Les cycles de température intervenant lors du soudage (courbe température-temps) ont une influence décisive sur les propriétés mécaniques du métal soudé et de la zone affectée thermiquement. Les cycles de température dépendent à leur tour des conditions de soudage. On entend par conditions de soudage une multitude de variables influentes telles que la tension de l'arc, le courant de soudage, la vitesse de soudage, la température de travail, l'épaisseur de la feuille, le processus de soudage et la forme du joint [1]. Les paramètres de soudage tension d'arc, courant de soudage et vitesse de soudage peuvent être résumés en énergie de ligne.

D'après [2], l'énergie par unité de longueur est calculée comme suit :

Formule:

E  =  (U * I) / v  
avec     

  • U: tension d'arc
  • I: courant d'arc
  • v: vitesse de déplacement 

L'énergie par unité de longueur est donc une mesure de l'énergie fournie au processus de soudage.

Cependant, il faut tenir compte du fait que toute l'énergie électrique prélevée sur la source d'alimentation ne peut pas être injectée dans le bain de fusion, mais seulement une certaine partie, en fonction du procédé de soudage et des conditions de soudage. Cependant, seule l'énergie réellement introduite dans la zone du cordon de soudure a une influence sur le processus de solidification dans le métal de soudure et les changements structurels induits thermiquement dans la zone affectée par la chaleur. Pour cette raison, il est nécessaire de considérer les pertes d'énergie de manière différenciée [3].   

Cela peut être fait en étendant l'énergie par unité de longueur E d'un facteur eta, qui est le rapport de l'énergie introduite dans la zone de soudage à l'énergie fournie au processus de soudage. L'apport de chaleur Q ainsi défini est donc calculé comme [2] :

Q = eta * E = eta * (U * I) / v 

avec

  • Q : apport de chaleur
  • E : énergie
  • eta : efficacité thermique
  • U : tension d'arc
  • I : courant d'arc
  • v : vitesse de déplacement

Sauf indication contraire, l'efficacité thermique des procédés de soudage (eta) doit être basée sur les valeurs indiquées dans le tableau [5] suivant.

Efficacité thermique des procédés de soudage
Procédé Factor eta
Soudage à l'arc submergé 1,0
Soudage manuel à l'arc métallique avec électrode en baguette 0,8
Soudage à l'arc sous protection gazeuse (MAG) 0,8
Soudage à l'arc métallique au gaz inerte (MIG) 0,8
Soudage à l'arc sous gaz avec électrode de tungstène (TIG) 0,6

Sauf indication contraire, l'efficacité thermique des procédés de soudage (eta) doit être basée sur les valeurs indiquées dans le tableau ci-dessus [2].

Cependant, dans le cas d'une tâche de soudage planifiée qui est spécifiée par le procédé de soudage, l'épaisseur de la tôle et la forme du joint, il est souvent nécessaire d'obtenir une microstructure très spécifique dans la zone affectée par la chaleur qui est déterminée par un temps de refroidissement spécifié t8/5 . En transformant les formules générales de calcul du temps de refroidissement t8 / 5, il est possible de calculer l'apport calorifique maximal admissible et, à partir de là, l'énergie maximale par unité de longueur [2]. Cela permet de déterminer les combinaisons de paramètres de soudage appropriées (tension d'arc, courant de soudage, vitesse de soudage) pour la tâche de soudage prévue.

Cependant, lors du calcul de l'énergie par unité de longueur pour une tâche de soudage donnée, une distinction doit être faite entre la dissipation thermique tridimensionnelle et bidimensionnelle. Lors du soudage de pièces relativement épaisses, la dissipation thermique est tridimensionnelle. La chaleur introduite via l'arc peut être dissipée dans le plan de la pièce et en plus dans le sens de l'épaisseur de la pièce. Cela n'a donc aucun effet sur le temps de refroidissement. Cependant, avec une dissipation thermique bidimensionnelle, le flux thermique se produit exclusivement dans le plan de la pièce à usiner. Dans ce cas, l'épaisseur de la pièce est déterminante pour la section transversale disponible pour la dissipation thermique et a donc une influence prononcée sur l'énergie maximale admissible par unité de longueur [4].

