L'acier au carbone est un matériau fréquemment utilisé en soudage, car il est non seulement robuste, mais aussi abordable et polyvalent. Il est utilisé dans de nombreux secteurs, des pipelines à la construction, en passant par les appareils électroménagers. Cependant, le soudage de l'acier au carbone présente également des défis. Il doit être manipulé avec soin pour garantir une qualité et une durabilité optimales.

Comme il existe différents types d'acier au carbone, la chaleur réagit différemment avec chacun d'eux. Par exemple, l'acier à faible teneur en carbone est plus facile à souder que l'acier à haute teneur en carbone. Le choix de la technique, du traitement thermique et des matériaux d'apport appropriés permet de relever les défis du soudage.

Il est donc important de comprendre les différentes propriétés de l'acier au carbone. Nous aborderons le soudage de l'acier au carbone, ses différents types, ses défis, les techniques de soudage appropriées et bien plus encore.

Qu'est-ce que l'acier au carbone ?

L'acier au carbone est un alliage de fer et de carbone, additionné de soufre, de manganèse et de silicium. La teneur en carbone de ces alliages détermine leur dureté et leur résistance. L'acier à haute teneur en carbone présente une teneur plus élevée en carbone, ce qui lui confère une résistance et une dureté supérieures, mais rend le soudage difficile en raison de sa ductilité réduite.

Il existe trois grandes catégories d'acier au carbone, selon leur composition et leur teneur en carbone. Il s'agit de l'acier à haute teneur en carbone, de l'acier à teneur moyenne en carbone et de l'acier à faible teneur en carbone (acier doux contenant respectivement 0,60%-1,50%, 0,30%-0,60% et jusqu'à 0,30%).

Plus la teneur en carbone de l'acier au carbone est faible, plus sa soudabilité est élevée. De plus, l'acier à faible teneur en carbone est moins sujet aux défauts de soudage tels que les fissures et la porosité. Certaines propriétés affectent le soudage de l'acier au carbone.

Propriétés affectant le soudage de l'acier au carbone

Le soudage de l'acier au carbone dépend de facteurs tels que la composition, la réponse thermique et les propriétés mécaniques. Il est important de comprendre ces facteurs pour choisir les techniques de soudage appropriées et minimiser les défauts tels que les fissures, la porosité et la déformation.

1. Résistance, ductilité et dureté

La résistance est la capacité d'un matériau à supporter une force sans se briser ni se rompre. La résistance est augmentée par l'augmentation de la teneur en carbone.

Cependant, cela diminue la ductilité. La ductilité est la capacité d'un métal à s'étirer ou à se déformer sans se rompre. Une faible teneur en carbone augmente la ductilité et rend l'acier au carbone facilement soudable.

D'autre part, la dureté correspond à la résistance à l'usure et à l'indentation. L'acier à haute teneur en carbone est plus sujet aux fissures lors du soudage en raison de sa dureté élevée.

2. Effet de la teneur en carbone sur le soudage

Comme mentionné, la teneur en carbone joue un rôle énorme dans la détermination de l’efficacité et de la facilité de soudabilité de l’acier au carbone.

L'acier bas carbone est l'acier au carbone le plus facile à souder, car il contient le moins de carbone possible. Il réduit les risques de fissures et de durcissement. Il peut être soudé sans traitement thermique avant et après soudage.

L'acier à teneur moyenne en carbone présente une teneur plus élevée en carbone et est sujet aux fissures. Le préchauffage du matériau et le contrôle de l'apport de chaleur contribuent à l'obtention de soudures de haute qualité. Pour préserver sa résistance, il est important de choisir le bon matériau d'apport.

Comme son nom l’indique, l’acier à haute teneur en carbone a la teneur en carbone la plus élevée, ce qui signifie qu’il peut facilement se fissurer.

Vous devez donc effectuer un refroidissement lent, un chauffage avant soudage et un traitement de chauffage après soudage (parfois) pour minimiser la fragilité et soulager les contraintes résiduelles.

3. Impuretés et éléments d'alliage

Le carbone est sans aucun doute le facteur le plus important pour la soudabilité des matériaux. Cependant, d'autres éléments d'alliage présents dans l'acier au carbone ont également une certaine influence.

Par exemple, le manganèse aide à réduire la fragilité et à améliorer la ténacité, ce qui rend le soudage assez durable.

