Caractéristiques de soudage de l'acier inoxydable austénitique : Des contraintes et déformations élastiques et plastiques importantes se produisent pendant le soudage, mais des fissures à froid se produisent rarement. Les joints soudés ne présentent pas de zones de durcissement par trempe-ou de grossissement significatif des grains, ce qui entraîne une résistance élevée à la traction du cordon de soudure.
Problèmes clés liés au soudage de l'acier inoxydable austénitique : Déformation importante lors du soudage ; susceptibilité à la fissuration à chaud en raison des caractéristiques des joints de grains et sensibilité à certaines traces d'impuretés (telles que S et P).
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Cinq problèmes majeurs de soudage et mesures d'atténuation pour l'acier inoxydable austénitique
01
La formation de carbures de chrome réduit la résistance du joint soudé à la corrosion intergranulaire.
Corrosion intergranulaire : selon la théorie de l'épuisement du chrome-, lorsque le cordon de soudure et la zone affectée thermiquement-(ZAT) sont chauffés dans la plage de température de sensibilisation de 450 degrés à 850 degrés, les carbures de chrome précipitent aux joints de grains. Cela crée des zones appauvries en chrome-aux limites, les rendant incapables de résister efficacement à la corrosion.
(1) Les mesures suivantes peuvent être prises pour atténuer la corrosion intergranulaire dans le cordon de soudure et la corrosion dans la zone de sensibilisation du métal de base :
un. Réduisez la teneur en carbone du métal de base et du métal soudé. Ajoutez des éléments stabilisants (tels que Ti ou Nb) au métal de base pour former préférentiellement des carbures de type MC-, empêchant ainsi la formation de Cr₂₃C₆.
b. Créez une microstructure biphasée-dans le cordon de soudure composée d'austénite et d'une petite quantité de ferrite. La présence de ferrite affine la structure des grains et augmente la surface totale du joint de grain, réduisant ainsi la quantité de précipitation de carbure de chrome par unité de surface du joint de grain.
Le chrome a une solubilité plus élevée dans la ferrite, de sorte que le Cr₂₃C₆ se forme préférentiellement dans la phase ferrite plutôt que d'épuiser le chrome aux joints des grains d'austénite. De plus, la ferrite dispersée dans la matrice austénitique agit comme une barrière, empêchant la corrosion de se propager dans le matériau le long des joints de grains.
c. Contrôler le temps de séjour dans la plage de température de sensibilisation. Ajustez le cycle thermique de soudage pour minimiser le temps passé entre 600 degrés et 1000 degrés ; des méthodes de soudage à haute-énergie-densité (telles que le soudage à l'arc plasma) peuvent être sélectionnées à cet effet. Utiliser un apport de chaleur de soudage inférieur ; purger l'arrière de la soudure avec de l'argon ou utiliser un support en cuivre pour augmenter la vitesse de refroidissement du joint soudé ; minimiser le nombre de démarrages et d'arrêts de l'arc pour éviter des échauffements répétés ; et, pour les soudures multi-passes, soudez en dernier la surface qui sera en contact avec le milieu corrosif autant que possible.
d. Effectuez un traitement avec une solution de soudage après-ou un recuit de stabilisation (850 degrés à 900 degrés) suivi d'un refroidissement à l'air pour garantir une précipitation complète du carbure et accélérer la diffusion du chrome.
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(2) Attaque à la ligne de couteau- (une forme de corrosion localisée) dans les joints soudés ; les mesures préventives suivantes peuvent être prises :
En raison de la diffusivité élevée du carbone, il se sépare aux joints des grains lors du refroidissement, créant un état sursaturé, tandis que Ti et Nb restent à l'intérieur des grains en raison de leur faible diffusivité. Lorsque le joint soudé est réchauffé dans la plage de température de sensibilisation, le carbone sursaturé précipite aux joints de grains sous forme de Cr₂₃C₆.
un. Réduire la teneur en carbone. Pour les aciers inoxydables contenant des éléments stabilisants, la teneur en carbone ne doit pas dépasser 0,06 %.
b. Utiliser des procédures de soudage appropriées. Sélectionnez un apport de chaleur de soudage plus faible pour réduire le temps de séjour de la zone surchauffée à des températures élevées et veillez à éviter une « sensibilisation à la température intermédiaire - » pendant le soudage.
