Analyse du lien entre microstructure, chargement mécanique et fissuration lors de la traction en croix de soudures

Influence du cycle de soudage sur la tenue mécanique

Etat de l’art sur l’effet des paramètres de soudage sur la tenue mécanique

Principe du soudage par résistance par point Le procédé de soudage par point par résistance (SPR) se base sur la production d’énergie par effet Joule. Sur la Fig.1.1, nous pouvons distinguer les différentes étapes du procédé. En premier lieu, l’accostage (de durée ts), qui va assurer le contact entre les pièces, ainsi que la stabilisation de la force imposée aux électrodes (Fw). Puis l’étape de soudage, caractérisée par l’injection d’un courant Iw, sur une durée tw, pendant laquelle la température s’élève localement au-dessus de la température de fusion du matériau. Le noyau fondu reste confiné grâce au circuit de refroidissement dans les électrodes (généralement, eau circulante). La dernière étape est la période de maintien (th), pendant laquelle la soudure refroidit principalement par conduction à travers les électrodes, jusqu’à ce que celles-ci se retirent. Le refroidissement se termine alors à l’air ambiant. Fig.1.1 Illustration d’un cycle de SPR avec l’évolution dans le temps des paramètres de soudage (Fw, la force imposée aux électrodes et Iw, le courant imposé) [KRA13A] La géométrie typique d’une soudure par point est illustrée sur la Fig.1.2, la forme des régions et l’orientation des structures de solidification sont le produit de la compétition entre la génération de chaleur par effet Joule et le refroidissement par conduction à travers les électrodes et le reste de la pièce. Comme le procédé est extrêmement rapide (moins d’une seconde), il implique un chauffage et surtout un refroidissement extrême, qui engendre une structure dendritique colonnaire en zone fondue (ZF), aussi appelée noyau. Dans l’exemple présenté sur la Fig.1.2, les dendrites, dont la direction de solidification est principalement verticale, indiquent que le refroidissement par les électrodes est plus important que le transfert de chaleur par les pièces assemblées. Chapitre 1 – Influence du cycle de soudage sur la tenue mécanique 10 Une autre région formée par le soudage est la zone affectée thermiquement (ZAT). Elle est caractérisée par une température de pic, Tmax, comprise dans une large gamme de valeurs [ZHA06]. Nous distinguons ainsi :  la ZAT supercritique, totalement réausténitisée, lorsque Ac3 < Tmax < Tsolidus. Le terme général « ZAT » est souvent utilisée pour désigner cette zone ;  la ZAT inter-critique (ICZAT), définie pour Ac1 < Tmax < Ac3, qui est caractérisée par une transformation partielle en austénite donc la présence de phases non rencontrées dans le métal de base (MB). Selon la composition du matériau et le cycle de soudage, cette région peut ne pas exister ;  la ZAT sous-critique (SCZAT), pour laquelle Tmax < Ac1. Cette zone est parfois difficile à distinguer du MB, mais dans les soudures d’aciers martensitiques, elle est reconnaissable par la chute de dureté provoquée par le revenu de la martensite. Fig.1.2 Délimitation des régions de soudure et schéma de la structure de solidification en ZF (noyau). Figure basée sur un schéma de H. Zhang and J. Senkara [ZHA06] La dernière région d’intérêt est la zone soudée par diffusion, ou Diffusion Bonded Zone (DBZ), qui forme une bande sur la circonférence du noyau (Fig.1.2). La température élevée en combinaison avec la force exercée dans la zone, sont suffisantes pour joindre les pièces par diffusion à l’état solide, à l’interface des deux tôles. Etant donné la rapidité du cycle de soudage, la résistance à la rupture de cette zone est particulièrement faible. Une observation plus détaillée du lien entre thermique de soudage et microstructure est présentée dans le chapitre 4. Pour un assemblage donné, les dimensions et microstructures de chacune de ces régions dépendent de la variation dans le temps du couple (Fw, Iw). La soudabilité d’un assemblage, pour une force donnée, est définie par la largeur du domaine de courant pour lequel le diamètre de ZF (dZF), se situe entre dmin et dmax. La valeur de dmin varie selon les normes et les constructeurs mais une valeur typique correspond à 3,5√t, avec t, l’épaisseur de la tôle la plus fine [ISO16A]. La grandeur dmax désigne le diamètre de noyau maximal atteignable avant d’arriver à l’expulsion du métal fondu, phénomène qui a lieu lorsque la taille du bain liquide excède celle de la zone confinée par les électrodes. Chapitre 1 – Influence du cycle de soudage sur la tenue mécanique 11 L’expulsion à l’interface des tôles est nocive pour la tenue mécanique des soudures, puisqu’elle provoque une perte de matière donc une réduction du diamètre de noyau [BRO95, DIC80, GOU87, ZHA06]. Or, comme nous le verrons dans la partie suivante, dZF est un paramètre de premier ordre lorsque la performance mécanique des soudures est concernée. C’est pourquoi on préfère les assemblages présentant un large domaine de soudabilité, qui offrent une plus grande fenêtre opérationnelle/sécurité pour les industriels. Pour permettre la définition du domaine de soudabilité, des cycles de forme simple doivent être utilisés, i.e. avec un seul pic de courant. Selon l’épaisseur et les propriétés mécaniques du MB, les paramètres de soudage préconisés sont spécifiés dans la norme ISO 18278-2 [ISO16A].