Le silicium contribue à prévenir l'oxydation lors du soudage et améliore la résistance. Le phosphore et le soufre offrent certes de bonnes propriétés, mais augmentent les risques de fissuration. L'azote et l'oxygène, quant à eux, favorisent la porosité.

4. Zone affectée par la chaleur (ZAT)

La zone entourant la soudure est affectée par une chaleur extrême et est appelée zone affectée par la chaleur (ZAT).

Elle subit d'importantes variations de température, modifiant les propriétés du matériau. Cette zone est essentielle pour les aciers à haute et moyenne teneur en carbone, car un excès de chaleur entraîne échauffement, déformation et contraintes résiduelles.

Tous ces facteurs provoquent des fissures et des défaillances structurelles et rendent l’acier plus fragile.

5. Contrôle des fissures et des distorsions

Les soudeurs utilisent plusieurs techniques pour contrôler les fissures, les déformations et autres défauts de soudage. Les plus courantes sont le préchauffage, les traitements thermiques post-soudage et le contrôle de la température entre les passes.

Le préchauffage ralentit non seulement la vitesse de refroidissement pour réduire la dureté, mais contribue également à réduire les risques de fissuration.

Les traitements thermiques post-soudage réduisent les contraintes résiduelles et améliorent les microstructures à haute teneur en carbone du matériau. Par ailleurs, le contrôle de la température entre les passes contrôle les zones affectées thermiquement et le refroidissement de l'espace de travail, minimisant ainsi l'accumulation de contraintes.

Types d'acier au carbone et leurs défis

Il existe trois types d'acier au carbone selon leur teneur en carbone. Tous ne se valent pas.

Il en va de même pour leur méthode/technique de soudage. Les défis du soudage augmentent avec l'augmentation de la teneur en carbone de ces types de métaux, car celle-ci diminue la ductilité et augmente la dureté.

Nous discuterons des types en détail et verrons à quels défis de soudage ils sont confrontés.

1. Soudage de l'acier à faible teneur en carbone

L'acier à faible teneur en carbone est communément appelé acier doux et contient jusqu'à 0,30% carboneGrâce à sa faible teneur en carbone, c'est le type d'acier le plus facile à souder. Il est très ductile et sa dureté est faible. Cet acier au carbone est utilisé dans de nombreuses applications structurelles, notamment dans les pipelines et la construction automobile.

Comme l'acier bas carbone ne durcit pas trop pendant le soudage, aucun préchauffage n'est nécessaire. Les trois techniques de soudage les plus courantes pour l'acier bas carbone sont le soudage à l'électrode enrobée, le soudage MIG et le soudage TIG.

Cependant, il existe un défi à relever : éviter les contaminations, car elles fragilisent la soudure. Pour cela, il est nécessaire de nettoyer la surface du matériau afin d'éliminer la poussière, la saleté et la rouille, et d'éviter la porosité et la fragilisation des joints.

Il est également recommandé de contrôler l'apport de chaleur afin d'éviter une déformation excessive. Ceci est particulièrement important pour les tôles fines. Bien que l'acier doux soit facile à souder, la négligence des ouvriers peut entraîner des défauts de soudure.

2. Soudage de l'acier à teneur moyenne en carbone

L'acier au carbone moyen a une teneur en carbone de 0,30% à 0,60%. Comme il est plus résistant et plus dur que l’acier à faible teneur en carbone, il est plus susceptible de se fissurer et d’autres défauts de soudage en cas de mauvaise manipulation.

Ce type d'acier au carbone a plusieurs applications dans la fabrication d'engrenages, d'essieux et de machines, car la résistance à l'usure et à la résistance sont très critiques dans ces industries.

Contrairement à l'acier doux, cet acier au carbone exige un contrôle minutieux du préchauffage et des vitesses de refroidissement. Le traitement de préchauffage ralentit la vitesse de refroidissement et réduit les risques de fissuration dans la zone affectée par la chaleur.

La température de préchauffage est réglée en fonction de l'épaisseur du matériau et de sa teneur en carbone. Elle se situe généralement entre 120 et 260 °C.

Si l'acier à teneur moyenne en carbone est refroidi très rapidement, il forme très rapidement une microstructure dure pendant le soudage, ce qui entraîne une fragilité accrue et une défaillance de la soudure.

Pour résoudre ce problème, des traitements thermiques post-soudage (PWHT) sont effectués pour améliorer la ténacité et réduire les contraintes résiduelles. Il est également essentiel de sélectionner un matériau d'apport adapté, préservant l'intégrité structurelle et compatible avec le matériau de base.

