Cet article de Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd. explique les éléments à prendre en compte lors du choix des métaux d'apport pour le soudage de l'acier inoxydable.
Les atouts de l'acier inoxydable, notamment sa capacité à moduler ses propriétés mécaniques et sa résistance à la corrosion et à l'oxydation, complexifient le choix du métal d'apport approprié pour le soudage. Pour une combinaison donnée de matériaux de base, plusieurs types d'électrodes peuvent convenir, selon le coût, les conditions d'utilisation, les propriétés mécaniques recherchées et divers autres paramètres liés au soudage.
Cet article présente les notions techniques nécessaires pour appréhender la complexité du sujet, puis répond aux questions les plus fréquemment posées aux fournisseurs de métaux d'apport. Il établit des recommandations générales pour le choix des métaux d'apport en acier inoxydable, et explique toutes les exceptions à ces recommandations. Les procédures de soudage ne sont pas abordées ici ; ce sujet fera l'objet d'un autre article.
Quatre qualités, de nombreux éléments d'alliage
Il existe quatre grandes catégories d'aciers inoxydables :
austénitique
martensitique
ferritique
Duplex
Ces noms proviennent de la structure cristalline de l'acier à température ambiante. Lorsqu'un acier à faible teneur en carbone est chauffé à plus de 912 °C, ses atomes se réorganisent, passant de la structure appelée ferrite à température ambiante à la structure cristalline appelée austénite. En refroidissant, les atomes retrouvent leur structure initiale, la ferrite. L'austénite, structure formée à haute température, est non magnétique, plastique et présente une résistance moindre et une ductilité supérieure à celle de la ferrite à température ambiante.
L'ajout de plus de 16 % de chrome à l'acier stabilise sa structure cristalline à température ambiante, la ferrite, et l'acier conserve son état ferritique à toutes les températures. C'est pourquoi on appelle cet alliage « acier inoxydable ferritique ». L'ajout de plus de 17 % de chrome et 7 % de nickel à l'acier stabilise sa structure cristalline à haute température, l'austénite, qui se maintient ainsi à toutes les températures, des plus basses jusqu'à proximité du point de fusion.
L'acier inoxydable austénitique est communément appelé « acier au chrome-nickel », tandis que les aciers martensitiques et ferritiques sont communément appelés « aciers au chrome pur ». Certains éléments d'alliage utilisés dans les aciers inoxydables et les métaux d'apport agissent comme stabilisateurs d'austénite, et d'autres comme stabilisateurs de ferrite. Les principaux stabilisateurs d'austénite sont le nickel, le carbone, le manganèse et l'azote. Les stabilisateurs de ferrite sont le chrome, le silicium, le molybdène et le niobium. L'équilibre des éléments d'alliage permet de contrôler la quantité de ferrite dans le métal d'apport.
Les aciers inoxydables austénitiques se soudent plus facilement et de façon plus satisfaisante que ceux contenant moins de 5 % de nickel. Les joints soudés en acier inoxydable austénitique sont résistants, ductiles et tenaces à l'état brut de soudage. Ils ne nécessitent généralement ni préchauffage ni traitement thermique après soudage. Les aciers austénitiques représentent environ 80 % des aciers inoxydables soudés, et cet article introductif leur est principalement consacré.
Tableau 1 : Types d'acier inoxydable et leur teneur en chrome et en nickel.
tstart{c,80%}
tête{Type|% Chrome|% Nickel|Types}
tdata{Austénitique|16 - 30%|8 - 40%|200, 300}
tdata{Martensitique|11 - 18%|0 - 5%|403, 410, 416, 420}
tdata{Ferritique|11 - 30%|0 - 4%|405, 409, 430, 422, 446}
tdata{Duplex|18 - 28%|4 - 8%|2205}
tendre{}
Comment choisir le métal d'apport en acier inoxydable approprié
Si le matériau de base des deux plaques est le même, le principe directeur initial était : « Commencez par choisir le matériau de base. » Cela fonctionne bien dans certains cas ; pour assembler du type 310 ou 316, choisissez le type de remplissage correspondant.
Pour assembler des matériaux dissemblables, suivez ce principe directeur : « choisissez un métal d'apport correspondant au matériau le plus fortement allié ». Pour assembler du 304 et du 316, choisissez un métal d'apport 316.
Malheureusement, la règle d'appariement comporte tellement d'exceptions qu'il est préférable de consulter un tableau de sélection des métaux d'apport. Par exemple, l'acier inoxydable de type 304 est le matériau de base le plus courant, mais aucun fabricant ne propose d'électrode en acier inoxydable de type 304.
Comment souder de l'acier inoxydable de type 304 sans électrode de type 304
Pour souder l'acier inoxydable de type 304, utilisez un métal d'apport de type 308, car les éléments d'alliage supplémentaires du type 308 stabiliseront mieux la zone de soudure.
