Pourquoi certains aciers doivent-ils être préchauffés avant soudage ?

Le préchauffage consiste à chauffer le métal avant l’amorçage

Préchauffer une pièce signifie porter la zone destinée au soudage, et une largeur suffisante de matériau autour du joint, à une température déterminée avant de commencer à déposer le premier cordon.

Cette température doit ensuite être réellement présente au moment du soudage. Chauffer une pièce puis la laisser refroidir pendant son transport jusqu’au poste ne constitue pas un préchauffage correctement maîtrisé si elle est redescendue sous la température minimale prescrite.

Le préchauffage peut être obtenu à l’aide de différents moyens : résistances électriques, induction, brûleurs ou fours notamment. La méthode choisie dépend de la taille de la pièce, de sa géométrie, de la température recherchée et des moyens disponibles.

Le premier objectif est de ralentir le refroidissement de la soudure

Lorsqu’un arc chauffe localement un acier froid, la chaleur se diffuse rapidement depuis la zone soudée vers le reste de la pièce. Plus la masse de métal entourant le joint est importante, plus ce phénomène peut être marqué.

En augmentant préalablement la température du matériau, l’écart entre la zone fondue et les parties environnantes diminue. La soudure et la zone affectée thermiquement refroidissent alors généralement moins rapidement après le passage de l’arc.

Cette modification du cycle thermique influence directement les transformations métallurgiques qui se produisent dans certains aciers lors du refroidissement.

Un refroidissement trop rapide peut former une ZAT très dure

Sur certains aciers suffisamment trempants, un refroidissement rapide peut favoriser la formation de structures martensitiques ou d’autres microstructures présentant une dureté élevée dans la zone affectée thermiquement.

Une forte dureté n’est pas automatiquement un défaut, mais dans le contexte du soudage elle peut s’accompagner d’une faible ductilité et d’une sensibilité accrue à certains mécanismes de fissuration.

Le préchauffage ralentit le refroidissement et peut donc contribuer à limiter cette dureté. Son intérêt augmente généralement lorsque la composition de l’acier favorise la trempabilité.

Le préchauffage aide aussi l’hydrogène à diffuser hors de la zone soudée

Une partie de l’hydrogène introduit pendant le soudage peut rester dissoute dans le métal puis migrer progressivement dans la soudure et la zone affectée thermiquement. Ce phénomène devient dangereux lorsqu’il est associé à une microstructure sensible et à des contraintes de traction suffisantes.

À température élevée, l’hydrogène diffuse plus rapidement dans l’acier qu’à température ambiante. En ralentissant la descente en température, le préchauffage augmente donc le temps disponible pour qu’une partie de cet hydrogène quitte les régions critiques du joint.

Cette action explique pourquoi le préchauffage fait partie des moyens utilisés pour lutter contre la fissuration à froid liée à l’hydrogène.

Trois facteurs se combinent généralement dans la fissuration à l’hydrogène

La fissuration à l’hydrogène est favorisée par la combinaison de plusieurs conditions : de l’hydrogène diffusible dans la zone soudée, une microstructure suffisamment dure ou fragile et des contraintes de traction agissant sur le joint.

Le préchauffage agit principalement sur deux de ces facteurs. Il ralentit le refroidissement, ce qui peut réduire la dureté de la zone affectée thermiquement, et il favorise la diffusion de l’hydrogène hors des régions sensibles.

Il ne supprime cependant pas toutes les causes possibles. Un assemblage très fortement bridé conserve par exemple des contraintes importantes et des consommables humides peuvent introduire inutilement beaucoup d’hydrogène.

L’équivalent carbone aide à évaluer le comportement de nombreux aciers

Pour de nombreux aciers carbone et carbone-manganèse, l’équivalent carbone permet d’obtenir un indicateur tenant compte de l’influence du carbone et de plusieurs éléments d’alliage sur la trempabilité et la sensibilité à la fissuration à l’hydrogène.

Plus cet indicateur augmente, plus des précautions comme l’utilisation de consommables à faible hydrogène ou le préchauffage peuvent devenir nécessaires. Cette information doit cependant toujours être combinée avec l’épaisseur, l’apport thermique et les caractéristiques réelles de l’assemblage.

L’équivalent carbone n’est pas universellement applicable à toutes les familles d’aciers ni à toutes les situations. La méthode de calcul et d’évaluation doit correspondre au matériau concerné.

Une forte épaisseur peut imposer un préchauffage même sur un acier relativement soudable

Une plaque ou une pièce massive évacue plus rapidement la chaleur autour du joint qu’une tôle mince. Ce phénomène peut accélérer le refroidissement de la zone affectée thermiquement après le passage de l’arc.