3. Soudage de l'acier à haute teneur en carbone

Comme son nom l'indique, il contient la plus grande quantité de carbone. L'acier à haute teneur en carbone a une teneur en carbone de 0,60% à 1,50%, augmentant encore plus la dureté et la résistance que l'acier à teneur moyenne en carbone.

Bien qu'il soit le plus résistant, il est aussi le plus difficile à souder en raison de sa dureté. L'acier à haute teneur en carbone trouve de nombreuses applications dans les composants haute résistance, les ressorts et les outils de coupe, car ils nécessitent une durabilité extrême.

Parmi les défis du soudage, la principale préoccupation est la fissuration due au refroidissement rapide. Le préchauffage est donc une bonne solution pour y remédier. Préchauffez à des températures comprises entre 260 °C et 400 °C, ce qui réduit l'écart de température entre la soudure et le matériau de base. Cela réduit également les contraintes internes.

Un autre point à prendre en compte est le choix du matériau d'apport approprié. Il est conseillé d'utiliser un matériau d'apport à faible teneur en carbone, car il est facile à souder et empêche considérablement la zone affectée par la chaleur de surchauffer.

Il est également nécessaire de contrôler le refroidissement. Pour cela, recouvrez toute la soudure de matériaux isolants afin de ralentir le refroidissement. Vous pouvez utiliser des couvertures thermiques ou du sable.

Un traitement thermique post-soudage (PWHT) est nécessaire pour ramener une certaine ductilité et adoucir les zones durcies.

Cette étape, appelée revenu ou détente, consiste à chauffer à nouveau les zones soudées à basse température, puis à les laisser refroidir très lentement.

Si vous sautez cette étape, cela peut augmenter les risques de fragilité du matériau, entraînant une défaillance sous contrainte.

Meilleures méthodes de soudage pour l'acier au carbone

Étant donné que l’acier au carbone a un grand nombre d’applications, les soudeurs doivent sélectionner une technique de soudage qui garantit une soudure de haute qualité qui est non seulement durable mais également exempte de défauts.

Voici les types de méthodes de soudage utilisées pour le soudage au carbone.

Soudage à l'arc

Soudage à l'arc

Soudage à l'arc ou soudage à l'arc sous protection métallique (SMAW) Le soudage est l'une des méthodes les plus utilisées, car il est simple à réaliser et polyvalent. Ce procédé utilise une électrode enrobée de flux qui, une fois fondue par la torche, produit un gaz de protection. Ce gaz protège la soudure des contaminants externes.

Soudage à l'arc sous gaz métal

Soudage à l'arc sous gaz métal

Aussi appelé MIGCette méthode est très efficace et automatisable. Un fil continu sert d'électrode. Un gaz de protection externe assure la protection contre les contaminants. Elle produit un minimum de scories et est plus rapide.

Soudage à l'arc sous gaz tungstène

Soudage à l'arc sous gaz tungstène

Cette méthode est particulièrement adaptée pour obtenir une précision optimale lorsque des soudures de haute qualité sont requises. Le soudage TIG utilise un blindage avec une électrode en tungstène non consommable. Cette méthode produit des soudures plus propres et plus contrôlées grâce à un meilleur contrôle de l'apport de chaleur. L'avantage principal est que le soudage peut être réalisé avec ou sans apport de matériau.

Soudage à l'arc avec fil fourré

Soudage à l'arc avec fil fourré

Le soudage à l'arc avec fil fourré est similaire au soudage à l'arc sous gaz. Cependant, il utilise un fil-électrode tubulaire rempli de flux pour produire son propre gaz de protection. C'est pourquoi il est idéal pour les applications extérieures et les applications intensives. Il est particulièrement efficace pour l'acier au carbone épais et offre une pénétration plus profonde.

Soudage oxy-combustible

Également appelé soudage au gaz simple, il utilise une flamme produite par la combustion d'acétylène et d'oxygène pour fondre et fusionner l'acier au carbone. Son utilisation est peu fréquente de nos jours, mais ses applications sont limitées. Il ne nécessite pas de courant électrique et est portable.

Les soudures qu'il produit ne sont pas de bonne qualité. De plus, il n'est pas adapté aux matériaux épais.

Comment souder l'acier au carbone ?

Soudage de l'acier au carbone

Le soudage de l'acier au carbone est une méthode progressive, dont chaque étape doit être réalisée avec soin. Une exécution soignée est essentielle pour minimiser les défauts de soudage et maintenir la qualité du soudage.