Cependant, l'acier inoxydable 308L est également un alliage acceptable. La lettre « L » après la désignation d'un type indique une faible teneur en carbone. Un acier inoxydable de type 3XXL a une teneur en carbone de 0,03 % ou moins, tandis qu'un acier inoxydable standard de type 3XX peut avoir une teneur en carbone maximale de 0,08 %.
Étant donné que les charges de type L appartiennent à la même catégorie que les charges non-L, les fabricants peuvent, et devraient fortement envisager, d'utiliser des charges de type L, car leur faible teneur en carbone réduit les risques de corrosion intergranulaire. De fait, les auteurs affirment que les charges de type L seraient plus largement utilisées si les fabricants modernisaient simplement leurs procédés.
Les soudeurs utilisant le procédé GMAW peuvent également envisager l'utilisation d'un métal d'apport de type 3XXSi, car l'ajout de silicium améliore le mouillage. Dans les cas où la soudure présente un bombage important ou irrégulier, ou lorsque le bain de fusion ne se raccorde pas correctement aux extrémités d'un joint d'angle ou d'un recouvrement, l'utilisation d'une électrode GMAW de type Si permet de lisser le cordon de soudure et de favoriser une meilleure fusion.
Si la précipitation de carbures vous préoccupe, envisagez un métal d'apport de type 347, qui contient une petite quantité de niobium.
Comment souder de l'acier inoxydable à de l'acier au carbone
Cette situation se présente lorsque, pour réduire les coûts, une partie d'une structure nécessite une face extérieure résistante à la corrosion, assemblée à un élément structurel en acier au carbone. Lors de l'assemblage d'un matériau de base sans éléments d'alliage avec un matériau de base contenant des éléments d'alliage, il convient d'utiliser un métal d'apport surallié afin que la dilution au sein du métal de soudure soit équivalente ou supérieure à celle du métal de base en acier inoxydable.
Pour l'assemblage d'acier au carbone avec des aciers de type 304 ou 316, ainsi que pour l'assemblage d'aciers inoxydables différents, une électrode de type 309L est généralement recommandée. Si une teneur en chrome plus élevée est souhaitée, privilégiez l'électrode de type 312.
Attention : les aciers inoxydables austénitiques présentent un coefficient de dilatation environ 50 % supérieur à celui de l’acier au carbone. Lors de l’assemblage, ces différences de dilatation peuvent engendrer des fissures dues aux contraintes internes, à moins d’utiliser une électrode et une procédure de soudage appropriées.
Utilisez les procédures de nettoyage de préparation de soudure appropriées
Comme pour les autres métaux, il faut d'abord éliminer l'huile, la graisse, les marques et les saletés à l'aide d'un solvant non chloré. Ensuite, la règle principale de la préparation des soudures en acier inoxydable est d'éviter toute contamination par l'acier au carbone afin de prévenir la corrosion. Certaines entreprises utilisent des bâtiments distincts pour leurs ateliers « acier inoxydable » et « acier au carbone » afin d'éviter toute contamination croisée.
Lors de la préparation des bords pour le soudage, il est impératif de réserver les meules et les brosses en acier inoxydable à l'acier inoxydable. Certaines procédures exigent un nettoyage jusqu'à cinq centimètres du joint. La préparation du joint est également plus critique, car il est plus difficile de compenser les irrégularités dues à la manipulation des électrodes qu'avec l'acier au carbone.
Utilisez la procédure de nettoyage après soudage appropriée pour prévenir la rouille.
Pour commencer, rappelons ce qui confère à l'acier inoxydable ses propriétés inoxydables : la réaction du chrome avec l'oxygène, formant une couche protectrice d'oxyde de chrome à la surface du matériau. L'acier inoxydable rouille en raison de la précipitation de carbures (voir ci-dessous) et parce que le processus de soudage chauffe le métal d'apport jusqu'à ce que de l'oxyde ferritique puisse se former à la surface de la soudure. Une soudure parfaitement saine, laissée à l'état brut de soudage, peut présenter des traces de rouille (« traces de wagon ») aux limites de la zone affectée thermiquement en moins de 24 heures.
Pour qu'une nouvelle couche d'oxyde de chrome pur puisse se reformer correctement, l'acier inoxydable nécessite un nettoyage après soudage par polissage, décapage, meulage ou brossage. Utilisez des meuleuses et des brosses adaptées.
Pourquoi le fil de soudure en acier inoxydable est-il magnétique ?
L'acier inoxydable entièrement austénitique est amagnétique. Cependant, les températures de soudage créent une microstructure à grains relativement gros, ce qui rend la soudure sensible à la fissuration. Pour atténuer cette sensibilité, les fabricants d'électrodes ajoutent des éléments d'alliage, notamment de la ferrite. La phase ferritique affine considérablement les grains austénitiques, ce qui confère à la soudure une meilleure résistance à la fissuration.
