Que sont les lignes obligataires ERW ?

Un appareil de diffraction des rayons X est utile pour analyser et mesurer la structure des matériaux dans les soudures autour des tubes.

Lors de la coupe transversale de sections de soudure représentatives dans le soudage par résistance électrique (ERW) (également connu sous le nom de soudage par résistance à haute fréquence), les ingénieurs peuvent rencontrer une ligne au centre de la soudure qui varie en forme, largeur, orientation et teinte, selon le type d'acier et la technique de gravure utilisée (voir Figure 1).

Les chercheurs de Thermatool Corp. ont découvert que cette ligne de liaison présente une dureté plus élevée que la soudure environnante en matériau SAE 4130 car elle comprend un mélange de ferrite, de bainite et de martensite non trempée. Habituellement, cette dureté plus élevée dans la ligne de liaison peut être associée à une perte de ténacité dans la soudure et peut être améliorée par un traitement thermique de recuit post-soudage, selon les études de Battelle. Dans d'autres cas, la ligne de liaison peut être plus souple que la soudure environnante, en particulier dans les nuances d'acier à faible teneur en carbone telles que SAE 1010, ainsi que les soudures ERW en acier inoxydable.

Étant donné que la ligne de liaison représente un manque d'homogénéité dans la microstructure, elle a été soupçonnée de provoquer des défaillances de soudure, en particulier parce que de véritables discontinuités telles que des inclusions d'oxyde peuvent être piégées au même endroit au niveau de la ligne centrale de la soudure.

Déterminer ce que sont réellement les lignes de liaison et à quel point elles peuvent être dangereuses pour l'intégrité des soudures mérite un examen plus approfondi de la recherche.

Comprendre les lignes de soudure ERW nécessite une discussion sur le processus lui-même - une technique d'assemblage à l'état solide dans laquelle le chauffage par joule (résistif) est utilisé pour produire une liaison métallurgique.

Au cours de la dernière étape de forgeage du processus, toutes les particules et inclusions non métalliques sont éjectées de l'interface avec le métal plastifié. Cet excès de métal sur le diamètre extérieur et parfois sur le diamètre intérieur peut être éliminé par décriquage juste après le soudage. Le processus ERW est principalement utilisé dans les applications automatisées continues de soudures longitudinales pour les produits tubulaires. Un schéma du processus de soudage par induction est représenté sur la figure 2a, dans le soudage en continu d'un produit tubulaire. La figure 2b montre le soudage haute fréquence (HF) par contact, dans lequel le courant est transféré au joint à l'aide de contacts glissants.

Essentiellement, le processus ERW est classé comme une variante du soudage par résistance, car le chauffage joule (résistif) d'une très petite section transversale des bords à assembler fournit la source de chaleur pour le soudage.

Selon les études de l'Université LeTourneau, les principales variables du processus ERW comprennent la puissance, la fréquence, la vitesse de soudage, l'angle V, la position de l'obstacle, la pression du rouleau de soudage et la quantité de bouleversement total pendant le forgeage. Notez que les bords ne doivent pas fondre pendant le processus et que l'instabilité du processus et la formation d'arcs entre les bords adjacents peuvent parfois se produire. Tous les produits de fusion localisés doivent être éjectés dans la bavure afin que la soudure finale reste un joint à l'état solide.

Il est important de noter que l'utilisation de l'effet de peau - la capacité des courants à haute fréquence à circuler à la surface d'un conducteur - est très importante pour l'efficacité du chauffage au niveau des bords à assembler. Lorsque la fréquence augmente, la profondeur de la peau conductrice d'électricité diminue à mesure que la résistance augmente pour le même courant de soudage, produisant des températures plus élevées. Typiquement, des fréquences de 100 à 900 kHz sont utilisées, la plus courante étant de 100 à 300 kHz pour le soudage de tubes en acier.

Le deuxième effet important dans ERW est l'effet de proximité, qui concerne la concentration de courant entre deux conducteurs parallèles en fonction de l'écart entre eux. À un écart ou à une proximité optimale entre les deux bords de l'acier illustré à la figure 2b, la génération de chaleur est optimisée à un petit angle en V (éventuellement de 2 à 4 degrés).