1. Préparation de la surface métallique

La préparation de la surface métallique garantit des soudures de haute qualité. Si vous ne retirez pas l'huile, la graisse, la peinture, la saleté et la rouille, cela entraînera une porosité. Commencez donc par nettoyer la surface à l'aide d'une brosse métallique, d'un nettoyant chimique ou d'une meuleuse.

Préparez les bords des sections épaisses en acier au carbone. L'angle de biseau doit être compris entre 30 et 45 degrés selon la technique de soudage.

Positionnez et fixez les pièces avec précision à l'aide de soudures par points ou de pinces pour garantir l'absence de désalignements.

2. Sélectionnez la bonne électrode ou le bon matériau de remplissage

L'acier à faible teneur en carbone utilise les électrodes E6010 et E7018 pour le soudage à l'arc sous électrode enrobée. En revanche, pour le soudage MIG, l'ER70S-6 est une bonne option. Des traitements thermiques avant et après soudage sont nécessaires pour l'acier à moyenne teneur en carbone.

Ils utilisent des électrodes E7018 ou ER80S-D2. Par ailleurs, l'acier à haute teneur en carbone étant cassant et dur, ils utilisent une électrode à base de nickel ou en acier inoxydable pour réduire les fissures. Pour ce type d'acier, un refroidissement et un préchauffage lents sont également nécessaires.

3. Définissez les bons paramètres

Chaque type d'acier au carbone requiert des paramètres spécifiques pour un soudage précis. Par exemple, le soudage à l'électrode enrobée s'effectue avec un courant de 75 à 200 ampères et un angle d'électrode de 10 à 15 degrés. Il est essentiel de maintenir une vitesse uniforme pour éviter les arrachements.

La tension de soudage MIG doit être comprise entre 18 et 24 V, avec une vitesse de fil de 630 à 1270 mm/min. Pour le soudage TIG, le courant doit être compris entre 50 et 200 ampères. Le soudage utilise un gaz argon 100% comme gaz de protection pour des soudures plus nettes. Le soudage FCAW, quant à lui, est réalisé entre 18 et 26 V, avec une vitesse de fil de 500 à 1140 mm/min.

Il est important de contrôler l'apport de chaleur et la déformation, car l'acier au carbone a tendance à se dilater et à se contracter au contact de la chaleur. Préchauffer l'acier au carbone moyen, entre 120 et 260 °C, réduit les risques de fissuration.

4. Effectuer le soudage

Pour le soudage à l'électrode, amorcez correctement l'arc en frappant l'électrode comme une allumette. Pour le soudage TIG et MIG, maintenez une longueur d'arc constante.

Assurez-vous que la taille des billes est uniforme. Effectuez plusieurs passages si nécessaire ou pour des matériaux plus épais.

Soudage de l'acier au carbone sur l'acier inoxydable

Le soudage de l’acier au carbone à l’acier inoxydable pose de nombreux défis car il existe une grande différence dans la composition des deux types d’acier.

Non seulement leur composition est différente, mais ils présentent également des conductivités thermiques et des niveaux de résistance à la corrosion différents.

Ces deux matériaux sont largement utilisés dans les industries pour de multiples applications, en particulier dans les domaines où vous avez besoin des propriétés de résistance de l'acier inoxydable mais de la résistance de l'acier au carbone.

Ces applications sont les équipements de traitement chimique, les composants structurels fonctionnant dans des conditions difficiles et les pipelines.

Différence entre l'acier au carbone et l'acier inoxydable

La principale différence entre l'acier inoxydable et l'acier au carbone réside dans leur composition. L'acier au carbone est composé de fer et de carbone, ainsi que d'éléments d'alliage comme le manganèse, le soufre et le silicium. Bien qu'assez résistant, il est très sensible à la rouille en présence d'humidité.

En revanche, l'acier inoxydable contient du chrome (au moins 10,5%), qui forme une couche d'oxyde protectrice à la surface du matériau et le protège de la corrosion et de la rouille. Il présente également des propriétés de résistance à la chaleur grâce à la présence d'alliages comme le nickel.

Cependant, l'acier inoxydable présente une conductivité thermique plus faible et se dilate davantage lorsqu'il est exposé à la chaleur que l'acier au carbone. Par conséquent, il est susceptible de se plier, de se tordre et de se déformer lors du soudage.

