Peut-on souder un acier traité thermiquement ?

Le terme acier traité thermiquement recouvre des matériaux très différents

Dire qu’un acier a été traité thermiquement ne suffit pas pour déterminer son comportement au soudage. Le traitement peut avoir servi à adoucir le matériau, à homogénéiser sa structure, à augmenter sa résistance ou à obtenir un compromis précis entre dureté et ténacité.

Un acier normalisé n’est donc pas dans le même état qu’un acier trempé et revenu, et une pièce mécanique durcie pour résister à l’usure ne doit pas être assimilée à une tôle de construction ayant reçu un traitement destiné à améliorer sa ténacité.

Les différences entre les principaux traitements sont présentées dans notre FAQ Quelle différence entre recuit, normalisation, trempe et revenu ?.

La première précaution consiste à identifier exactement la nuance et son état

Avant de souder un acier traité, il faut rechercher sa désignation complète, sa norme, son état de livraison et, lorsque cela est possible, la documentation du fabricant. Ces informations permettent de comprendre comment les propriétés du matériau ont été obtenues.

Sur une fabrication neuve, le certificat matière et les plans fournissent généralement ces éléments. Sur une pièce ancienne ou une réparation, l’identification peut être plus difficile et le simple aspect du composant ne permet pas de déterminer son traitement thermique d’origine.

L’importance de l’état de livraison est détaillée dans notre article Quelle influence l’état de livraison d’un acier a-t-il sur le soudage ?.

Le soudage crée localement un nouveau cycle thermique dans le matériau

Lorsqu’un joint est réalisé, une petite partie du matériau atteint la fusion tandis que les régions voisines sont chauffées à des températures décroissantes à mesure que l’on s’éloigne du cordon. L’ensemble refroidit ensuite à une vitesse dépendant de l’épaisseur, de la température initiale, du procédé et de l’énergie introduite.

Une partie du métal de base traité thermiquement subit ainsi un cycle différent de celui qui lui avait donné ses propriétés initiales. La structure, la dureté, la résistance ou la ténacité peuvent donc évoluer localement.

Cette modification n’implique pas automatiquement que l’assemblage devient mauvais. Elle doit simplement être prévue et maîtrisée afin que les propriétés finales du joint restent compatibles avec les exigences de la pièce.

Un acier trempé et revenu peut parfaitement être conçu pour être soudé

Les aciers trempés et revenus sont souvent associés à une résistance élevée, ce qui pourrait laisser croire qu’ils ne doivent jamais être soudés. En réalité, de nombreux aciers de construction de cette famille sont spécifiquement produits pour être utilisés dans des structures soudées.

Leur composition chimique, leur propreté métallurgique et leur traitement sont alors adaptés pour fournir à la fois une résistance élevée et une soudabilité exploitable avec une procédure appropriée.

TWI rappelle que les aciers trempés et revenus peuvent être soudables, mais que les limites concernant l’apport thermique, le préchauffage et la température entre passes doivent être respectées afin de préserver les propriétés du matériau.

Un refroidissement trop rapide peut favoriser une zone dure et sensible à la fissuration

Certains aciers traités possèdent une trempabilité élevée. Lorsqu’ils sont chauffés par le soudage puis refroidissent rapidement, une structure dure peut se former localement dans le métal de base proche du joint.

Si cette structure sensible est combinée à la présence d’hydrogène diffusible et à des contraintes importantes, le risque de fissuration à froid augmente. Ce phénomène peut apparaître après le refroidissement et n’est pas nécessairement visible immédiatement à la fin du soudage.

La maîtrise de l’hydrogène, le préchauffage lorsque celui-ci est nécessaire et le contrôle du cycle thermique constituent alors des éléments importants de la procédure.

Un apport thermique trop élevé peut au contraire provoquer un adoucissement local

Le problème inverse peut également se produire. Lorsqu’un acier doit sa résistance à une trempe et un revenu soigneusement contrôlés, un cycle de soudage trop lent ou trop chaud peut modifier cet état et provoquer un adoucissement dans certaines régions proches du joint.

La dureté et la résistance locales peuvent alors devenir inférieures à celles du métal de base non affecté. Sur un acier à haute résistance, cette diminution peut devenir importante pour le dimensionnement de l’assemblage.

C’est pourquoi certains fabricants imposent non seulement une énergie minimale permettant d’éviter un refroidissement excessivement rapide, mais également une énergie maximale destinée à limiter l’adoucissement et le grossissement de la structure.

Le préchauffage doit être choisi en fonction de l’acier et non appliqué systématiquement

Le préchauffage ralentit le refroidissement du joint, favorise la diffusion de l’hydrogène et peut réduire le risque de formation d’une structure excessivement dure. Il constitue donc une mesure courante pour certains aciers fortement trempants ou certaines pièces épaisses.

Mais davantage de chaleur n’est pas toujours synonyme de davantage de sécurité. Sur certains aciers à haute résistance, une température initiale ou entre passes trop élevée peut contribuer à un refroidissement trop lent et à une dégradation des propriétés recherchées.

La température de préchauffage doit donc résulter de la nuance, de l’épaisseur, de la teneur en hydrogène du procédé, du niveau de bridage et des recommandations applicables, plutôt que d’une valeur générale utilisée pour tous les aciers traités.

La température entre passes est particulièrement importante sur certains aciers à haute résistance

Dans une soudure multipasse, la pièce n’a pas toujours le temps de revenir à température ambiante entre deux cordons. La température présente au moment où la passe suivante est déposée constitue la température entre passes.