FIGURE 1. Cette coupe transversale d'une soudure ERW de production montre une ligne de liaison typique (ligne jaune) et une zone traitée thermomécaniquement (TMPZ) (ligne bleue). La soudure ERW a été réalisée dans un acier SAE 4130 avec une épaisseur de paroi de 9,5 mm et une attaque Nital.

L'examen critique d'une vaste base de données de soudures a été rendu possible par Thermatool Corp., où des années d'échantillons de sections transversales de soudures de production ont été examinées dans le contexte des paramètres de l'usine de production et de la formation de défauts. Une analyse comparative avec des publications de R&D accessibles au public a complété cette étape du travail, basée principalement sur la microstructure, la géométrie et la morphologie de la ligne de liaison.

Des chercheurs de l'Université LeTourneau ont examiné des lignes de liaison simulées dans des situations dans lesquelles un système thermomécanique Gleeble 1500 était couplé à un système d'alimentation industriel à fréquence variable de 100 kVA capable de produire des soudures dans la plage de 100 à 900 kHz.

Le but de cette combinaison était de découpler les effets thermiques des effets mécaniques pendant les restes explosifs des guerres et de fournir une configuration réaliste dans laquelle l'écart entre les bords, la fréquence et la puissance pourrait être ajusté indépendamment du forgeage. Des niveaux de puissance entre 15 et 75 kW ont été utilisés, tandis que les fréquences de soudage ont été fixées à 250, 300 et 400 kHz.

Des tests métallographiques et de dureté ont été utilisés pour corréler la qualité des soudures simulées par Gleeble avec les soudures ERW de production. Les bons paramètres de corrélation ont été présentés lors d'une conférence sur la recherche en soudage à Calloway Gardens, où la méthode Taguchi a été utilisée pour construire une matrice de conception d'expérience (DOE) et classer le poids de chaque entrée thermique et mécanique sur la qualité et la géométrie de la soudure simulée. Les effets de la perturbation totale et de la vitesse de déformation sur la recristallisation dynamique ont été étudiés. Des tests de compression ont été effectués à différents taux de déformation de compression entre 0,5 pouce/pouce/sec. à 40 pouces/pouces/sec. et différentes températures maximales constantes.

Parmi la multitude d'autres résultats trouvés dans la série de simulations physiques, les chercheurs en ont choisi un lié à la largeur de la zone traitée thermomécaniquement (TMPZ) (voir la figure 3).

Plus de 30 soudures HF simulées ont été réalisées à différents niveaux de puissance et fréquences, et la ligne de liaison simulée est restée droite et approximativement de la même largeur de 20 à 40 microns. La largeur moyenne de TMPZ a toutefois changé, en particulier avec la fréquence de soudage (voir la figure 4).

Les DOE ont montré le classement relatif des facteurs affectant la largeur de la TMPZ :

Fait intéressant, les lignes de liaison ont été reproduites en chauffant et en comprimant des barres pleines en utilisant les mêmes cycles thermiques dans le Gleeble, en d'autres termes, sans même effectuer de soudures HF à l'aide de deux pièces aboutées (voir Figure 5).

Cette capacité à produire des microstructures similaires à une ligne de liaison dans une barre solide en la soumettant à des gradients de température et à des taux de déformation élevés prouve que les lignes de liaison ne doivent pas nécessairement être des restes microstructuraux de deux bords en butée pendant ERW.

Deux soudures HF réelles différentes ont été comparées au hasard pour corréler les différences de dureté et de taille de grain entre le métal de base et la ligne de liaison. Comme le montre la figure 6, il y avait un grossissement important du grain au niveau des lignes de liaison en acier SAE 1010 et 4130 par rapport au métal de base. En conséquence, la dureté dans l'axe de la soudure était plus faible (toute la ferrite delta) dans l'acier 1010 et plus élevée - 40 % de bainite + 40 % de martensite + 20 % de ferrite delta - dans l'acier 4130. Le mélange a été déterminé à l'aide d'une analyse par diffraction des rayons X (XRD).

FIGURE 2. Le processus ERW est illustré ici avec un schéma (notez l'obstacle sur le côté ID et le V où la chaleur est générée [flèche rouge]) et dans une vue de dessus du soudage à haute fréquence à l'aide de patins de contact glissants. (Dessin basé sur une image tirée du manuel de soudage d'AWS, 7e édition.)

