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LES ACIERS INOXYDABLES
Cinq types d ’aciers inoxydables :
– Austénitique (non magnétiques, non durcissable par T.T.)• 304 : Industrie alimentaire, casseroles, éviers. Pharmaceutique,
chimique, tubulures. • 310 : Échangeurs de chaleur• 316 : Moulin pâtes à papier
– Martensitique (magnétique, durcissable par T.T)• 403 : Ailettes, turbines• 410 : Écrou, Boulons, Axes pompes• 420 : Coutellerie• 440C : Roulements à billes
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LES ACIERS INOXYDABLES (2)
– Ferritiques (magnétique, non durcissable par T.T.)
• 430 : Moulures auto • 442 : Foyer chaudière
– Duplex (Austéno-ferritique)• 2205 : Moulin à papier• 329 : Industries plastiques
– Type PH (durcissement structural)• 17-4 PH, 15-5 PH : aéronautique
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QUELQUES ÉLÉMENTS DE COMPARAISON
Conductivitéthermique
Cal. s-1 .cm-1.oC-1
à 25oC
Coefficient dedilatation
(paroC) à 25oC
Acier au carbone 0,140 12 x 10-6
Inoxydablemartensitique
0,065 10 x 10-6
Inoxydableferritique
0,060 11 x 10-6
Austénitique 0,035 17 x 10-6
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PRINCIPAUX PROBLÈMES DE SOUDAGE
La sensibilisationLa fissuration à chaudLa fissuration à froidDéformations et contraintes résiduellesFragilisation par formation de la phase sigmaLe problème du soudage d ’assemblages composés de métaux différents : le diagramme de SchaefflerLa corrosion localisée ou par piqûre
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LA SENSIBILISATION DANS LA ZTA (1)
Certaines nuances d ’acier inoxydable (ex :304) sont sujettes à un problème de sensibilisationSe produit lorsque l ’acier est chauffé entre 500 et 850oCIl y a formation de carbures de chrome aux joints de grainAppauvrissement en chrome de la zone située à proximité du joint de grainLa zone appauvrie devient sensible à la corrosion
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LA SENSIBILISATION DANS LA ZTA (2)
Dans la zone thermiquement affectée de la soudure (ZTA), il existe une région de part et d ’autre de la soudure qui peut être chauffée dans l ’intervalle de température 500oC-800oC pendant suffisamment longtemps pour qu ’il y ait sensibilisation.
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LA SENSIBILISATION DANS LA ZTA (3)
La teneur en carbone de l ’acier inoxydable a une grande influence sur le degré de sensibilisationUn moyen d ’éviter le problème est d ’utiliser des nuances d ’acier à bas carbone (ex : 304L ou 316L au lieu de 304 et 316). La lettre L indique que l ’acier a une teneur en carbone inférieure à 0.03 %.
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EXEMPLE DE SENSIBILISATION DE L ’ACIER 304 (1)
Un coude en acier inoxydable 304 a été fabriqué en assemblant par soudage longitudinal TIG deux demi coques. Après soudage, les coudes ont été nettoyés et passivés dans un mélange riche en acide nitrique (HNO3)Lors d ’une inspection en service on observe des fissures près des soudures.La métallographie indique une corrosion intergranulaire sur la parois interne et corrosion intergranulaire + fissuration sur la parois externe.
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EXEMPLE DE SENSIBILISATION DE L ’ACIER 304 (2)
À plus fort grossissement (150 X) on observe la précipitation dans les joints de grains.En conclusion, la ZTA avait été sensibilisée lors du soudage. L ’acide nitrique avait corrodé la zone sensibilisée. Recommandation : utiliser des coudes en 304L pour cette application.
