Qu’est-ce que la soudabilité d’un métal ?

Un métal soudable n’est pas simplement un métal que l’on peut faire fondre

La plupart des métaux employés dans l’industrie peuvent être assemblés par au moins un procédé de soudage, mais cela ne signifie pas que tous se soudent avec la même facilité. Faire fondre deux bords et déposer un cordon n’est qu’une partie du problème.

Après refroidissement, l’assemblage doit également posséder les caractéristiques attendues : résistance mécanique, ductilité, ténacité, tenue à la fatigue, résistance à la corrosion ou comportement à haute température selon l’application.

Une soudure peut donc présenter un bel aspect visuel tout en possédant une microstructure trop dure, une zone affectée thermiquement fragile ou une sensibilité excessive à la fissuration. La soudabilité considère le comportement de l’ensemble du joint et pas seulement la possibilité de créer un bain de fusion.

La soudabilité dépend du matériau mais aussi des conditions de soudage

La soudabilité ne constitue pas une valeur fixe pouvant être attribuée définitivement à un métal indépendamment de son utilisation. Le même matériau peut être relativement facile à souder dans une configuration et demander beaucoup plus de précautions dans une autre.

Une tôle mince en acier faiblement carboné assemblée avec peu de bridage n’impose par exemple pas les mêmes contraintes qu’une pièce massive réalisée dans la même famille de matériaux et fortement bridée. L’épaisseur modifie la vitesse de refroidissement tandis que le bridage augmente les contraintes présentes dans le joint.

Le procédé utilisé intervient également. TIG, MIG/MAG, MMA, arc submergé, laser ou soudage par résistance n’imposent pas le même cycle thermique ni les mêmes conditions métallurgiques au matériau.

La composition chimique influence fortement la soudabilité des aciers

Dans les aciers, le carbone joue un rôle majeur dans la réponse du matériau au cycle thermique de soudage. Lorsque sa teneur augmente, l’acier peut devenir davantage susceptible de former des structures dures dans la zone affectée thermiquement lors d’un refroidissement rapide.

Les éléments d’alliage comme le manganèse, le chrome, le molybdène, le nickel, le vanadium ou le bore peuvent également modifier la trempabilité et le comportement métallurgique du matériau.

Deux aciers ayant une résistance mécanique comparable ne possèdent donc pas nécessairement la même soudabilité. La composition réelle de la nuance doit être prise en compte lorsque les caractéristiques du matériau l’exigent.

L’équivalent carbone aide à évaluer certains risques sur les aciers

Pour de nombreux aciers carbone et faiblement alliés, différentes formules d’équivalent carbone permettent de regrouper l’influence du carbone et de plusieurs éléments d’alliage dans un indicateur pratique de soudabilité.

De manière générale, une valeur faible est associée à une meilleure aptitude au soudage vis-à-vis de certains risques de durcissement et de fissuration à froid, tandis qu’une valeur plus élevée peut conduire à renforcer les précautions de soudage.

L’équivalent carbone ne constitue toutefois pas un verdict universel. La formule utilisée doit correspondre au type d’acier concerné et le résultat doit être considéré avec l’épaisseur, l’hydrogène diffusible, l’apport thermique, la température et le niveau de contrainte de l’assemblage.

L’épaisseur modifie la vitesse de refroidissement du joint

Une pièce épaisse possède une masse importante capable d’absorber rapidement la chaleur introduite par l’arc. La zone soudée peut donc refroidir beaucoup plus vite que sur une petite pièce mince soumise au même procédé.

Sur certains aciers sensibles, ce refroidissement rapide peut favoriser la formation d’une zone affectée thermiquement dure et augmenter le risque de fissuration en présence d’hydrogène et de contraintes suffisantes.

Cette influence explique pourquoi un acier pouvant être soudé facilement en faible épaisseur peut nécessiter un préchauffage ou des paramètres plus rigoureusement contrôlés lorsque l’épaisseur augmente.

Le bridage et la géométrie de l’assemblage influencent également le risque de fissuration

Pendant le soudage, le métal chauffe, se dilate puis se contracte au refroidissement. Lorsque les pièces peuvent se déplacer légèrement, une partie de ces déformations peut être absorbée par l’assemblage.

À l’inverse, une structure fortement bridée empêche ces mouvements et transforme davantage la contraction en contraintes internes. Une géométrie très rigide peut donc rendre un assemblage plus sensible à certains mécanismes de fissuration.

La soudabilité doit ainsi être considérée avec la conception réelle de la pièce. Une éprouvette facilement soudable en atelier ne reproduit pas toujours les contraintes d’un assemblage épais et fortement retenu sur une structure industrielle.

La zone affectée thermiquement est au cœur de nombreux problèmes de soudabilité

À côté du métal fondu se trouve une partie du métal de base qui n’a pas atteint sa température de fusion mais dont la microstructure a été modifiée par la chaleur. Cette région est appelée zone affectée thermiquement, souvent abrégée ZAT.