Lors du soudage de plaques relativement épaisses (dissipation thermique tridimensionnelle), l'énergie par unité de longueur est calculée selon l'équation suivante :

Formule (dissipation thermique tridimensionnelle) :

E  =  t8/5 / [(6700 - 5 * T0) * eta * ((1 / (500 - T0)) - (1 / (800 - T0))) * F3]  

avec

  • t8/5 : vitesse de refroidissement t8/5 
  • T0 : Température de préchauffage
  • eta : Efficacité thermique
  • F3 : Facteur de cordon pour la dissipation thermique tridimensionnelle

Une dissipation thermique bidimensionnelle est présente lors du soudage de produits d'épaisseur relativement faible. L'énergie par unité de longueur est calculée selon l'équation suivante:

Formule (dissipation thermique bidimensionnelle) :

E  =  (t8/5 * d2 / [(4300 - 4.3 * T0) * 105 * eta2 * ((1 / (500 - T0))2 - (1 / (800 - T0))2) * F2])0,5 

avec

  • t8/5 : Temps de refroidissement t8/5 
  • d : Epaisseur de la tôle
  • T0 : Témpérature de préchauffage
  • eta : Efficacité thermique
  • F2 : Facteur de cordon pour la dissipation thermique bidimensionnelle

Le nombre de types de cordon imaginables est si grand qu'une clarification quantitative de l'influence de tous sur l'énergie maximale exigerait un effort extrêmement élevé. Pour cette raison, le tableau ci-dessous résume uniquement les facteurs de cordon pour les types de cordon les plus courants avec dissipation thermique tridimensionnelle (F3) et dissipation thermique bidimensionnelle (F2) [5].

Facteur de cordon
Type de cordon F3 F2
Soudure par dépôt 1,0 1,0
1. et 2. soudure d'angle sur joint en T ou en croix 0,67 0,45 à 0,67
3. et 4. soudure d'angle sur joint en T ou en croix 0,67 0,3 à 0,67
Soudure d'angle sur joint d'angle 0,67 0,9
Soudure d'angle sur joint de recouvrement 0,67 0,7
Position de racine de cordons en V (angle d'ouverture 60°, face de soudure 3 mm) 1,0 à 1,2 rd. 1,0
Position de racine de double cordons en V (angle d'ouverture 50°, face de soudure 3 mm) 0,7 rd. 1,0
Couches centrales de cordons et double cordons en V 0,8 à 1,0 rd. 1,0
Couches de recouvrement de cordons et double cordons en V 0,9 à 1,0 1,0
Cordon en I, 'soudage position-contre-position' - 1,0

Si l'épaisseur de la pièce respective est proche de l'épaisseur de la feuille de transition (voir ci-dessous), la valeur du facteur de cordon F2 correspond à celle de F3. Plus l'épaisseur de la pièce est petite par rapport à l'épaisseur de la feuille de transition, plus F2 et F3 diffèrent clairement [4].

L'épaisseur de feuille à la transition de la dissipation thermique tridimensionnelle à bidimensionnelle est appelée épaisseur de feuille de transition dü. Il est obtenu en mettant en équivalence les formules de calcul du temps de refroidissement t8 / 5 pour une dissipation thermique tridimensionnelle et bidimensionnelle :

dü  =  [((4300 - 4,3 * T0) / (6700 - 5 * T0)) * 105 * Q * (( 1 / (500 - T0)) + (1 / (800 - T0)))]0,5 

avec     

  • Q : apport de chaleur
  • T0 : température de préchauffage

Littérature: 
[1] Degenkolbe, J., Uwer, D., und Wegmann, H. G.:
Kennzeichnung von Schweißtemperaturzyklen hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften von Schweißverbindungen durch die Abkühlzeit t8/5 und deren Ermittlung. Thyssen Technische Berichte, Heft 1/85, S. 57 - 73 
[2] Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 088 Beiblatt 2:
Schweißgeeignete Feinkornbaustähle - Richtlinien für die Verarbeitung, besonders für das Schmelzschweißen; Ermittlung der Abkühlzeit t8/5 zur Kennzeichnung von Schweißtemperaturzyklen. 4. Ausgabe, Oktober 1993, Verlag Stahleisen, Düsseldorf 
[3] Uwer, D. und Wegmann, H. G.:
Temperaturzyklen beim Lichtbogenschweißen - Einfluß von Schweißverfahren und Nahtart auf die Abkühlzeit. Schweißen und Schneiden, Jahrgang 28 (1976), Heft 4, S. 132 - 136 
[4] Uwer, D.:
Rechnerisches und grafisches Ermitteln von Abkühlzeiten beim Lichtbogenschweißen. Schweißen und Schneiden, Jahrgang 30 (1978), Heft 7, S. 243 - 248 
[5] Uwer, D. und Degenkolbe, J.: Kennzeichnung von Schweißtemperaturzyklen hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften von Schweißverbindungen. Stahl und Eisen 97 (1977), Nr. 24, S. 1201 - 1207