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LA FISSURATION À CHAUD
Les aciers inoxydables, surtout les aciers austénitiques, peuvent être l ’objet de fissuration à chaud dans la zone fondue.La fissuration à chaud est due à plusieurs facteurs :– Impuretés tels soufre ou phosphore qui forment des composés à bas
point de fusion– Mode de solidification : l ’austénite est plus sensible que la ferrite
On évite ce problème en :– S’assurant d ’une teneur minimale en ferrite dans la soudure (3 à 6
%)– Utilisant des aciers contenant très peu d ’impuretés
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MICROSTRUCTURE DE LA FERRITE DELTA DANS UNE SOUDURE D ’ACIER INOXYDABLE AUSTÉNITIQUE
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EXEMPLE DE FISSURATION À CHAUD : SOUDURES DE TUBES EN INCOLOY 800 (1)
L’incoloy 800 n ’est pas à proprement parler un acier inoxydable mais plutôt un superalliage, il contient 31% de Ni et 21% de Cr. Toutefois sa structure est totalement austénitique et le cas que nous allons montrer illustre bien un problème de fissuration à chaud.Cet acier est ici utilisé pour fabriquer des éléments chauffants électriques
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EXEMPLE DE FISSURATION À CHAUD : SOUDURES DE TUBES EN INCOLOY 800 (2)
La photo ci-contre montre une section de l ’élément chauffant prise dans la partie coudée. Au centre on voit le filament résistant hélicoïdal en spirale. L ’enveloppe externe est en Incoloy 800, son épaisseur varie à cause de la déformation du coude et le côté aminci a été pincé pour tasser la poudre de MgO autour du filament. L ’enveloppe en Incoloy est refermée par une soudure longitudinale au TIG sans métal d ’apport. La soudure n ’est pratiquement pas visible sur cette photo.
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EXEMPLE DE FISSURATION À CHAUD : SOUDURES DE TUBES EN INCOLOY 800 (3)
Lors d ’une inspection on a constaté que certains éléments n ’étaient pas étanches. L ’eau sous pression de la chaudière pouvait pénétrer à l ’intérieur de l ’élément.Des fissures ont été découvertes dans le métal fondu de la soudure. La photo ci-contre montre un exemple de fissure en plein centre de la soudure
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EXEMPLE DE FISSURATION À CHAUD : SOUDURES DE TUBES EN INCOLOY 800 (4)
Les fissures ont été observées à fort grossissement (3000 X) au microscope électronique à balayage. On observe une phase différente de l ’austénite qui borde la fissure. De plus les bords sont arrondis, ce qui est caractéristique d ’une fissuration à chaud. Une analyse à la microsonde de cette phase montre qu ’elle est riche en titane.
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EXEMPLE DE FISSURATION À CHAUD : SOUDURES DE TUBES EN INCOLOY 800 (5)
L ’incoloy 800 contient 0,35% de titane. Lors du soudage TIG il y a ségrégation du titane et formation d ’un eutectique à bas point de fusion en fin de solidification.Pour régler ce problème il fallait souder à vitesse plus lente pour minimiser la ségrégation dans l ’axe de la soudure mais cela nuisait à la productivité.La solution retenue dans ce cas a été d ’utiliser des tubes extrudés plutôt que soudés.
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LA FISSURATION À FROID
Les aciers inoxydables ferritiques et martensitiques sont sensibles à la fissuration à froid.La fissuration à froid résulte de la fragilisation par l ’hydrogène.Pour souder ces aciers il faut :– Réduire au minimum les sources d ’hydrogène (électrodes bas
hydrogène, séchées à l ’étuve avant soudage.– Diminuer la vitesse de refroidissement pour que la martensite ne
soit pas trop dure : préchauffage (200oC à 300oC pour les aciersmartensitiques) et parfois post chauffage.
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DÉFORMATIONS ET CONTRAINTES RÉSIDUELLES
Les aciers austénitiques ont un coefficient de dilatation thermique élevé. Lors du soudage ces aciers présentent des problèmes de déformation importants.Si les structures sont bridées, les déformations sont moindres mais les contraintes résiduelles augmentent dans la soudure ou àproximité. Elles peuvent atteindre la limite élastique à température ambiante. Ces contraintes résiduelles peuvent être d ’autant plus élevées que la limite élastique de l ’acier est grande (acier martensitique). On peut mesurer par exemple des contraintes résiduelles de l ’ordre de 100 ksi dans une soudure sur plaque épaisse d ’acier inoxydable martensitique.Les contraintes résiduelles diminuent la résistance à la fatiguedes assemblages soudés.