C’est pourquoi la nécessité d’un préchauffage ne dépend pas uniquement de la composition chimique. Un acier de bonne soudabilité peut demander davantage de précautions lorsqu’il est utilisé sous forte épaisseur, notamment en présence d’un joint fortement contraint.

À l’inverse, une faible épaisseur réalisée dans des conditions favorables peut parfois être soudée sans préchauffage alors qu’une pièce beaucoup plus massive de même nuance en nécessiterait un.

Le niveau de bridage influence le risque de fissuration

Les métaux se dilatent lorsqu’ils chauffent puis se contractent en refroidissant. Lorsqu’un assemblage est libre de se déformer légèrement, une partie de ces mouvements peut se produire sans générer des contraintes excessives.

Dans une structure fortement bridée ou très rigide, ces déplacements sont empêchés et les contraintes de traction peuvent devenir beaucoup plus importantes autour du joint.

Un niveau de bridage élevé fait donc partie des facteurs à considérer lorsqu’on définit les précautions de soudage. Une température suffisante pour un petit assemblage libre n’est pas automatiquement valable pour une structure beaucoup plus rigide.

Les consommables à faible hydrogène restent importants même avec un préchauffage

Préchauffer une pièce ne signifie pas que l’on peut négliger l’état des électrodes, des fils ou des surfaces. Réduire la quantité d’hydrogène introduite dans le bain reste l’une des premières mesures de prévention.

En soudage MMA, certaines électrodes basiques à faible hydrogène demandent notamment des conditions de stockage et éventuellement de séchage conformes aux recommandations du fabricant. Une électrode ayant absorbé beaucoup d’humidité peut perdre une partie du bénéfice recherché.

Les surfaces doivent également être débarrassées de l’eau, de l’huile, de la graisse et des contaminants susceptibles d’apporter de l’hydrogène pendant le soudage.

La température de préchauffage ne doit pas être choisie au hasard

Il est tentant d’utiliser une valeur familière comme 100, 150 ou 200 °C pour toutes les pièces jugées difficiles. Cette approche n’est pas correcte car la température nécessaire dépend d’un ensemble de paramètres.

La composition chimique et l’équivalent carbone éventuel, l’épaisseur combinée du joint, le niveau d’hydrogène du procédé, l’énergie de soudage et le bridage interviennent notamment dans la détermination du préchauffage.

Dans certaines situations sur acier épais et à équivalent carbone élevé, des préchauffages de l’ordre de 200 °C peuvent être nécessaires, alors que beaucoup d’aciers doux soudés dans des conditions favorables ne demandent aucun préchauffage particulier. Les valeurs doivent donc provenir d’une procédure ou d’une méthode de détermination adaptée plutôt que d’une habitude d’atelier.

La température doit être contrôlée sur la pièce et non estimée à l’œil

La couleur du métal ne permet pas de mesurer correctement les températures relativement modestes couramment utilisées pour le préchauffage des aciers. Lorsqu’une température minimale est imposée, elle doit être vérifiée avec un moyen de mesure approprié.

Des crayons ou indicateurs thermiques, thermocouples, appareils de mesure de contact ou autres équipements adaptés peuvent être employés suivant la précision nécessaire et les conditions de travail.

La mesure doit être effectuée à un emplacement représentatif et conformément à la procédure utilisée. Chauffer fortement un petit point tandis que le reste de la zone du joint demeure froid ne garantit pas un préchauffage correct.

La chaleur doit être répartie suffisamment largement autour du joint

Le but du préchauffage n’est pas de créer une bande extrêmement chaude de quelques millimètres exactement sous le futur cordon. Une largeur suffisante autour de l’assemblage doit être portée à la température requise afin d’obtenir un cycle thermique cohérent.

Sur une pièce épaisse, il faut également laisser suffisamment de temps à la chaleur pour pénétrer dans le matériau. Une température correcte mesurée uniquement en surface immédiatement après le passage d’une flamme peut masquer un intérieur encore beaucoup plus froid.

Les méthodes de chauffage offrant une répartition régulière sont particulièrement intéressantes pour les assemblages épais ou sensibles.

La température entre passes est la continuité du préchauffage

Sur une soudure multipasse, le premier cordon est déposé sur une pièce préchauffée, mais les cordons suivants sont réalisés alors que l’assemblage possède déjà sa propre histoire thermique. La température mesurée avant une nouvelle passe est appelée température entre passes ou température interpass.

Une procédure peut imposer une température minimale afin d’éviter que l’assemblage ne refroidisse excessivement entre deux cordons. Elle peut également imposer une température maximale afin d’éviter une accumulation de chaleur susceptible de modifier défavorablement les propriétés du matériau.

Il ne suffit donc pas d’atteindre une température correcte une seule fois avant le premier amorçage. La maîtrise thermique peut devoir se poursuivre pendant toute l’exécution du joint.