Pour le soudage double-face, le cordon de soudure en contact avec le milieu corrosif doit être déposé en dernier (c'est la raison pour laquelle le soudage interne est effectué après le soudage externe pour les tuyaux soudés de grand-diamètre et-à parois épaisses). Si cela n'est pas réalisable, les paramètres de soudage et la géométrie de la soudure doivent être ajustés pour minimiser l'échauffement de sensibilisation de la zone surchauffée qui entrera en contact avec le milieu corrosif.
c. Traitement thermique après-soudage. Effectuer un traitement de mise en solution ou un traitement de stabilisation après le soudage.
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02
Fissuration par corrosion sous contrainte
Les mesures suivantes peuvent être adoptées pour prévenir la fissuration par corrosion sous contrainte :
un. Sélection correcte des matériaux et ajustement approprié de la composition de la soudure. Les aciers inoxydables austénitiques au Cr{{3}Ni de haute-pureté, les aciers inoxydables austénitiques à haute-silicium Cr-Ni, les aciers inoxydables austénitiques ferritiques-et les aciers inoxydables ferritiques à haute-chrome présentent une bonne résistance à la corrosion sous contrainte ; le métal soudé avec une structure duplex austénite-ferrite offre également une bonne résistance.
b. Éliminer ou réduire le stress résiduel. Effectuez un traitement thermique de soulagement après-contrainte de soudage-et utilisez des méthodes mécaniques telles que le polissage, le grenaillage et le martelage (martelage) pour réduire les contraintes résiduelles de surface.
c. Conception structurelle rationnelle pour éviter des concentrations de contraintes importantes.
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03
Fissures à chaud lors du soudage (fissures de solidification des soudures, fissures de liquéfaction des zones affectées par la chaleur)
La susceptibilité à la fissuration à chaud dépend principalement de la composition chimique, de la microstructure et des propriétés du matériau. Le nickel (Ni) forme facilement des composés à bas-point de fusion-ou des eutectiques avec des impuretés telles que le soufre (S) et le phosphore (P) ; la ségrégation d'éléments comme le bore (B) et le silicium (Si) favorise également la fissuration à chaud.
Les cordons de soudure ont tendance à former des structures à grains colonnaires grossiers avec une forte directionnalité, ce qui facilite la ségrégation des impuretés et des éléments nocifs. Cela favorise la formation de films liquides intergranulaires continus, augmentant ainsi la susceptibilité à la fissuration à chaud. Un chauffage non-uniforme pendant le soudage peut générer des contraintes de traction importantes, favorisant encore davantage la formation de fissures chaudes.
Mesures préventives:
un. Contrôlez strictement la teneur en impuretés nocives telles que S et P.
b. Ajustez la microstructure du métal soudé. Les soudures avec une microstructure duplex (biphasée-) présentent une bonne résistance aux fissures ; la phase delta (δ) dans la soudure affine les grains, élimine la directionnalité de l'austénite monophasée - et réduit la ségrégation d'impuretés nocives aux joints de grains. De plus, la phase δ peut dissoudre de plus grandes quantités de S et P et une énergie interfaciale plus faible, inhibant ainsi la formation de films liquides intergranulaires.
c. Ajustez la composition de l'alliage du métal soudé. Augmenter de manière appropriée la teneur en Mn, C et N dans l'acier austénitique monophasé-et ajouter des oligo-éléments tels que le cérium (Ce), le zirconium (Zr) ou le tantale (Ta)-qui affinent la microstructure de la soudure et purifient les joints de grains- peuvent réduire la susceptibilité aux fissures à chaud.
d. Mesures de processus. Minimiser la surchauffe du bain de fusion pour éviter la formation de gros grains colonnaires ; utiliser un faible apport de chaleur (faible énergie linéaire) et des cordons de soudure à petite section-transversale-.