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FRAGILISATION PAR FORMATION DE LA PHASE SIGMA
Lorsqu ’elles sont soumises à un traitement thermique prolongé entre 600oC et 900oC, les soudures de certains aciers austénitiques (304) forment une phase fragile appelée phase sigma.La phase sigma provient de la transformation de la ferrite deltarésiduelle dans la soudure. Cette réaction est très lente et n ’a pas lieu au cours du soudage, mais elle peut se produire dans les aciers qui sont soumis en service à des températures élevées.
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MICROSTRUCTURE DE LA PHASE SIGMA DANS UNE SOUDURE D ’ACIER INOXYDABLE AUSTÉNITIQUE
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LE SOUDAGE D ’ASSEMBLAGES COMPOSÉS DE MÉTAUX DIFFÉRENTS
Il est fréquent d ’avoir à souder un acier inoxydable avec un acier au carbone ou encore un acier inoxydable martensitique avec un acier inoxydable austénitique. Dans ces types de soudures on sélectionne le métal d ’apport en fonction de minimiser les risques de défauts. On veut par exemple éviter la fissuration à chaud et la fissuration à froid.Les phases présentes dans la soudure sont fonctions de la composition chimique du métal de base et du métal d ’apport et de leur dilution respective.Le diagramme de Schaeffler permet de prédire les phases en présence dans la soudure. Pour souder un acier inoxydable avec un acier au carbone on utilise souvent le 309L comme métal d ’apport. Dans certains cas toutefois, comme nous le verrons dans l ’exemple plus loin, ce n ’est pas le meilleur choix.
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LE DIAGRAMME DE SCHAEFFLER (1)
Schaeffler a réparti les éléments constituants les aciers inoxydables en deux groupes :– Les éléments ferritisants (Cr, Mo, Si Nb)– Les éléments austénitisants (Ni, C, Mn)
Il a introduit la notion de chrome équivalent et de nickel équivalent en attribuant à la teneur de chacun de ces éléments un coefficient multiplicateur qui le rende équivalent au chrome ou au nickel :
– Creq = % Cr + % Mo + 1.5 % Si + 0.5 % Nb– Nieq = %Ni + 30 % C + 0.5 % Mn
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LE DIAGRAMME DE SCHAEFFLER (2)
Pour un acier donné on peut calculer le Creq et le Nieq et placer le point représentatif de cet acier sur le diagramme de Schaeffler.Connaissant la dilution entre les différents métaux constituant la soudure (métal d ’apport et métal de base) on peut placer le point représentatif du métal fondu de la soudure. La dilution se calcule comme suit :
– (volume de métal de base fondu dans la soudure) / (volume total de métal fondu)
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N
304L
309L
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N
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EXEMPLE DE SOUDAGE DE MÉTAUX DIFFÉRENTS :SOUDAGE TIG D ’UN JOINT D ’EXPANSION EN 304L À UNE
BRIDE EN ACIER AU CARBONE (1)
Pour réaliser une bonne soudure il faut : – Avoir un % de ferrite dans la
soudure suffisant pour éviter la fissuration à chaud
– Éviter la formation de martensite dans la soudure
La photo ci-contre montre une soudure en deux passes : 309L en première passe + 309L en deuxième passe. Le diagramme de Schaeffler et les micrographies montrent que la première passe est totalement austénitique, la deuxième contient environ 1% de ferrite.
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EXEMPLE DE SOUDAGE DE MÉTAUX DIFFÉRENTS :SOUDAGE TIG D ’UN JOINT D ’EXPANSION EN 304L À UNE
BRIDE EN ACIER AU CARBONE (2)
En utilisant du 312 comme métal d ’apport pour la première passe , on obtient une soudure contenant environ 15% de ferrite, donc résistante à la fissuration à chaud.On peut faire une deuxième passe en 309L tout en gardant une microstructure avec 8-10% de ferrite.
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LA CORROSION LOCALISÉE
L ’acier inoxydable est sensible à des phénomènes de corrosion localisée tel que – la corrosion par piqûre– la corrosion dans des crevasses
L ’acier inoxydable est aussi sensible à la corrosion par contamination par le fer.Il faut éviter :– Le nettoyage des soudures avec brosse
en acier (ci-contre à gauche). Prendre une brosse en acier inoxydable.
– Les assemblages qui laissent des crevasses en contact avec un milieu contenant des ions chlore.