Les températures atteintes et la vitesse de refroidissement peuvent y provoquer un grossissement du grain, un durcissement, un adoucissement ou d’autres transformations métallurgiques selon le matériau.

Sur certains aciers, la maîtrise de la ZAT constitue l’un des principaux objectifs de la procédure de soudage. Sur d’autres matériaux, comme certains alliages d’aluminium traités thermiquement, le chauffage peut au contraire entraîner une diminution locale de la résistance mécanique.

La fissuration à l’hydrogène est un risque majeur pour certains aciers

Certains aciers peuvent présenter une sensibilité à la fissuration à froid lorsque plusieurs facteurs sont réunis : présence d’hydrogène diffusible, microstructure suffisamment dure et fragile, contraintes de traction et température favorable au mécanisme.

L’hydrogène peut notamment provenir de l’humidité présente dans certains consommables, de surfaces contaminées ou de conditions de soudage mal maîtrisées. Les procédés et consommables à faible hydrogène permettent de réduire ce facteur.

Le préchauffage peut également ralentir le refroidissement, diminuer la dureté de certaines zones et favoriser la diffusion de l’hydrogène. La page suivante de cette FAQ explique plus précisément pourquoi certains aciers doivent être préchauffés avant soudage.

Une mauvaise soudabilité ne signifie pas forcément que le matériau est impossible à souder

Dire qu’un matériau présente une soudabilité difficile signifie généralement qu’une procédure plus rigoureuse est nécessaire pour obtenir les propriétés recherchées. Cela peut impliquer un préchauffage, un contrôle de la température entre passes, un métal d’apport particulier ou un traitement thermique après soudage.

Certains aciers trempés et revenus, aciers résistants au fluage, inox martensitiques ou autres alliages techniques sont couramment soudés industriellement malgré les précautions métallurgiques qu’ils imposent.

La notion de soudabilité sert justement à identifier ces difficultés afin de définir les moyens permettant de les maîtriser plutôt qu’à classer les métaux en deux catégories simplistes « soudables » et « non soudables ».

Un acier faiblement carboné possède généralement une bonne soudabilité

Les aciers de construction faiblement carbonés figurent parmi les matériaux les plus faciles à assembler par les procédés de soudage courants. Leur faible trempabilité limite généralement le risque de formation de microstructures très dures dans la zone affectée thermiquement.

Ils peuvent donc souvent être soudés sans traitement thermique particulier lorsque les épaisseurs restent modérées et que le joint, les consommables et les conditions de travail sont adaptés.

Cela ne signifie pas qu’ils sont exempts de tout risque. Sur des sections épaisses, avec un fort bridage ou des consommables apportant de l’hydrogène, des précautions supplémentaires peuvent malgré tout devenir nécessaires.

Les aciers à plus forte teneur en carbone demandent généralement davantage de précautions

Lorsque la teneur en carbone augmente, la trempabilité de l’acier augmente elle aussi et la zone affectée thermiquement peut devenir beaucoup plus dure après un refroidissement rapide.

Cette dureté peut réduire la ductilité et favoriser la fissuration lorsqu’elle est associée à de l’hydrogène et à des contraintes importantes. Le préchauffage, les consommables à faible hydrogène et la maîtrise de l’apport thermique deviennent alors particulièrement importants.

TWI indique ainsi que la composition du matériau, son épaisseur, l’apport thermique et le niveau de bridage font partie des facteurs majeurs qui influencent la sensibilité à la fissuration dans les aciers carbone-manganèse et faiblement alliés.

La notion de soudabilité s’applique aussi aux inox, à l’aluminium et aux autres métaux

La soudabilité ne concerne pas uniquement les aciers carbone. Les aciers inoxydables, alliages d’aluminium, alliages de nickel, cuivre, titane et autres matériaux possèdent eux aussi leurs propres difficultés métallurgiques.

Un inox austénitique peut présenter des risques de fissuration à chaud ou perdre localement certaines propriétés si le cycle thermique est mal maîtrisé. Un inox duplex demande notamment de conserver un équilibre microstructural approprié entre les différentes phases.

L’aluminium présente d’autres problèmes : forte conductivité thermique, couche d’oxyde, porosités et sensibilité à la fissuration de certains alliages. Notre page Pourquoi l’aluminium demande-t-il plus de précautions au soudage ? détaille ces particularités.

La fonte illustre bien la différence entre soudable et facilement soudable

De nombreuses fontes peuvent être réparées par soudage, mais leur teneur élevée en carbone et leur faible ductilité rendent l’opération nettement plus délicate que sur un acier doux.

Le contrôle du chauffage et du refroidissement, la préparation du défaut et le choix de consommables au nickel ou nickel-fer peuvent être nécessaires pour limiter les risques de fissuration.