De plus, les deux aciers présentent des différences en termes de dilution. Lorsque les métaux en fusion se mélangent pendant le soudage pour former une soudure, l'acier inoxydable altère les propriétés de la soudure. Cela peut entraîner fragilité et corrosion si la gestion n'est pas adéquate.

Problèmes lors du soudage de l'acier au carbone sur l'acier inoxydable

Comme ils ne sont pas similaires les uns aux autres, leur soudage est confronté à certains défis tels que des points de fusion différents, des décalages de dilatation thermique, une migration de carbone et des problèmes de corrosion.

L'acier au carbone a un point de fusion plus bas que l'acier inoxydable lorsqu'il est chauffé. Cela rend l'acier inoxydable cassant et sujet aux fissures.

La distorsion de la soudure et la contrainte résiduelle augmentent dans la soudure car l'acier inoxydable a une dilatation thermique plus importante que l'acier au carbone.

La migration du carbone est également fréquente lors de cette fusion. Lors de la fusion, le carbone de l'acier au carbone migre vers l'acier inoxydable et s'y diffuse, rendant ainsi les matériaux en acier inoxydable sujets à la fissuration.

Enfin, si vous utilisez le mauvais matériau d’apport, il y a de fortes chances que la soudure se corrode rapidement.

Choisissez la bonne technique de soudage

Il est important de choisir la bonne méthode pour souder l'acier au carbone à l'acier inoxydable. Comme pour le soudage standard, certaines techniques de soudage sont plus adaptées à ce type de fusion.

Il s'agit notamment du soudage à l'arc avec électrode enrobée (soudage à l'électrode enrobée), du soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW), du soudage à l'arc sous gaz métal (GMAW) et du soudage à l'arc avec fil fourré (FCAW).

Le soudage à l'électrode enrobée (SMAW) est une méthode abordable, mais il est important de choisir le matériau de l'électrode avec le plus grand soin, car il évite la migration du carbone de l'acier au carbone vers l'acier inoxydable. Le soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW) offre une précision et une qualité supérieures, ce qui le rend adapté aux applications critiques.

Le soudage à l'arc sous gaz avec fil métallique (GMAW) est idéal pour les applications à grande échelle. Cependant, il est essentiel de choisir un gaz de protection approprié afin de minimiser l'oxydation. Le soudage à l'arc avec fil fourré (FCAW) nécessite une composition de flux spécifique pour traiter deux métaux différents, mais convient parfaitement aux environnements extérieurs.

Sélectionnez le bon produit de remplissage

En choisissant le bon matériau d'apport, vous optez pour des soudures plus résistantes et sans corrosion. Cela garantit l'absence de migration de carbone et le maintien de l'intégrité des deux métaux.

Il existe certains matériaux d'apport couramment utilisés pour souder l'acier au carbone à l'acier inoxydable, tels que :

Mastic en acier inoxydable 312 pour de meilleures propriétés de résistance aux fissures car il contient du nickel et du chrome.
Le mastic en acier inoxydable 309 offre un équilibre parfait entre résistance à la corrosion et robustesse. Il est donc le mastic le plus fréquemment utilisé.
Les charges à base de nickel offrent une bonne résistance à la chaleur lors du soudage à haute température. L'Inconel 625 en est un exemple.

Conclusion

Le soudage de l'acier au carbone est une compétence importante, car il trouve de multiples applications dans la métallurgie, l'automobile, l'industrie et la construction. Il est essentiel de choisir la bonne technique de soudage, que vous souhaitiez souder de l'acier à faible, moyenne ou haute teneur en carbone.

Les quatre principaux types de techniques utilisées pour le soudage de l'acier au carbone sont le soudage à l'arc sous protection métallique, le soudage à l'arc sous gaz métal, le soudage à l'arc sous gaz tungstène et le soudage à l'arc sous flux fourré.

Cependant, il est essentiel de suivre scrupuleusement toutes les étapes du soudage, du nettoyage de la surface aux traitements thermiques post-soudage. Il est essentiel de contrôler l'apport de chaleur et d'effectuer des traitements avant et après soudage pour garantir des liaisons plus solides, notamment pour les aciers à moyenne et haute teneur en carbone.

Si les soudeurs suivent attentivement toutes les étapes de soudage et appliquent les meilleures pratiques, ils peuvent garantir des soudures de haute qualité qui tolèrent non seulement les contraintes, la température et la pression, mais présentent également un minimum, voire aucun, de défauts.

Soudage de l'acier au carbone : processus, méthodes et défis