Introduction
Lors de la fabrication d'équipements chimiques et pétroliers, afin d'économiser le nickel coûteux, l'acier est souvent soudé au nickel et à des alliages.
Les principaux problèmes du soudage
Lors du soudage, les principaux composants de la soudure sont le fer et le nickel, qui sont miscibles à l'infini et ne forment pas de composés intermétalliques. En général, la teneur en nickel est relativement élevée, de sorte qu'aucune couche de diffusion ne se forme dans la zone de fusion du joint soudé. Le principal problème du soudage réside dans la tendance à l'apparition de porosités et de fissures à chaud dans la soudure.
1. Porosité
Lors du soudage de l'acier, du nickel et de ses alliages, les principaux facteurs influençant la formation de porosités dans la soudure sont l'oxygène, le nickel et d'autres éléments d'alliage.
① Effet de l'oxygène. Lors du soudage, le métal liquide peut dissoudre davantage d'oxygène. À haute température, l'oxygène oxyde le nickel, formant ainsi du NiO. Ce dernier peut réagir avec l'hydrogène et le carbone présents dans le métal liquide pour générer de la vapeur d'eau et du monoxyde de carbone lors de la solidification du bain de fusion. Si ces gaz ne s'évacuent pas complètement, des résidus se forment dans la soudure, créant ainsi des porosités. Lors du soudage à l'arc submergé de nickel pur et d'acier Q235-A (fer-nickel), les teneurs en azote et en hydrogène varient peu. Cependant, plus la teneur en oxygène dans la soudure est élevée, plus le nombre de porosités est important.
2. Effet du nickel. Dans la soudure fer-nickel, la solubilité de l'oxygène dans le fer et le nickel diffère. La solubilité de l'oxygène dans le nickel liquide est supérieure à celle dans le fer liquide, tandis que sa solubilité dans le nickel solide est inférieure à celle dans le fer solide. Par conséquent, la variation brutale de solubilité de l'oxygène lors de la cristallisation du nickel est plus marquée que lors de celle du fer. Ainsi, la porosité de la soudure est faible pour une teneur en Ni de 15 % à 30 %. En revanche, pour des teneurs plus élevées (60 % à 90 %), la porosité augmente, car la quantité d'acier dissous diminue, ce qui favorise la formation de porosités.
③ Influence des autres éléments d'alliage. Lorsque la soudure fer-nickel contient du manganèse, du chrome, du molybdène, de l'aluminium, du titane et d'autres éléments d'alliage, ou des éléments compatibles avec l'alliage, son imperméabilité est améliorée. Ceci est dû au rôle désoxygénant du manganèse, du titane et de l'aluminium, tandis que le chrome et le molybdène améliorent la solubilité de la soudure dans le métal solide. Ainsi, la soudure nickel-acier inoxydable 1Cr18Ni9Ti présente une meilleure imperméabilité que la soudure nickel-acier Q235-A. L'aluminium et le titane peuvent également fixer l'azote dans des composés stables, ce qui contribue également à améliorer l'imperméabilité de la soudure.
2. Fissuration thermique
Dans les soudures d'acier, de nickel et de leurs alliages, la fissuration thermique est principalement due à la présence de nickel à forte teneur, présentant une organisation dendritique. À la périphérie des gros grains, ces grains concentrent de nombreux cocristaux à bas point de fusion, ce qui fragilise la liaison entre eux et réduit la résistance à la fissuration du métal d'apport. Par ailleurs, une teneur en nickel trop élevée dans le métal d'apport favorise significativement la fissuration thermique, notamment dans les soudures fer-nickel. Enfin, la présence d'oxygène, de soufre, de phosphore et d'autres impuretés influe également fortement sur la tendance à la fissuration thermique.
L'utilisation d'un flux sans oxygène, grâce à la réduction de la teneur en oxygène, soufre, phosphore et autres impuretés nocives dans la soudure, notamment en oxygène, diminue considérablement le risque de fissuration. La cristallisation du bain de fusion permet la formation d'un eutectique Ni + NiO entre l'oxygène et le nickel, à une température de 1438 °C. L'oxygène renforce également les effets néfastes du soufre. Par conséquent, une teneur élevée en oxygène dans la soudure accroît le risque de fissuration thermique.
Le manganèse (Mn), le chrome (Cr), le molybdène (Mo), le titane (Ti), le niobium (Nb) et d'autres éléments d'alliage peuvent améliorer la résistance à la fissuration du métal de soudure. Le Mn, le Cr, le Mo, le Ti et le Nb agissent comme agents métamorphiques, affinant ainsi la structure de la soudure et modifiant la direction de sa cristallisation. L'aluminium (Al) et le titane (Ti) sont également de puissants désoxydants, réduisant la teneur en oxygène dans la soudure. Le manganèse peut former des composés réfractaires avec le soufre (S), tels que le sulfure d'ammonium (MnS), atténuant ainsi les effets néfastes de ce dernier.
Propriétés mécaniques des joints soudés
Les propriétés mécaniques des joints soudés fer-nickel dépendent du métal d'apport et des paramètres de soudage. Lors du soudage de nickel pur et d'acier à faible teneur en carbone, si la teneur en équivalent Ni dans la soudure est inférieure à 30 %, une structure martensitique apparaît sous l'effet du refroidissement rapide, entraînant une chute brutale de la plasticité et de la ténacité du joint. Par conséquent, pour obtenir une meilleure plasticité et une meilleure ténacité, la teneur en équivalent Ni dans la soudure fer-nickel doit être supérieure à 30 %.
Date de publication : 10 mars 2025