Cet article de Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd. explique ce qu'il faut prendre en compte lors de la spécification des métaux d'apport pour le soudage de l'acier inoxydable.
Les capacités qui rendent l'acier inoxydable si attrayant - la capacité d'adapter ses propriétés mécaniques et sa résistance à la corrosion et à l'oxydation - augmentent également la complexité de la sélection d'un métal d'apport approprié pour le soudage.Pour toute combinaison de matériaux de base donnée, l'un des nombreux types d'électrodes peut être approprié, en fonction des problèmes de coût, des conditions de service, des propriétés mécaniques souhaitées et d'une multitude de problèmes liés au soudage.
Cet article fournit les informations techniques nécessaires pour donner au lecteur une appréciation de la complexité du sujet, puis répond à certaines des questions les plus fréquemment posées aux fournisseurs de métaux d'apport.Il établit des directives générales pour la sélection des métaux d'apport en acier inoxydable appropriés - et explique ensuite toutes les exceptions à ces directives !L'article ne couvre pas les procédures de soudage, car c'est un sujet pour un autre article.
Quatre nuances, de nombreux éléments d'alliage
Il existe quatre grandes catégories d'aciers inoxydables :
austénitique
martensitique
ferritique
Duplex
Les noms sont dérivés de la structure cristalline de l'acier que l'on trouve normalement à température ambiante.Lorsque l'acier à faible teneur en carbone est chauffé au-dessus de 912 degrés Celsius, les atomes de l'acier sont réarrangés de la structure appelée ferrite à température ambiante à la structure cristalline appelée austénite.En se refroidissant, les atomes retrouvent leur structure d'origine, la ferrite.La structure à haute température, l'austénite, est non magnétique, plastique et a une résistance inférieure et une plus grande ductilité que la forme de ferrite à température ambiante.
Lorsque plus de 16% de chrome est ajouté à l'acier, la structure cristalline à température ambiante, la ferrite, est stabilisée et l'acier reste à l'état ferritique à toutes les températures.C'est pourquoi le nom d'acier inoxydable ferritique est appliqué à cette base d'alliage.Lorsque plus de 17% de chrome et 7% de nickel sont ajoutés à l'acier, la structure cristalline à haute température de l'acier, l'austénite, est stabilisée de sorte qu'elle persiste à toutes les températures, de la plus basse à presque la fusion.
L'acier inoxydable austénitique est communément appelé le type "chrome-nickel", et les aciers martensitiques et ferritiques sont communément appelés les types "chrome pur".Certains éléments d'alliage utilisés dans les aciers inoxydables et les métaux fondus se comportent comme des stabilisants austénitiques et d'autres comme des stabilisateurs ferritiques.Les stabilisants austénitiques les plus importants sont le nickel, le carbone, le manganèse et l'azote.Les stabilisants de ferrite sont le chrome, le silicium, le molybdène et le niobium.L'équilibrage des éléments d'alliage contrôle la quantité de ferrite dans le métal fondu.
Les nuances austénitiques se soudent plus facilement et de manière plus satisfaisante que celles qui contiennent moins de 5 % de nickel.Les joints de soudure produits dans les aciers inoxydables austénitiques sont solides, ductiles et résistants dans leur état brut de soudage.Ils ne nécessitent normalement pas de traitement thermique de préchauffage ou de post-soudage.Les nuances austénitiques représentent environ 80% de l'acier inoxydable soudé, et cet article d'introduction se concentre fortement sur elles.
Tableau 1 : Types d'acier inoxydable et leur teneur en chrome et en nickel.
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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}
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Comment choisir le bon métal d'apport en acier inoxydable
Si le matériau de base des deux plaques est le même, le principe directeur d'origine était : "Commencez par faire correspondre le matériau de base".Cela fonctionne bien dans certains cas;pour joindre le Type 310 ou 316, choisissez le Type de remplissage correspondant.
Pour assembler des matériaux dissemblables, suivez ce principe directeur : "choisissez une charge correspondant au matériau le plus fortement allié".Pour joindre le 304 au 316, choisissez un enduit 316.
Malheureusement, la « règle de correspondance » comporte tellement d'exceptions qu'un meilleur principe est de consulter un tableau de sélection des métaux d'apport.Par exemple, le type 304 est le matériau de base en acier inoxydable le plus courant, mais personne ne propose une électrode de type 304.
Comment souder l'inox de type 304 sans électrode de type 304
Pour souder l'acier inoxydable de type 304, utilisez une charge de type 308, car les éléments d'alliage supplémentaires du type 308 stabiliseront mieux la zone de soudure.