Un aimant ne sera pas collé à une bobine de fil d'apport en acier inoxydable austénitique, mais une personne tenant un aimant pourrait ressentir une légère attraction due à la présence de ferrite. Malheureusement, cela amène certains utilisateurs à penser que leur produit est mal étiqueté ou qu'ils utilisent le mauvais métal d'apport (surtout s'ils ont arraché l'étiquette du panier à fil).
La teneur optimale en ferrite d'une électrode dépend de la température de service de l'application. Par exemple, une teneur excessive en ferrite entraîne une perte de ténacité de la soudure à basse température. Ainsi, le métal d'apport de type 308 destiné à la tuyauterie de GNL présente un indice de ferrite compris entre 3 et 6, contre 8 pour le métal d'apport standard de type 308. En résumé, les métaux d'apport peuvent sembler similaires au premier abord, mais de légères différences de composition sont importantes.
Existe-t-il une méthode simple pour souder les aciers inoxydables duplex ?
Les aciers inoxydables duplex présentent généralement une microstructure composée d'environ 50 % de ferrite et 50 % d'austénite. En d'autres termes, la ferrite confère une résistance élevée et une certaine résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte, tandis que l'austénite assure une bonne ténacité. La combinaison de ces deux phases confère aux aciers duplex leurs propriétés intéressantes. Une large gamme d'aciers inoxydables duplex est disponible, le plus courant étant le type 2205 ; celui-ci contient 22 % de chrome, 5 % de nickel, 3 % de molybdène et 0,15 % d'azote.
Lors du soudage de l'acier inoxydable duplex, des problèmes peuvent survenir si le métal d'apport contient trop de ferrite (la chaleur de l'arc provoque l'organisation des atomes en une matrice de ferrite). Pour compenser, les métaux d'apport doivent favoriser la structure austénitique grâce à une teneur en alliage plus élevée, généralement de 2 à 4 % de nickel en plus que dans le métal de base. Par exemple, le fil fourré pour le soudage de l'acier inoxydable de type 2205 peut contenir jusqu'à 8,85 % de nickel.
La teneur en ferrite souhaitée après soudage peut varier de 25 à 55 % (voire plus). Il est important de noter que la vitesse de refroidissement doit être suffisamment lente pour permettre la reformation de l'austénite, mais pas trop lente pour éviter la formation de phases intermétalliques, ni trop rapide pour éviter un excès de ferrite dans la zone affectée thermiquement. Suivez scrupuleusement les instructions du fabricant concernant le procédé de soudage et le métal d'apport choisis.
Réglage des paramètres lors du soudage de l'acier inoxydable
Pour les soudeurs qui ajustent constamment les paramètres (tension, intensité, longueur d'arc, inductance, largeur d'impulsion, etc.) lors du soudage de l'acier inoxydable, la cause la plus fréquente est l'irrégularité de la composition du métal d'apport. Compte tenu de l'importance des éléments d'alliage, les variations de composition chimique d'un lot à l'autre peuvent avoir un impact significatif sur la qualité de la soudure, notamment un mouillage insuffisant ou un démoulage difficile. Les variations de diamètre d'électrode, de propreté de surface, de coulée et d'hélice influent également sur les performances en soudage GMAW et FCAW.
Contrôle de la précipitation des carbures dans l'acier inoxydable austénitique
À des températures comprises entre 426 et 871 °C, la teneur en carbone supérieure à 0,02 % migre vers les joints de grains de la structure austénitique, où elle réagit avec le chrome pour former du carbure de chrome. Si le chrome est lié au carbone, il ne peut plus assurer la résistance à la corrosion. En milieu corrosif, une corrosion intergranulaire se produit, entraînant l'érosion des joints de grains.
Pour limiter la précipitation des carbures, il est recommandé de maintenir la teneur en carbone aussi basse que possible (0,04 % maximum) en utilisant des électrodes à faible teneur en carbone pour le soudage. Le carbone peut également être fixé par le niobium (anciennement columbium) et le titane, qui présentent une affinité plus forte pour le carbone que le chrome. Les électrodes de type 347 sont conçues à cet effet.
Comment se préparer à une discussion sur le choix du métal d'apport
Il convient au minimum de recueillir des informations sur l'utilisation finale de la pièce soudée, notamment son environnement de service (en particulier les températures de fonctionnement, l'exposition aux agents corrosifs et le degré de résistance à la corrosion attendu) et sa durée de vie souhaitée. Les informations relatives aux propriétés mécaniques requises en conditions de fonctionnement, telles que la résistance, la ténacité, la ductilité et la résistance à la fatigue, sont également très utiles.
La plupart des principaux fabricants d'électrodes proposent des guides de sélection du métal d'apport, et les auteurs insistent sur ce point : consultez un guide d'application des métaux d'apport ou contactez les experts techniques du fabricant. Ils sont là pour vous aider à choisir l'électrode en acier inoxydable adaptée.
Pour plus d'informations sur les métaux d'apport en acier inoxydable de TYUE et pour contacter les experts de l'entreprise afin d'obtenir des conseils, rendez-vous sur www.tyuelec.com.
Date de publication : 23 décembre 2022