La taille moyenne des grains au niveau de la ligne de liaison est représentée sur la figure 7, telle que déterminée par métallographie optique.

Une analyse par diffraction du spectre de rétrodiffusion d'électrons (EBDS) a été effectuée au niveau de la ligne de liaison pour les soudures SAE 1010 et 4130 (voir la figure 8). Aucune différence apparente d'orientation des grains n'a été trouvée au niveau de la ligne de liaison dans l'un ou l'autre des aciers, ce qui montre à nouveau que les lignes de liaison ne sont pas si différentes de leur environnement.

Cette analyse utilise des pics d'énergie de diffraction d'électrons rétrodiffusés recueillis au microscope électronique à balayage. Les résultats désignent les orientations des grains et les joints de grains à fort grossissement. Ceci est différent de la gravure chimique, qui attaque les joints de grains et crée un contraste optique. Par conséquent, l'EBSD est plus précis que la gravure et n'a révélé aucun changement important dans l'orientation des grains au niveau de la ligne de liaison.

Les mesures de dureté pour les deux aciers à la ligne de liaison ont révélé des résultats assez différents (voir Figure 9).

Dans les aciers au carbone, les deux soudures ont montré une augmentation de la dureté dans les zones affectées thermiquement. Pour le grade 4130, la microstructure martensitique était d'environ 750 HV 0,05 autour de la ligne de liaison, mais dans le SAE 1010, il y avait des zones de dureté inférieure. Dans les profils de dureté des soudures de nuances 1010 et 4130, la légère baisse a confirmé la formation de ferrite delta dans la microstructure. La DRX n'a ​​également révélé que de la ferrite à cet endroit (voir Figure 10).

Lorsqu'elles sont gravées correctement, les lignes de liaison peuvent présenter des arêtes vives. En outre, leur largeur, leur position et leur orientation peuvent être correctement documentées.

D'autre part, le manque de parallélisme des bords de la ligne de liaison (en particulier l'élargissement) indique une compression locale insuffisante, laissant des inclusions piégées dans la soudure.

Cette analyse souligne l'importance de la forme et de l'orientation de la ligne de liaison comme indicateur de la qualité de la soudure ERW. Bien qu'aucune défaillance de soudure n'ait été observée sur des lignes de liaison saines, leur géométrie et leur orientation indiquaient d'éventuels défauts de soudure ailleurs dans la soudure (qui, à leur tour, pourraient être à l'origine d'une défaillance).

Des défauts géométriques peuvent également se développer dans les soudures ERW en raison d'une mauvaise présentation des bords, et l'amincissement résultant de la soudure par rapport à l'épaisseur de paroi initiale peut provoquer une défaillance précoce.

FIGURE 3. Cette simulation de soudure HF a été réalisée dans la configuration Gleeble à l'aide de deux 10 mm de diamètre. Barres rondes SAE 4130, initialement espacées à un écart de 1 mm. Notez la forme en sablier du TMPZ par opposition à la ligne de liaison droite.

Le Dr Leijun Li, professeur à l'Université de l'Alberta, a découvert dans les mêmes aciers que les lignes de soudure HF simulées par Gleeble n'étaient pas des bords décarburés, car l'analyse par spectroscopie dispersive en longueur d'onde n'a pas montré d'épuisement significatif du carbone au niveau de la ligne de liaison. Il a découvert que la région de la ligne centrale plus douce est constituée de lignes de ferrite delta piégées au niveau de la ligne centrale de la soudure et a proposé un scénario plausible pour l'expliquer. Son schéma montre le métal liquide éjecté de l'interface et la ferrite delta retenue dans la soudure finale (l'austénite se transforme en perlite lors du refroidissement). En effet, les tests XRD n'ont révélé que de la ferrite delta dans cette région (voir "Bond Formation Mechanism for Resistance Welding of X70 Pipeline Steels", Welding Journal, août 2020).

Sur la base d'une analyse réelle des restes explosifs de guerre et de simulations physiques améliorées par des techniques analytiques avancées, les chercheurs ont conclu :