Cependant, le 308L est également une charge acceptable.La désignation « L » après tout 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 de type 3XX standard peut avoir une teneur en carbone maximale de 0,08 %.
Étant donné qu'une charge de type L appartient à la même classification que le produit non-L, les fabricants peuvent et doivent sérieusement envisager d'utiliser une charge de type L car une teneur en carbone plus faible réduit le risque de problèmes de corrosion intergranulaire.En fait, les auteurs soutiennent que le mastic de type L serait plus largement utilisé si les fabricants mettaient simplement à jour leurs procédures.
Les fabricants utilisant le procédé GMAW peuvent également envisager d'utiliser une charge de type 3XXSi, car l'ajout de silicium améliore le mouillage.Dans les situations où la soudure a une couronne haute ou rugueuse, ou lorsque le bain de fusion ne s'intègre pas bien aux orteils d'un congé ou d'un joint à recouvrement, l'utilisation d'une électrode Si Type GMAW peut lisser le cordon de soudure et favoriser une meilleure fusion.
Si la précipitation de carbure est un problème, envisagez une charge 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 produit dans les applications où une partie d'une structure nécessite une face extérieure résistante à la corrosion jointe à un élément structurel en acier au carbone pour réduire les coûts.Lors de l'assemblage d'un matériau de base sans éléments d'alliage à un matériau de base avec des éléments d'alliage, utilisez une charge suralliée de sorte que la dilution dans le métal fondu s'équilibre ou soit plus fortement alliée que le métal de base inoxydable.
Pour assembler l'acier au carbone au type 304 ou 316, ainsi que pour assembler des aciers inoxydables différents, envisagez une électrode de type 309L pour la plupart des applications.Si une teneur en Cr plus élevée est souhaitée, considérez le type 312.
À titre de mise en garde, les aciers inoxydables austénitiques présentent un taux de dilatation supérieur d'environ 50 % à celui de l'acier au carbone.Lorsqu'ils sont assemblés, les différents taux de dilatation peuvent provoquer des fissures dues aux contraintes internes, à moins que l'électrode et la procédure de soudage appropriées ne soient utilisées.
Utiliser les bonnes procédures de nettoyage de préparation de soudure
Comme pour les autres métaux, enlevez d'abord l'huile, la graisse, les marques et la saleté avec un solvant non chloré.Après cela, la règle principale de la préparation des soudures en acier inoxydable est « Éviter la contamination par l'acier au carbone pour éviter la corrosion ».Certaines entreprises utilisent des bâtiments séparés pour leur « magasin d'acier inoxydable » et leur « magasin de carbone » afin d'éviter la contamination croisée.
Désignez les meules et les brosses en acier inoxydable comme "inoxydables uniquement" lors de la préparation des bords pour le soudage.Certaines procédures nécessitent un nettoyage à deux pouces du joint.La préparation des joints est également plus critique, car la compensation des incohérences avec la manipulation des électrodes est plus difficile qu'avec l'acier au carbone.
Utilisez la procédure de nettoyage post-soudage correcte pour éviter la rouille
Pour commencer, rappelez-vous ce qui rend un acier inoxydable inoxydable : la réaction du chrome avec l'oxygène pour former une couche protectrice d'oxyde de chrome à la surface du matériau.L'acier inoxydable rouille à cause des précipitations de carbure (voir ci-dessous) et parce que le processus de soudage chauffe le métal fondu au point où de l'oxyde ferritique peut se former à la surface de la soudure.Laissée à l'état brut de soudage, une soudure parfaitement saine peut montrer des « traces de rouille de wagon » aux limites de la zone affectée par la chaleur en moins de 24 heures.
Pour qu'une nouvelle couche d'oxyde de chrome pur puisse se reformer correctement, l'inox nécessite un nettoyage post-soudure par polissage, décapage, meulage ou brossage.Encore une fois, utilisez des meuleuses et des brosses dédiées à la tâche.
Pourquoi le fil à souder en acier inoxydable est-il magnétique ?
L'acier inoxydable entièrement austénitique est amagnétique.Cependant, les températures de soudage créent un grain relativement gros dans la microstructure, ce qui rend la soudure sensible aux fissures.Pour atténuer la sensibilité à la fissuration à chaud, les fabricants d'électrodes ajoutent des éléments d'alliage, notamment de la ferrite.La phase de ferrite rend les grains austénitiques beaucoup plus fins, de sorte que la soudure devient plus résistante aux fissures.
