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].
La courbe température-temps se produisant en un point défini lors d'un passage d'arc se compose d'une courte phase de chauffage et d'une phase de refroidissement généralement beaucoup plus longue. À l'approche de l'arc, la température monte rapidement à une valeur maximale, puis redescend après le passage de l'arc, la vitesse de refroidissement diminuant régulièrement. Alors que les mêmes températures de pointe se produisent partout dans le métal de soudure, les différentes zones de la zone affectée thermiquement sont chauffées à des valeurs de pointe différentes; leur hauteur diminue avec l'éloignement de la zone de fusion [2].
Les propriétés mécaniques du métal soudé sont principalement déterminées par sa composition chimique et la vitesse à laquelle il se refroidit à partir de la phase liquide. La température de pointe atteinte pendant le soudage, le temps de séjour dans la zone austénitique supérieure et la vitesse à laquelle le refroidissement de la zone austénitique a lieu [2] sont déterminants pour les effets des cycles de température de soudage sur les propriétés mécaniques dans la zone affectée par la chaleur. L'expérience montre que des températures de pointe élevées conduisent aux conditions microstructurales et aux propriétés mécaniques les plus défavorables. Il suffit donc de considérer les cycles de température avec la température de pointe la plus élevée, qui se produisent immédiatement à côté de la ligne de fusion dans la zone à gros grains de la zone affectée thermiquement. Leur température de pointe est au niveau de la température de fusion du matériau respectif. On peut donc supposer que les propriétés mécaniques dans la zone affectée thermiquement sont déterminées par le processus de refroidissement après l'arc.
Pour identifier les cycles de température de soudage, la valeur réciproque de la vitesse de refroidissement est généralement choisie à la place de la vitesse de refroidissement, c'est-à-dire le temps nécessaire pour traverser un certain intervalle de température. Le temps de refroidissement t8/5 s'est avéré être un bon choix pour traiter les problèmes de matériaux. C'est le temps nécessaire lors du refroidissement d'un cordon de soudure et de sa zone affectée thermiquement pour traverser la plage de température de 800 ° C à 500 ° C.
A partir de l'équation différentielle générale de la conduction thermique dans les corps solides, on peut déduire des équations qui décrivent l'évolution de la température dans la zone du cordon de soudure en fonction du lieu et du temps. Après une transformation appropriée, ces équations conviennent pour calculer le temps t8/5 [3] nécessaire pour refroidir le métal de soudure pour traverser la plage de température de 800 ° C à 500 ° C.
Lors du calcul des temps de refroidissement, 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 le temps de refroidissement [4].
Lors du soudage de tôles relativement épaisses (dissipation thermique tridimensionnelle), le temps de refroidissement t8/5 est calculé selon l'équation suivante [5]:
Formule (dissipation thermique tridimensionnelle):
t8/5 = (6700 - 5 * T0) * Q * [( 1 / (500 - T0)) - (1 / (800 - T0))] * F3
avec
- Q: Apport de chaleur
- T0: Température de préchauffage
- F3: Facteur de cordon pour dissipation thermique tridimensionnelle
Le temps de refroidissement est donc proportionnel à la chaleur appliquée dans le cas d'une dissipation thermique tridimensionnelle et augmente avec la température de préchauffage.
Lors du soudage de produits d'épaisseur relativement faible, une dissipation thermique bidimensionnelle est présente. Le temps de refroidissement t8/5 est calculé selon l'équation suivante [5]:
Formule (dissipation thermique bidimensionnelle):
t8/5 = (4300 - 4,3 * T0) * 105 * (Q2 / d2) * [( 1 / (500 - T0))2 - (1 / (800 - T0))2] * F2
avec
- Q: Apport de chaleur
- T0: Température de préchauffage
- d: Épaisseur de tôle
- F2: Facteur de cordon pour dissipation thermique bidimensionnelle
Le temps de refroidissement pour une dissipation thermique bidimensionnelle augmente ainsi avec le carré de l'énergie par unité de longueur et avec la température de préchauffage et est inversement proportionnel au carré de l'épaisseur de la pièce.