Evaluation de la performance mécanique des points soudés

La tenue mécanique des soudures par point est un critère d’évaluation essentiel pour assurer l’intégrité des assemblages en service. Il existe ainsi plusieurs types d’essais selon les sollicitations auxquelles seront soumises les soudures en service. Dans l’industrie automobile, les essais de fatigue par traction-cisaillement (Fig.1.3a) et traction en croix (Fig.1.3b) permettent d’estimer la durée de vie des véhicules dans des conditions proches de celles en situation de service standard [DAN09, HIL07, ISO03A, LON08, RUI93, XU08]. Tandis que les situations irrégulières (accidents, routes escarpées, conduite brutale…) devraient être modélisées par des essais par choc [ZHA01]. Pourtant, malgré des conditions qui s’éloignent des chargements vécus lors de situations accidentelles, les essais industriels les plus communs et normalisés restent les essais monotones en régime statique et quasi-statique (pelage, traction-cisaillement, traction en croix), du fait de la simplicité de leur dispositif et du coût plus faible, relativement aux essais dynamiques [AWS97, ISO15, POU13, ZHA06]. Fig.1.3 Dispositifs des essais de (a) traction cisaillement et de (b) traction en croix Chapitre 1 – Influence du cycle de soudage sur la tenue mécanique 12 Il est important de noter que l’évaluation de la tenue mécanique des soudures diffère de celle des matériaux homogènes, du fait de la géométrie des éprouvettes ainsi que par leur nature en multimatériaux (MB + ZAT + ZF) dans le cas des soudures. Les grandeurs considérées lors des essais sont donc la charge imposée et le déplacement traverse, plutôt que la contrainte et la déformation qui sont hétérogènes [ZHA06]. La fin de l’essai est signalée par la rupture de la soudure et les trois principaux modes de rupture observables sont illustrés sur les Fig.1.4b, c, d :  Le déboutonnage (ou Button Pull-Out, BPO), est caractérisé par l’absence de propagation de fissure dans la ZF. Le front de fissure autour de la soudure dévie suivant la direction axiale (z) pour avancer dans le MB ou dans la ZAT (Fig.1.4b) et la fissure forme ainsi un bouton de diamètre db ≥ dZF. L’obtention du BPO est souvent un critère nécessaire pour les standards industriels car il est souvent synonyme de rupture ductile et de résistance élevée à la rupture ;  La rupture partielle à l’interface (ou Partial Interfacial Failure, PIF) ressemble au déboutonnage, à la différence près qu’une propagation partielle du front de fissure est observée dans la ZF, suivant le plan interfacial des tôles. La déviation selon l’axe z se fait donc dans la ZF et donne un bouton de dimension db < dZF (Fig.1.4c).  La rupture interfaciale totale (ou Full Interfacial Failure, FIF), produit un faciès de rupture globalement plat, puisque le front de fissure se propage exclusivement selon le plan interfacial (Fig.1.4d). Fig.1.4 (a) Illustration des trois principaux modes de ruptures possibles lors d’essais destructifs de points soudés : (b) FIF, (c) PIF, (d) BPO. Photos de soudures rompues non annotées, provenant de Hilditch et al. [HIL07] L’acceptabilité d’une soudure est alors déterminée suivant la charge maximale mesurée pendant l’essai (notée CTS, pour Cross Tensile Strength), le mode de rupture et le diamètre de bouton obtenu (db) [ISO03B]. Les valeurs et modes de rupture jugés acceptables dépendent de l’application et de l’industriel, chaque constructeur ayant ses propres spécifications. La préférence pour le BPO est cependant bien marquée dans l’industrie automobile. Etant donné sa formation par refroidissement rapide à partir de l’état liquide, la ZF est généralement plus fragile que le MB ou la ZAT, l’énergie absorbée en FIF (et PIF) est donc supposée inférieure à celle en BPO. Néanmoins, depuis le développement des aciers à haute et très haute résistance, la rupture en FIF n’est plus toujours synonyme de charge à rupture faible, certaines soudures affichant même des CTS similaires en FIF et BPO [MAR05], d’où la reconsidération des modes de rupture acceptables par certaines organisations [AWS05, BOU10, ZHA06]. Pour le contexte de notre étude, nous nous intéresserons exclusivement à la tenue mécanique pendant les essais en croix (i.e. le CTS), dont les performances sont plus critiques pour les aciers à très haute résistance. En effet, plusieurs auteurs ont noté que l’augmentation de la résistance mécanique (Rm) du MB amène à une amélioration de la charge à rupture des soudures par points résultantes, sous chargement de traction-cisaillement. Alors qu’en traction en croix, la tendance s’inverse rapidement à partir d’un Rm de 800 MPa (Fig.1.5) [OIK07, GOO82]. Fig.1.5 Evolution des performances en traction-cisaillement et traction en croix, en fonction de la résistance mécanique du MB. Tous les assemblages testés ont pour caractéristiques t = 1,6 mm et dZF = 6,7 mm. Valeurs de Oikawa et al. [OIK07] Ces résultats nous amènent à nous intéresser aux solutions développées en lien avec le procédé de soudage pour augmenter la charge à rupture des soudures d’aciers à très haute résistance.

