisseur SG10, SG11 et SG12 : le point correspondant au cordon de soudure doit se trouver dans une zone « idéale » du diagramme de Schaeffler afin de limiter les risques de fissuration.

Taux de dilution[modifier | modifier le wikicode]

Planimétrie du cordon de soudure

Le cordon de soudure est composé d'un mélange d'acier 1 à une teneur t1, d'acier 2 à une teneur t2 et de métal d'apport à une teneur ta. Pour déterminer ces teneurs, on effectue une macrographie ci-contre :

  • on effectue la soudure sur des pièces de test ;
  • on coupe l'assemblage selon une section perpendiculaire au cordon de soudure ;
  • on polit la section droite puis on l'attaque avec des acides.

L'attaque acide creuse certaines zones et fait ressortir le cordon de soudure ; il est représenté ci-contre en gris, les traits. On superpose un quadrillage pour permettre l'évaluation des aires (planimétrie).

  1. Déterminer les aires S1 de la portion de la pièce 1 fondue, S2 de la portion de la pièce 2 fondue, et S du cordon de soudure. En déduire l'aire Sa correspondant à la quantité de métal d'apport. Un carré partiellement gris est compté en entier.
  2. En déduire t1, t2 et ta.
  3. On appelle « taux de dilution » T le rapport entre les métaux de base fondus et la totalité des métaux fondus. Que vaut T ?

Choix du métal d'apport[modifier | modifier le wikicode]

Les fiches des fournisseurs des métaux donnent les compositions suivantes.

Pièce 1 : X2CrNiMo 17-12-2
%C %Si %Mn %P %S %Cr %Ni %Mo %N
0,021 0,40 1,07 0,036 0,002 16,6 10,2 2,06 0,022
Pièce 2 : S235 J0
%C %Si %Mn %P %S %Al
0,08 0,14 0,395 0,009 0,008 0,046
Métal d'apport SG11
%C %Mn %Si %S %P %Cr %Ni %Mo
≤ 0,030 1,0-2,5 0,6-1,0 ≤ 0,020 ≤ 0,030 19,5-21,5 9,0-11,0 ≤ 0,50
Métal d'apport SG10
%C %Mn %Si %S %P %Cr %Ni %Mo
≤ 0,030 1,0-2,5 0,6-1,0 ≤ 0,020 ≤ 0,030 18,0-20,0 11,0-14,0 2,0-3,0
Métal d'apport SG12
%C %Mn %Si %S %P %Cr %Ni %Mo Cu
≤ 0,030 1,0-2,5 0,6-1,0 ≤ 0,020 ≤ 0,030 23,0-25,0 12,0-14,0 ≤ 0,050 ≤ 0,050
Diagramme de Schaeffler
  1. En utilisant la formule donnée dans le cours, déterminer le chrome et le nickel équivalent pour chaque nuance. Pour les métaux d'apport, on indiquera les valeurs minimales et maximales.
  2. Pour le métal d'apport SG11, déterminer la composition du cordon de soudure et placer le point correspondant sur le diagramme de Schaeffler (comme on a des valeurs minimales et maximales, on placera un rectangle).
  3. Idem pour le métal d'apport SG10.
  4. Idem pour le métal d'apport SG12.
  5. Dans l'idéal, le point représentant cordon de soudure doit être dans la zone bleue clair (cela permet de minimiser le risque de défauts de soudure). Quel est le métal d'apport le mieux adapté ?

Procédure de détermination[modifier | modifier le wikicode]

Le diagramme de Schaeffler est utilisé par des personnes qui sont parfois mal à l'aise avec les mathématiques, et en particulier avec la notion de barycentre. On a donc créé une procédure permettant de déterminer graphiquement le point du diagramme correspondant au cordon de soudure. Nous ne travaillerons ici qu'avec le métal d'apport SG11. Nous repartons donc avec les taux de dilution déterminés au début, en ignorant les résultats de la section précédente.

On commence par déterminer un métal de base équivalent, c'est-à-dire que l’on fait comme si les deux pièces étaient faites du même métal, la composition de celui-ci étant déterminée par t1 et t2.

  1. Sur le diagramme de Schaeffler, placer les points B1 et B2 correspondant aux métaux de base, et le point A correspondant au métal d'apport. On considèrera ici les teneurs maximales pour SG12.
  2. Construire le point B correspondant au métal de base équivalent.
  3. Construire le point S correspondant au cordon de soudure.
  4. Proposer une méthode permettant de diminuer l'erreur sur le tracé de S.

Solution[modifier | modifier le wikicode]

Intérêt didactique[modifier | modifier le wikicode]

Cet exercice permet de voir la manière dont on met en œuvre le diagramme de Schaeffler. L'estimation des surfaces par planimétrie peut donner des variations de quelques % sur les valeurs, selon la manière dont sont compter les carrés à peine recouverts, ce qui ne modifie pas de manière sensible le résultat.

La dernière partie permet de sensibiliser à la notion de transmission de savoir-faire vers des personnes ne possédant pas à première vue le bagage théorique nécessaire. Il permet de montrer comment des règles simples de géométrie permettent de définir une méthode graphique. On pourra faire remarquer que la précision choisie sur les teneurs, ± 0,1 %, correspond à la plus faible précision des données et est cohérente avec l'échelle du diagramme.

Dans le cadre d'un enseignement technologique, on pourra se contenter de présenter la méthode graphique sans évoquer la notion de barycentre, les apprenants n'ayant qu’à appliquer la procédure.