L'apport de chaleur Q peut être calculé comme suit [6], [7].
Q = eta * E = eta * (U * I) / v
avec
- Q: Apport de chaleur
- E: Apport d'énergie
- eta: efficacité thermique
- U: Tension d'arc
- I: Courant d'arc
- v: Vitesse de soudage
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 | Facteur eta |
| Soudage à l'arc submergé (SAW) | 1,0 |
| Soudage à l'arc avec électrode en baguette (MAW) | 0,8 |
| Soudage à l'arc sous protection de gaz actif (MAG) | 0,8 |
| Soudage à l'arc sous protection de gaz inerte (MIG) | 0,8 |
| Soudage à l'arc en atmosphère inerte avec éléctrode de tungstène (TIG) | 0,6 |
Le nombre de types de sutures imaginables est si grand qu'une clarification quantitative de l'influence de tous sur le temps de refroidissement 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) [8]. On peut voir qu'en particulier avec une dissipation thermique bidimensionnelle, les temps de refroidissement des soudures d'angle sont beaucoup plus courts que ceux des cordons d'application. La valeur du facteur de cordon dépend du rapport entre l'énergie par unité de longueur et l'épaisseur de la feuille.
| Seam factors | ||
| Seam type | F3 | F2 |
| Deposit weld | 1,0 | 1,0 |
| 1. and 2. fillet weld on T- or Cross joint | 0,67 | 0,45 bis 0,67 |
| 3. and 4. fillet weld on T- or Cross joint | 0,67 | 0,3 bis 0,67 |
| Fillet weld at corner joint | 0,67 | 0,9 |
| Fillet weld at overlap joint | 0,67 | 0,7 |
| Root pass of V-seams (opening angle 60°, face 3 mm) | 1,0 bis 1,2 | rd. 1,0 |
| Root pass of double V seams (opening angle 50°, face 3 mm) | 0,7 | rd. 1,0 |
| Center layers of V and double V seams | 0,8 bis 1,0 | rd. 1,0 |
| Cover layers of V and double V seams | 0,9 bis 1,0 | 1,0 |
| I-seam, 'position-counter position welding' | - | 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
Lors du calcul des temps de refroidissement, il convient de noter que les hypothèses sous-jacentes aux équations ne sont souvent pas exactement remplies. Les valeurs calculées du temps de refroidissement peuvent donc s'écarter des valeurs réelles d'environ 10%. Le calcul peut être affligé d'une erreur plus importante dans la zone de transition de la dissipation thermique bidimensionnelle à tridimensionnelle. Dans les cas critiques, il est recommandé de contrôler le temps de refroidissement par mesure [5].
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] Uwer, D. und Degenkolbe, J.:
Temperaturzyklen beim Lichtbogenschweißen - Berechnung der Abkühlzeiten. Schweißen und Schneiden, Jahrgang 24 (1972), Heft 12, S. 485 - 489
[3] Uwer, D. und Degenkolbe, J.:
Temperaturzyklen beim Lichtbogenschweißen - Einfluß des Wärmebehandlungszustandes und der chemischen Zusammensetzung von Stählen auf die Abkühlzeit. Schweißen und Schneiden, Jahrgang 27 (1975), Heft 8, S. 303 - 306
[4] Uwer, D.:
Rechnerisches und grafisches Ermitteln von Abkühlzeiten beim Lichtbogenschweißen. Schweißen und Schneiden, Jahrgang 30 (1978), Heft 7, S. 243 - 248
[5] 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
[6] 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
[7] DIN EN 1011-1: Empfehlung zum Schweißen metallischer Werkstoffe, Teil 1: Allgemeine Anleitungen für Lichtbogenschweißen, April 1998, Beuth Verlag GmbH, Berlin
[8] 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