Par exemple, les aciers austénitiques de type 25-20 sont sujets à la fissuration par liquéfaction. Les mesures visant à atténuer ce phénomène incluent la limitation stricte de la teneur en impuretés et de la taille des grains dans le métal de base, l'utilisation de méthodes de soudage à haute densité d'énergie, l'utilisation d'un faible apport de chaleur et l'augmentation de la vitesse de refroidissement du joint. Image
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Fragilisation des joints soudés
Pour les aciers-résistants à la chaleur, la ductilité des joints soudés doit être assurée pour éviter la fragilisation à haute-température ; pour les aciers à basse-température, une bonne ténacité à basse-température est nécessaire pour éviter la rupture fragile des joints soudés à basse température.
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05
Déformation importante par soudage
En raison de la faible conductivité thermique et d’un coefficient de dilatation thermique élevé, la déformation due au soudage a tendance à être importante ; des luminaires peuvent être utilisés pour éviter cela. Sélection des méthodes et matériaux de soudage pour l'acier inoxydable austénitique :
L'acier inoxydable austénitique peut être soudé à l'aide de méthodes telles que le soudage au gaz inerte au tungstène (TIG), le soudage au gaz inerte métallique (MIG), le soudage à l'arc plasma (PAW) et le soudage à l'arc submergé (SAW).
L'acier inoxydable austénitique a un point de fusion bas, une faible conductivité thermique et une résistivité électrique élevée ; par conséquent, des courants de soudage plus faibles sont utilisés. Des cordons de soudure étroits et des cordons de soudure étroits doivent être utilisés pour minimiser le temps de séjour à haute température, empêcher la précipitation du carbure, réduire la contrainte de retrait de la soudure et réduire la susceptibilité à la fissuration à chaud.
La composition des consommables de soudage-en particulier des éléments d'alliage comme le Cr et le Ni-doit être supérieure à celle du métal de base. Des consommables de soudage contenant une petite quantité (4 à 12 %) de ferrite sont utilisés pour garantir une bonne résistance aux fissures (contre la fissuration à froid, la fissuration à chaud et la fissuration par corrosion sous contrainte) dans le cordon de soudure.
Lorsque la présence d'une phase ferrite dans le cordon de soudure est interdite ou impossible, il convient de sélectionner des consommables de soudage contenant des éléments d'alliage tels que Mo et Mn.
Les niveaux de C, S, P, Si et Nb dans les consommables de soudage doivent être maintenus aussi bas que possible ; alors que le Nb peut provoquer des fissures de solidification dans les cordons de soudure entièrement austénitiques, la présence d'une petite quantité de ferrite dans le cordon de soudure peut efficacement empêcher cela.
Les consommables de soudage contenant du Nb sont généralement sélectionnés pour les structures soudées nécessitant un traitement de-stabilisation ou de soulagement des contraintes après le soudage. Le soudage à l'arc submergé est utilisé pour les plaques d'épaisseur moyenne- ; la perte par combustion de Cr et Ni peut être compensée par le transfert d'éléments d'alliage du flux et du fil de soudage.
En raison d'une pénétration profonde, il faut veiller à éviter les fissures à chaud au centre du cordon de soudure et à éviter de réduire la résistance à la corrosion dans la zone affectée par la chaleur (ZAT). Il convient de prêter attention à la sélection de fils de soudage plus fins et à un apport de chaleur plus faible ; le fil de soudage doit avoir une faible teneur en Si, S et P.
La teneur en ferrite des cordons de soudure en acier inoxydable-résistants à la chaleur ne doit pas dépasser 5 %. Pour les aciers inoxydables austénitiques dont les teneurs en Cr et Ni dépassent 20 %, un fil de soudage à haute teneur en -manganèse (6 % à 8 %) et un flux basique ou neutre doivent être utilisés ; cela empêche la capture du silicium dans la soudure et améliore la résistance aux fissures.
Les flux spécialement conçus pour l'acier inoxydable austénitique entraînent une capture minimale de silicium et peuvent transférer des éléments d'alliage dans la soudure pour compenser les pertes par combustion, répondant ainsi aux exigences relatives aux propriétés de la soudure et à la composition chimique.