Le préchauffage et la température interpass ne doivent pas être confondus

La température de préchauffage correspond à celle exigée avant le début du soudage. La température interpass correspond à l’état thermique de l’assemblage avant le dépôt d’une passe suivante.

Dans de nombreuses procédures destinées à prévenir la fissuration à l’hydrogène, la température minimale entre passes est voisine de la température minimale de préchauffage. Une valeur maximale peut toutefois également être spécifiée afin de maîtriser la microstructure et les propriétés du joint.

Ces deux paramètres doivent donc être respectés séparément lorsqu’ils figurent dans un mode opératoire.

Maintenir la chaleur après soudage peut parfois être nécessaire

Dans certaines situations sensibles à la fissuration à l’hydrogène, il peut être utile de maintenir la zone soudée à une température élevée pendant une période déterminée après la dernière passe afin de donner davantage de temps à l’hydrogène pour diffuser.

Cette opération n’est pas la même chose qu’un traitement thermique après soudage destiné à modifier la microstructure ou à détendre l’assemblage. Son objectif principal peut être simplement de favoriser la diffusion de l’hydrogène avant le retour à température ambiante.

Comme le préchauffage, ce maintien ne doit pas être improvisé : température et durée dépendent du matériau, de l’épaisseur et de la procédure retenue.

Une fissuration à l’hydrogène peut apparaître après la fin du soudage

L’un des pièges de la fissuration à froid est qu’elle n’est pas nécessairement visible lorsque le dernier cordon vient d’être terminé. L’hydrogène continue à diffuser dans le matériau pendant le refroidissement et des fissures peuvent apparaître après un certain délai.

Un joint qui paraît intact immédiatement après soudage peut donc développer un défaut plus tard si les conditions favorables à la fissuration étaient réunies.

Ce caractère retardé explique pourquoi certaines procédures ou exigences de contrôle prévoient un délai avant l’inspection finale sur des matériaux et assemblages sensibles.

Un préchauffage excessif n’est pas nécessairement préférable

Si le préchauffage permet de résoudre certains problèmes, augmenter arbitrairement la température ne signifie pas automatiquement améliorer la soudure. Un cycle thermique excessif peut entraîner d’autres transformations métallurgiques, augmenter les déformations ou modifier les propriétés recherchées.

Certains aciers modernes à haute résistance ou traités thermomécaniquement demandent notamment une maîtrise rigoureuse de l’énergie et de la température entre passes afin de conserver leurs caractéristiques.

La bonne température est donc celle définie pour le matériau et l’assemblage concernés, et non la température la plus élevée que l’on peut facilement atteindre.

Le préchauffage est particulièrement courant lors de certaines réparations

Une pièce en réparation peut cumuler plusieurs difficultés : forte épaisseur, matériau ancien ou imparfaitement identifié, géométrie très rigide, contraintes résiduelles et zone endommagée devant être excavée puis reconstruite par soudage.

Le préchauffage devient alors un moyen important de maîtriser le cycle thermique et de limiter le risque de création d’une nouvelle fissure autour de la réparation. Il peut également être maintenu pendant les opérations successives de gougeage, préparation et soudage lorsque la procédure le demande.

Ces principes sont développés plus largement dans le dossier Réparation par soudage de Steelsoudeur.

Comment déterminer si un acier doit réellement être préchauffé ?

Il faut commencer par identifier la nuance et connaître autant que possible sa composition chimique. L’épaisseur du joint, la rigidité de la construction, le procédé, le consommable et son niveau d’hydrogène ainsi que l’énergie de soudage sont ensuite pris en compte.

Pour de nombreux aciers carbone et faiblement alliés, des méthodes basées notamment sur l’équivalent carbone permettent d’estimer les précautions nécessaires. Pour d’autres familles, des recommandations spécifiques au matériau doivent être utilisées.

Dans une fabrication soumise à une procédure qualifiée, la température minimale de préchauffage et les limites de température entre passes sont indiquées par le mode opératoire et doivent être respectées pendant l’exécution.

Quelle est la bonne pratique avant de commencer le soudage ?

Lorsque le préchauffage est requis, la zone est d’abord nettoyée puis chauffée progressivement et aussi uniformément que possible. La température est contrôlée avec un moyen approprié avant l’amorçage et sur une zone représentative de l’assemblage.

Pendant une soudure multipasse, la température entre passes est surveillée afin de rester dans l’intervalle prévu. Si la pièce refroidit sous la valeur minimale, elle doit être réchauffée avant de poursuivre.

Enfin, le préchauffage doit rester associé aux autres mesures de prévention : surfaces sèches et propres, consommables adaptés et correctement stockés, paramètres conformes à la procédure et maîtrise du bridage autant que possible.