La fonte est donc bel et bien soudable dans de nombreux cas, mais sa soudabilité impose une procédure beaucoup plus attentive. Notre réponse Peut-on souder de la fonte ? en donne un exemple concret.

Le procédé de soudage peut améliorer ou compliquer la soudabilité d’un assemblage

Chaque procédé introduit la chaleur différemment et possède ses propres caractéristiques en matière de vitesse, de pénétration, de métal d’apport et de protection du bain. Le choix du procédé peut donc modifier fortement la manière dont un matériau réagit au soudage.

Un procédé à forte densité d’énergie et à vitesse élevée peut réduire la largeur de la zone affectée thermiquement, mais produire un cycle de refroidissement très rapide. Un procédé apportant davantage de chaleur peut au contraire ralentir le refroidissement tout en augmentant les déformations.

Il faut donc rechercher un compromis correspondant au matériau et aux propriétés attendues. Le guide Quel procédé de soudage choisir ? présente les principales caractéristiques des procédés disponibles.

Le métal d’apport fait lui aussi partie de la soudabilité de l’assemblage

Lorsqu’un métal d’apport est utilisé, sa composition se mélange en partie avec celle du métal de base dans le bain de fusion. Le joint obtenu possède donc une composition et une microstructure qui dépendent à la fois du consommable et de la dilution.

Le métal d’apport doit permettre d’obtenir les caractéristiques mécaniques, métallurgiques et éventuellement anticorrosion recherchées. Un consommable choisi uniquement parce qu’il permet d’amorcer facilement l’arc peut être totalement inadapté à l’utilisation finale.

Cette question devient particulièrement importante dans les assemblages dissemblables. Notre réponse Peut-on souder de l’acier inoxydable avec de l’acier carbone ? montre comment le choix du métal d’apport permet notamment de gérer la dilution entre deux matériaux différents.

Les propriétés demandées en service font partie de la définition de la soudabilité

Un joint destiné à une décoration métallique n’est pas soumis aux mêmes exigences qu’une soudure de canalisation sous pression, une structure offshore, une construction ferroviaire ou un composant fonctionnant à haute température.

La même soudure peut être suffisante pour une utilisation et inacceptable pour une autre. Résistance statique, fatigue, ténacité à basse température, fluage, corrosion et comportement sous pression peuvent devenir des critères déterminants.

La soudabilité doit donc toujours être reliée à l’objectif de la construction. C’est l’une des raisons pour lesquelles une procédure industrielle définit bien davantage que l’intensité et la tension utilisées par le soudeur.

Comment évalue-t-on réellement la soudabilité d’un matériau ?

Une première évaluation peut être réalisée à partir de la nuance, de sa composition chimique, de son état métallurgique, de son épaisseur et de l’expérience disponible sur des matériaux comparables. Des recommandations techniques et normes applicables permettent ensuite d’identifier les précautions habituelles.

Pour les aciers, des indicateurs comme l’équivalent carbone peuvent contribuer à évaluer certains risques. Des essais spécifiques existent également pour étudier la susceptibilité à différents mécanismes de fissuration ou les propriétés mécaniques obtenues après soudage.

TWI rappelle ainsi que l’évaluation de la soudabilité peut nécessiter plusieurs essais, chacun étant destiné à étudier un aspect particulier du comportement du matériau. Il ne s’agit donc pas d’une caractéristique unique pouvant être résumée par un seul chiffre.

Une procédure de soudage permet de transformer cette connaissance en paramètres pratiques

Une fois les difficultés métallurgiques identifiées, elles doivent être traduites en conditions concrètes de fabrication : préparation du joint, procédé, consommable, préchauffage, température entre passes, apport thermique, séquence de soudage et éventuel traitement après soudage.

Pour les fabrications soumises à des exigences de qualité particulières, ces paramètres peuvent être définis dans une procédure puis validés par des essais appropriés. Le but est de démontrer que le mode opératoire permet effectivement d’obtenir les propriétés attendues.

La soudabilité ne relève donc pas uniquement de la métallurgie théorique : elle détermine directement la manière dont une pièce doit être préparée et soudée dans l’atelier.

Comment savoir si un métal sera facile à souder ?

Il faut d’abord identifier précisément le matériau et connaître, autant que possible, son état métallurgique. Pour un acier, la composition et notamment la teneur en carbone donnent déjà des indications importantes. L’épaisseur, la rigidité du joint et les conditions de service doivent ensuite être prises en compte.

Un matériau couramment utilisé dans des assemblages soudés et possédant une faible sensibilité aux transformations défavorables pourra être considéré comme ayant une bonne soudabilité dans les conditions prévues. À l’inverse, un matériau nécessitant un contrôle strict de la température, des consommables particuliers ou un traitement thermique sera considéré comme plus difficile à souder.

La bonne question n’est donc pas seulement « ce métal est-il soudable ? », mais plutôt « dans quelles conditions peut-on le souder pour obtenir les propriétés dont la pièce a besoin ? ».