Mât tubulaire en S355J2 : apport de chaleur, préchauffage et dureté dans la ZAT
Une entreprise fabrique un mât tubulaire en S355J2, diamètre 610 mm, épaisseur 20 mm, en trois tronçons assemblés bout à bout par soudure pleine pénétration. Le WPS prévoit un chanfrein en V à 60°, un MAG 135 en position PA, un gaz Ar/CO2 82/18 et une plage d'apport de chaleur de 0,8 à 2,0 kJ/mm. Le soudeur travaille à U = 26 V, I = 280 A et une vitesse d'avance de 300 mm/min, sans préchauffage. L'atelier est à 12 °C avec 70 % d'hygrométrie. Après soudure, le contrôleur relève 380 HV10 dans la ZAT du cordon de racine alors que le cahier des charges limite à 350 HV10. Le tronçon a été soudé en 12 passes. Le client exige un mode opératoire qualifié selon ISO 15614-1, un contrôle volumique à 100 % et une mesure de dureté selon ISO 6507-1. La livraison est dans 10 jours et deux tronçons sont déjà soudés.
1. Calculez l'apport de chaleur, expliquez la dureté de 380 HV10 et proposez des actions correctives chiffrées.
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Apport de chaleur. Q = 60 × U × I / (1000 × v) = 60 × 26 × 280 / (1000 × 300) = 436 800 / 300 000 = 1,46 kJ/mm (soit environ 1,17 kJ/mm avec le rendement k = 0,8 du MAG). La valeur est dans la plage du WPS, mais dans le tiers inférieur.
Explication de la dureté. Sur 20 mm de S355J2 (CEV voisin de 0,45), sans préchauffage à 12 °C, le refroidissement de la passe de racine est très rapide : la section est faible à cet endroit, la chaleur est évacuée par la masse. On obtient une structure trempée (bainite/martensite) dans la ZAT, aggravée par l'hydrogène (70 % d'hygrométrie, fil et gaz non contrôlés). Le critère 350 HV10 traduit justement la recherche d'une structure non fragile.
Actions. Préchauffage de 100 à 150 °C, à confirmer par la méthode EN 1011-2 à partir du CEV du certificat 3.1 ; augmentation de l'apport en abaissant la vitesse à 240 mm/min (Q = 1,82 kJ/mm, soit 1,46 avec k) ; séchage et contrôle du fil, débit de gaz 12 à 15 L/min, absence de courant d'air ; température entre passes ≤ 250 °C ; nouvelle mesure de dureté après reprise. Le WPS doit être révisé et requalifié, car la plage « préchauffage 0 °C » n'aurait pas dû couvrir cette configuration.
2. Proposez une préparation et une séquence de soudage limitant la déformation angulaire, en justifiant.
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Le problème. Un chanfrein en V à 60° sur 20 mm impose 12 passes toutes déposées du même côté : le retrait transversal et longitudinal est asymétrique par rapport à l'axe de la tôle, la soudure « ferme » en V et le tronçon prend une flexion angulaire.
Préparation. Passer en chanfrein en K (double V symétrique), 60° au total de chaque côté, talon de 2 à 3 mm, jeu de racine 2 mm. On divise environ par deux le volume de métal déposé, donc le retrait et le temps de soudage.
Séquence. Souder d'abord environ un tiers de l'épaisseur côté 1, gouger et contrôler la racine, puis remplir côté 2, et terminer alternativement de part et d'autre : les retraits des deux côtés se compensent. Compléter par des points de maintien tous les 300 mm, un gabarit de maintien, et un contrôle de l'ovalisation au gabarit avant et après soudage.
Contrepartie à annoncer. Le K impose de retourner le tronçon (manutention, 610 mm et 20 mm, plusieurs centaines de kilos) et une gouge de racine : c'est un coût à intégrer au devis, mais il est inférieur au coût de reprise d'un tronçon déformé hors tolérance.
3. Définissez le programme de contrôle et de réparation des deux tronçons déjà soudés.
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Contrôles. Contrôle visuel 100 % puis ressuage ou magnétoscopie de la racine et de la passe finale ; contrôle volumique à 100 % par ultrasons (épaisseur 20 mm, UT plus adapté que la RT) selon l'ISO 17640, acceptation ISO 5817 niveau B ; cartographie de dureté HV10 selon ISO 6507-1 (métal fondu, ZAT, métal de base, à 1 à 2 mm de la surface) sur au moins 3 génératrices.
Point clé : le délai. Sur un acier de cette épaisseur, les fissures de l'hydrogène apparaissent souvent après 24 à 48 h. Le contrôle final doit être différé d'au moins 48 h après la fin de soudage, sinon on contrôle un état qui ne sera plus l'état livré.
Réparation. Si la dureté reste supérieure à 350 HV10 ou si une fissure est détectée : gougeage complet jusqu'au métal sain, contrôle par ressuage de la cavité, resoudage selon WPS révisé (préchauffage compris), puis re-contrôle complet. Consigner chaque réparation (localisation, nombre, opérateur) et vérifier que la qualification du soudeur ISO 9606-1 couvre bien 20 mm et la position réelle.