Le préchauffage consiste à chauffer le métal de base, soit dans sa totalité, soit uniquement dans la région entourant le joint, à une température spécifique souhaitée, appelée température de préchauffage, avant le soudage. Le chauffage peut être poursuivi pendant le processus de soudage, mais fréquemment la chaleur du soudage est suffisante pour maintenir la température désirée sans prolongation de la source de chaleur externe. La température entre passes, définie comme la température du métal de base entre la première et la dernière passe de soudage, ne peut pas descendre en dessous de la température de préchauffage. La température entre passes ne sera pas discutée plus en détail ici. Le préchauffage peut produire de nombreux effets bénéfiques; cependant, sans une connaissance pratique des principes fondamentaux impliqués, on risque de gaspiller de l'argent, voire pire, de dégrader l'intégrité de la soudure.

Pourquoi préchauffer?
Il y a quatre raisons principales d'utiliser le préchauffage: (1) il abaisse la vitesse de refroidissement dans le métal de soudure et le métal de base, produisant une structure métallurgique plus ductile avec une plus grande résistance à la fissuration (2) la vitesse de refroidissement plus lente offre une opportunité pour tout hydrogène qui peut être présent pour diffuser sans danger sans provoquer de fissure (3) il réduit les contraintes de retrait dans la soudure et le métal de base adjacent, ce qui est particulièrement important dans les joints fortement retenus et (4) il élève certains aciers au-dessus de la température à laquelle une rupture fragile se produisent dans la fabrication. De plus, le préchauffage peut être utilisé pour aider à garantir des propriétés mécaniques spécifiques, telles que la résistance à l'entaille.

Quand faut-il utiliser le préchauffage?
Pour déterminer s'il faut ou non préchauffer, il faut tenir compte de l'ensemble de facteurs suivants: exigences du code, épaisseur de la section, chimie du métal de base, contrainte, température ambiante, teneur en hydrogène du métal d'apport et problèmes de fissuration antérieurs. Si un code de soudage doit être suivi, le code précisera généralement la température minimale de préchauffage pour un métal de base, un procédé de soudage et une épaisseur de section donnés. Cette valeur minimale doit être atteinte quelle que soit la contrainte ou la variation de la chimie des métaux communs; cependant, la valeur minimale peut être augmentée si nécessaire. Un exemple est illustré dans la section suivante.

Lorsqu'il n'y a pas de codes régissant le soudage, il faut déterminer si un préchauffage est nécessaire et, dans l'affirmative, quelle température de préchauffage sera appropriée. En général, le préchauffage n'est généralement pas nécessaire sur les aciers à faible teneur en carbone de moins de 1 po (25 mm) d'épaisseur. Cependant, à mesure que la chimie, le niveau d'hydrogène diffusible du métal de soudure, la contrainte ou l'épaisseur de la section augmentent, la demande de préchauffage augmente également. Il existe plusieurs méthodes pour déterminer la température de préchauffage requise pour un métal de base donné et l'épaisseur de la section qui seront discutées dans la section suivante.

Quelle température de préchauffage est requise?
Les codes de soudage spécifient généralement des valeurs minimales pour la température de préchauffage, qui peuvent ou non être adéquates pour empêcher la fissuration dans chaque application. Par exemple, si une connexion poutre à colonne doit être fabriquée avec une électrode à faible teneur en hydrogène faite de sections jumbo ASTM A572-Gr50 et A36 (épaisseur allant de 4 à 5 pouces), alors un préchauffage minimum préqualifié de 225 ° F (107 ° C) est requis (AWS D1.1-96, tableau 3.2). Cependant, pour réaliser des épissures bout à bout dans des sections jumbo, il est conseillé d'augmenter la température de préchauffage au-delà du niveau minimum préqualifié jusqu'à celui requis par l'AISC pour la réalisation d'épissures bout à bout dans les sections jumbo, à savoir 350 ° F (175 ° C) (AISC LRFD J2. 8). Cette recommandation prudente reconnaît que les exigences minimales de préchauffage prescrites par AWS D1.1 peuvent ne pas être adéquates pour ces connexions hautement restreintes.

Lorsqu'aucun code de soudage n'est spécifié et que le besoin de préchauffage a été établi, comment déterminer une température de préchauffage appropriée? Comme base de discussion, considérons AWS D1.1-96, Annexe XI: "Guideline on Alternative Methods for Determining Preheat" qui présente deux procédures pour établir une température de préchauffage élaborées principalement à partir d'essais de fissuration en laboratoire. Ces techniques sont avantageuses lorsque le risque de la fissuration est augmentée en raison de la composition, de la contrainte, du niveau d'hydrogène ou de l'apport de chaleur de soudage inférieur.