Stratégies d’amélioration des performances en traction en croix 

Modification de la taille de soudure

Afin d’optimiser la charge maximale obtenue lors d’un essai de traction en croix, l’une des stratégies principales est l’augmentation de dZF. Pour un assemblage donné, la Fig.1.6 montre que la variation du CTS en fonction du diamètre de soudure peut être approximée par une droite. Pour obtenir un noyau plus gros, avec une taille d’électrode et un couple de matériaux donnés, le paramètre de premier ordre est le courant de soudage. Fig.1.6 Résultats d’essais en croix pour différentes nuances d’aciers à très haute résistance en fonction de leur taille de soudure. Les pentes caractéristiques des différentes familles de matériaux sont indiquées en rouge La cinétique de croissance du noyau fondu dépend de la composition chimique des matériaux soudés mais globalement, dZF augmente de manière quasi-linéaire avec Iw, avant d’atteindre l’expulsion [MAR05, SAH12, SMI09, TUM08]. Toutefois, la sensibilité du CTS vis-à-vis de dZF varie fortement d’un assemblage à un autre. La Fig.1.6 montre, par exemple, que les performances des nuances PHS et MSS sont beaucoup moins sensibles à l’augmentation de dZF, en plus de présenter des CTS plus faibles, ce qui renforce la tendance illustrée sur la Fig.1.5. 1.3.2. Traitements de revenu de la soudure Dans l’industrie automobile, les valeurs seuil préconisées en traction en croix se trouve autour de 4,5 kN, pour les nuances martensitiques. Les valeurs de CTS insuffisantes sont souvent associées à une fragilité importante de la ZF, illustrée par de la rupture en clivage, ou parfois même intergranulaire. En effet, les vitesses de refroidissement extrêmes (-104 °C/s) rencontrées en SPR ont tendance à produire des ZF martensitiques dans la plupart des assemblages d’acier à haute résistance, dont la microstructure optimale n’est souvent pas de la martensite brute de trempe. Or la martensite est particulièrement sensible au chargement induit par la traction de la soudure, comme illustré dans les travaux de H. Aghajani, qui ajoute un feuillard de Ni entre ses tôles de MSS afin produire une ZF austénitique. Malgré une portée industrielle limitée, ces travaux montrent que le changement de phase en ZF permet un changement du mode de rupture (FIF  PIF) et une  amélioration significative du CTS (x4) par rapport à une ZF martensitique [AGH19A]. Plusieurs études proposent donc un revenu de la soudure pour adoucir la martensite brute de soudage. Dans le secteur automobile, l’étape de « recuit-peinture », ou paint-baking (PB), est nécessaire pour fixer la peinture déposée par cataphorèse sur la caisse en blanc. Cette étape consiste en un traitement court (20 à 30 min) à faible température (170 à 200°C) [KAI80]. Malgré le changement peu significatif de la dureté en ZF (à peine -2%), plusieurs auteurs ont noté une augmentation appréciable du CTS (+120%) pour des assemblages d’aciers à hautes performances [SMI09]. P. Eftekharimilani et al. associent cette amélioration à la précipitation de carbures de transition ε observés en ZF et en ZAT, au microscope électronique à transmission (MET) [EFT18]. Une autre hypothèse est proposée par G. Park et al., qui suggèrent que le CTS augmente grâce à la formation d’austénite de réversion en ZAT pendant le PB [PAR19]. L’auteur observe initialement de la rupture intergranulaire suivant le bord de la ZF. Suite à un revenu autour de 200°C, la rupture se fait en semi-clivage dans la ZAT, avec une forte densité de ligaments ductiles. Le mécanisme de réversion, évoqué pour justifier l’amélioration de la ténacité, peut être soumis à discussion étant donné la température relativement basse du traitement de PB [NAK11, YUA12]. Des revenus in-situ sont aussi proposés dans la littérature. H. Aghajani et M. Pouranvari [AGH19B, POU19] parviennent à améliorer la tenue en CTS de soudures en acier inoxydable martensitique AISI420 grâce à un pic de revenu intégré (Fig.1.7), après lequel les auteurs observent la précipitation de carbures de chrome M23C6 en ZF, au microscope électronique à balayage (MEB).