Une température minimale peut parfois être nécessaire pour conserver les effets du préchauffage, tandis qu’une température maximale peut être imposée afin d’éviter une accumulation excessive de chaleur.

Sur les aciers dont les propriétés proviennent d’un traitement précis, cette limite supérieure devient importante pour préserver les caractéristiques mécaniques de la région soudée.

Le métal d’apport n’a pas toujours besoin d’être plus résistant que le métal de base

Sur un acier très résistant, choisir systématiquement le consommable donnant la résistance mécanique la plus élevée n’est pas nécessairement la meilleure solution. Un métal d’apport très allié peut être plus sensible à la fissuration et augmenter les contraintes dans l’assemblage.

Selon la conception, la résistance requise et la procédure qualifiée, un métal d’apport présentant une résistance légèrement inférieure à celle du métal de base peut parfois être utilisé. Cette stratégie, appelée undermatching, doit cependant être validée par le calcul et les exigences de fabrication.

TWI souligne notamment que le choix d’un métal d’apport permettant de reproduire exactement la résistance du métal de base peut devenir difficile sur certains aciers trempés et revenus à très haute résistance. :contentReference[oaicite:1]{index=1}

Les aciers normalisés sont également concernés par leur historique thermique

Un acier normalisé possède des propriétés obtenues grâce à un chauffage et un refroidissement définis. Cette famille est généralement bien connue dans les constructions soudées et de nombreux aciers normalisés sont couramment assemblés sans difficulté particulière.

Il reste néanmoins nécessaire de tenir compte de leur nuance, de leur épaisseur et de leur composition. Le fait qu’un acier soit normalisé ne constitue ni une garantie absolue de soudabilité ni une difficulté particulière en soi.

Comme pour les autres états métallurgiques, c’est la combinaison du matériau et de la procédure de soudage qui détermine les propriétés finales du joint.

Le cas d’une pièce mécanique traitée demande davantage de prudence

Une réparation sur un arbre, un axe, un engrenage, un outil ou une pièce de machine pose un problème différent de celui d’une tôle neuve dont la nuance et l’état de livraison sont parfaitement documentés.

Ces composants peuvent avoir reçu une trempe à cœur, un traitement local, un durcissement superficiel ou plusieurs traitements successifs destinés à fournir une dureté et une résistance précises. Une soudure peut localement supprimer ou modifier ces caractéristiques.

La réparation ne doit donc pas être décidée uniquement parce qu’il est techniquement possible de déposer du métal sur la pièce. Il faut savoir quelles propriétés sont nécessaires au fonctionnement du composant et déterminer si elles pourront être conservées ou restaurées après l’intervention.

Une mesure de dureté ne suffit pas toujours à identifier le traitement d’origine

La dureté fournit une information intéressante sur l’état actuel d’un matériau, mais elle ne permet pas nécessairement de déterminer sa nuance ou toute son histoire thermique. Plusieurs combinaisons de composition et de traitement peuvent conduire à des niveaux de dureté proches.

Sur une réparation importante, il est donc préférable de rechercher la documentation du constructeur, la nuance ou une analyse du matériau lorsque l’identification est incertaine.

Une procédure basée uniquement sur l’hypothèse « la pièce est dure, donc elle est trempée » peut conduire à un choix incorrect de préchauffage, de consommable ou de traitement ultérieur.

Un traitement thermique après soudage doit rester compatible avec le traitement initial

Un PWHT peut être nécessaire sur certaines fabrications afin de détendre les contraintes ou de modifier les structures créées par le soudage. Mais sur un acier déjà traité, ce nouveau cycle thermique peut également transformer le métal de base.

Pour un acier trempé et revenu, la température utilisée après soudage doit notamment être choisie de manière à ne pas annuler les propriétés obtenues lors du revenu initial. Une température excessive peut provoquer un sur-revenu et un adoucissement du matériau.

La logique complète du traitement après assemblage est détaillée dans notre FAQ Qu’est-ce qu’un traitement thermique après soudage ?.

Une procédure qualifiée permet de vérifier les propriétés obtenues après soudage

Lorsque les propriétés de l’assemblage sont critiques, il ne suffit pas de déterminer visuellement qu’un cordon est correctement formé. La procédure doit démontrer que le joint obtenu possède les caractéristiques requises pour l’application.

Les essais réalisés lors d’une qualification peuvent notamment vérifier la résistance, la dureté, la ductilité, la ténacité ou d’autres propriétés suivant le matériau et les exigences applicables.

Cette démarche prend toute son importance avec les aciers à haute résistance ou traités thermiquement, puisque l’enjeu n’est pas seulement d’obtenir une soudure sans défaut visible mais également de préserver des propriétés mécaniques adaptées autour du joint.

Comment souder correctement un acier traité thermiquement ?

Il faut commencer par identifier la nuance exacte, l’état de livraison et le traitement subi par le matériau. Les recommandations du fabricant ou de la norme de produit permettent ensuite de connaître les limites éventuelles de préchauffage, d’énergie de soudage et de température entre passes.

Le procédé et le métal d’apport doivent être choisis en fonction des propriétés réellement exigées, avec une maîtrise adaptée de l’hydrogène lorsque le matériau présente une sensibilité à la fissuration.

Enfin, un éventuel traitement après soudage ne doit être appliqué que s’il est compatible avec l’état initial de l’acier. La bonne question n’est donc pas simplement « cet acier traité peut-il être soudé ? », mais « quelle procédure permet de le souder tout en conservant les propriétés dont la pièce a besoin ? ».