Un aimant ne collera pas à une bobine de charge en acier inoxydable austénitique, mais une personne tenant un aimant pourrait ressentir une légère traction à cause de la ferrite retenue.Malheureusement, cela amène certains utilisateurs à penser que leur produit a été mal étiqueté ou qu'ils utilisent le mauvais métal d'apport (surtout s'ils ont déchiré l'étiquette du panier métallique).
La quantité correcte de ferrite dans une électrode dépend de la température de service de l'application.Par exemple, trop de ferrite fait perdre à la soudure sa ténacité à basse température.Ainsi, la charge de type 308 pour une application de tuyauterie GNL a un indice de ferrite compris entre 3 et 6, par rapport à un indice de ferrite de 8 pour la charge de type 308 standard.En bref, les métaux d'apport peuvent sembler similaires au premier abord, mais de petites différences de composition sont importantes.
Existe-t-il un moyen simple de souder des aciers inoxydables duplex ?
Typiquement, les aciers inoxydables duplex ont une microstructure composée d'environ 50 % de ferrite et 50 % d'austénite.En termes simples, la ferrite offre une résistance élevée et une certaine résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte tandis que l'austénite offre une bonne ténacité.Les deux phases combinées confèrent 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 d'acier inoxydable duplex, des problèmes peuvent survenir si le métal de soudure contient trop de ferrite (la chaleur de l'arc amène les atomes à s'organiser dans une matrice de ferrite).Pour compenser, les métaux d'apport doivent favoriser la structure austénitique avec une teneur en alliage plus élevée, typiquement 2 à 4 % de nickel en plus que dans le métal de base.Par exemple, le fil fourré pour le soudage de type 2205 peut contenir 8,85 % de nickel.
La teneur en ferrite souhaitée peut varier de 25 à 55 % après soudage (mais peut être supérieure).Notez que la vitesse de refroidissement doit être suffisamment lente pour permettre à l'austénite de se reformer, mais pas trop lente pour créer des phases intermétalliques, ni trop rapide pour créer un excès de ferrite dans la zone affectée thermiquement.Suivez les procédures recommandées par le fabricant pour le procédé de soudage et le métal d'apport sélectionné.
Réglage des paramètres lors du soudage de l'acier inoxydable
Pour les fabricants qui ajustent constamment les paramètres (tension, ampérage, longueur d'arc, inductance, largeur d'impulsion, etc.) lors du soudage de l'acier inoxydable, le coupable typique est une composition incohérente du métal d'apport.Compte tenu de l'importance des éléments d'alliage, les variations d'un lot à l'autre de la composition chimique peuvent avoir un effet notable sur les performances de la soudure, comme un mauvais mouillage ou une libération difficile du laitier.Les variations de diamètre d'électrode, de propreté de surface, de fonte et d'hélice affectent également les performances dans les applications GMAW et FCAW.
Contrôler la précipitation des carbures dans les aciers inoxydables austénitiques
À des températures comprises entre 426 et 871 degC, une teneur en carbone supérieure à 0,02 % migre vers les joints de grains de la structure austénitique, où il réagit avec le chrome pour former du carbure de chrome.Si le chrome est lié au carbone, il n'est pas disponible pour la résistance à la corrosion.Lorsqu'il est exposé à un environnement corrosif, une corrosion intergranulaire se produit, permettant aux joints de grains d'être rongés.
Pour contrôler la précipitation du carbure, maintenez la teneur en carbone aussi faible que possible (0,04 % maximum) en soudant avec des électrodes à faible teneur en carbone.Le carbone peut également être lié par le niobium (anciennement columbium) et le titane, qui ont une plus forte affinité pour le carbone que le chrome.Les électrodes de type 347 sont conçues à cet effet.
Comment se préparer à une discussion sur la sélection des métaux d'apport
Au minimum, rassemblez des informations sur l'utilisation finale de la pièce soudée, y compris l'environnement de service (en particulier les températures de fonctionnement, l'exposition aux éléments corrosifs et le degré de résistance à la corrosion attendu) et la durée de vie souhaitée.Les informations sur les propriétés mécaniques requises dans les conditions de fonctionnement sont très utiles, notamment la résistance, la ténacité, la ductilité et la fatigue.
La plupart des principaux fabricants d'électrodes fournissent des guides pour la sélection des métaux d'apport, et les auteurs ne sauraient trop insister sur ce point : consultez un guide d'applications des métaux d'apport ou contactez les experts techniques du fabricant.Ils sont là pour vous aider à sélectionner la bonne électrode en acier inoxydable.
Pour plus d'informations sur les métaux d'apport en acier inoxydable de TYUE et pour contacter les experts de la société pour obtenir des conseils, rendez-vous sur www.tyuelec.com.
Heure de publication : 23 décembre 2022