Les deux méthodes décrites dans l'annexe XI de l'AWS D1.1-96 sont: (1) le contrôle de la dureté des zones affectées thermiquement (HAZ) et (2) le contrôle de l'hydrogène. La méthode de contrôle de la dureté HAZ, qui est limitée aux soudures d'angle, est basée sur l'hypothèse que la fissuration ne se produira pas si la dureté de la HAZ est maintenue en dessous d'une certaine valeur critique. Ceci est réalisé en contrôlant la vitesse de refroidissement. La vitesse de refroidissement critique pour une dureté donnée peut être liée à l'équivalent carbone de l'acier, qui est défini comme:

CE = C + ((Mn + Si) / 6) + ((Cr + Mo + V) / 5) + ((Ni + Cu) / 15)

À partir du taux de refroidissement critique, une température de préchauffage minimale peut alors être calculée. (L'article de Blodgett intitulé "Calcul des taux de refroidissement par programmation informatique '' décrit une procédure de calcul basée sur la vitesse de refroidissement, l'apport de chaleur, l'épaisseur de la plaque, la température à laquelle la vitesse de refroidissement est critique, la température de préchauffage, la conductivité thermique et la chaleur spécifique.) cependant, que "bien que la méthode puisse être utilisée pour déterminer un niveau de préchauffage, sa valeur principale est de déterminer l'apport de chaleur minimum (et donc la taille minimale de la soudure) qui empêche un durcissement excessif '' (annexe XI, paragraphe 3.4, AWS D1 .1-96.)

La méthode de contrôle de l'hydrogène est basée sur l'hypothèse que la fissuration ne se produira pas si la quantité d'hydrogène restant dans le joint après son refroidissement à environ 120 ° F (50 ° C) ne dépasse pas une valeur critique dépendant de la composition du joint. l'acier et la retenue. Cette procédure est extrêmement utile pour les aciers faiblement alliés à haute résistance et à haute trempabilité. Cependant, le préchauffage calculé peut être trop prudent pour les aciers au carbone.

Les trois étapes de base de la méthode de contrôle de l'hydrogène sont: (1) Calculer un paramètre de composition similaire à l'équivalent carbone; (2) Calculer un indice de susceptibilité en fonction du paramètre de composition et de la teneur en hydrogène diffusible du métal d'apport; et (3) déterminer la température minimale de préchauffage à partir du niveau de retenue, de l'épaisseur du matériau et de l'indice de sensibilité.

Comment le préchauffage est-il appliqué?
L'épaisseur du matériau, la taille de la soudure et l'équipement de chauffage disponible doivent être pris en compte lors du choix d'une méthode pour appliquer le préchauffage. Par exemple, les petits ensembles de production peuvent être chauffés plus efficacement dans un four. Cependant, les grands composants structurels nécessitent souvent des bancs de torches chauffantes, des bandes chauffantes électriques ou des éléments chauffants à induction ou radiants.

Un haut niveau de précision n'est généralement pas requis pour le préchauffage des aciers au carbone. Bien qu'il soit important que l'ouvrage soit chauffé à une température minimale, il est acceptable de dépasser cette température d'environ 100 ° F (40 ° C). Cependant, ce n'est pas le cas pour les aciers trempés et revenus (Q&T), car le soudage sur des aciers Q&T surchauffés peut être préjudiciable dans la zone affectée thermiquement. Par conséquent, les aciers Q&T exigent que les températures de préchauffage maximale et minimale soient établies et suivies de près.

Lors du chauffage du joint à souder, le code AWS D1.1 exige que la température de préchauffage minimale soit établie à une distance qui est au moins égale à l'épaisseur de l'élément le plus épais, mais pas moins de 3 po (75 mm) toutes les directions à partir du point de soudage. Pour s'assurer que tout le volume de matériau entourant le joint est chauffé, il est recommandé de chauffer le côté opposé à celui qui doit être soudé et de mesurer la température de surface adjacente au joint. Enfin, la température de l'acier doit être vérifiée pour vérifier que la température minimale de préchauffage a été établie juste avant d'amorcer l'arc pour chaque passage.

Résumé
Le préchauffage peut empêcher la fissuration et / ou garantir des propriétés mécaniques spécifiques telles que la résistance à l'entaille.

Le préchauffage doit être utilisé chaque fois que les codes applicables le spécifient; lorsqu'aucun code ne s'applique à une situation donnée, l'ingénieur en soudage doit déterminer si un préchauffage est nécessaire ou non, et quelle température sera requise pour un métal de base et une épaisseur de section donnés.

L'annexe XI de l'AWS D1.1-96 fournit des lignes directrices pour des méthodes alternatives de détermination des quantités appropriées de préchauffage: la méthode de contrôle de la dureté HAZ ou la méthode de contrôle de l'hydrogène.

Le préchauffage peut être appliqué dans un four ou en utilisant des torches chauffantes, des bandes chauffantes électriques ou des éléments chauffants à induction ou radiants. Les aciers au carbone ne nécessitent pas une précision de température précise, mais les appareils de chauffage à induction ou au radium, les températures de préchauffage maximale et minimale doivent être suivis de près pour les aciers trempés et revenus.

Bibliographie
ANSI / AWS D1.1-96 Code de soudage structurel: acier. L'American Welding Society, 1996.

Bailey, N. Soudabilité des aciers ferritiques. L'Institut de soudage, 1995.

Bailey, N. et al, Welding Steels Without Hydrogen Cracking. L'Institut de soudage, 1973.

Blodgett, 0. «Calcul des taux de refroidissement par programmation informatique», Journal de soudage. Mars 1984.

Graville, B.A. Les principes du contrôle de la fissuration à froid dans les soudures. Dominion Bridge Company Ltd., 1975.

Irving, B. "Préchauffer: La principale défense contre la fissuration à l'hydrogène." Journal de soudage. Juillet 1992.

Stout, R.D. et Doty, W.D., Weldability of Steels. Conseil de recherches sur le soudage, 1971.

Le manuel de procédure de soudage à l'arc. La Fondation James F. Lincoln Arc Welding, 1994.