Le soudage de l'acier inoxydable nécessite le choix d'un gaz de protection afin de préserver sa composition métallurgique et ses propriétés physiques et mécaniques. Les gaz de protection couramment utilisés pour l'acier inoxydable comprennent l'argon, l'hélium, l'oxygène, le dioxyde de carbone, l'azote et l'hydrogène (voir figure 1). Ces gaz sont combinés en proportions variables pour répondre aux besoins des différents modes d'alimentation, types de fil, alliages de base, profils de cordon souhaités et vitesses de déplacement.
En raison de la faible conductivité thermique de l'acier inoxydable et du caractère relativement froid du soudage à l'arc sous protection gazeuse avec transfert de courant (GMAW), le procédé requiert un mélange gazeux composé de 85 à 90 % d'hélium (He), jusqu'à 10 % d'argon (Ar) et de 2 à 5 % de dioxyde de carbone (CO₂). Un mélange courant contient 90 % d'He, 7,5 % d'Ar et 2,5 % de CO₂. Le potentiel d'ionisation élevé de l'hélium favorise l'amorçage de l'arc après un court-circuit ; associé à sa conductivité thermique élevée, l'utilisation d'He accroît la fluidité du bain de fusion. L'argon assure la protection générale du bain de fusion, tandis que le CO₂ agit comme réactif pour stabiliser l'arc (voir figure 2 pour l'influence des différents gaz de protection sur le profil du cordon de soudure).
Certains mélanges ternaires utilisent l'oxygène comme stabilisateur, tandis que d'autres emploient un mélange He/CO2/N2 pour obtenir le même résultat. Certains distributeurs de gaz proposent des mélanges exclusifs qui offrent les avantages promis. Les concessionnaires recommandent également ces mélanges pour d'autres modes de transmission, avec le même effet.
L'erreur la plus fréquente des fabricants est de tenter de court-circuiter l'acier inoxydable GMAW avec le même mélange gazeux (75 Ar/25 CO2) que pour l'acier doux, généralement par souci d'économie d'énergie. Ce mélange contient une quantité excessive de carbone. En effet, tout gaz de protection utilisé pour le soudage à l'arc avec fil plein ne doit pas contenir plus de 5 % de dioxyde de carbone. Un taux supérieur conduit à une métallurgie qui ne répond plus aux critères de qualité L (la qualité L présente une teneur en carbone inférieure à 0,03 %). Un excès de carbone dans le gaz de protection peut entraîner la formation de carbures de chrome, réduisant ainsi la résistance à la corrosion et les propriétés mécaniques. De la suie peut également apparaître sur la surface de la soudure.
À noter que, pour le soudage GMAW des alliages de base de la série 300 (308, 309, 316, 347), il est recommandé aux fabricants d'opter pour la nuance LSi. Les métaux d'apport LSi, à faible teneur en carbone (0,02 %), sont particulièrement recommandés en cas de risque de corrosion intergranulaire. Une teneur en silicium plus élevée améliore les propriétés de la soudure, notamment le mouillage, contribuant ainsi à aplanir le cordon et à favoriser la fusion au pied.
Les fabricants doivent faire preuve de prudence lors de l'utilisation de procédés de transfert par court-circuit. Une fusion incomplète peut résulter de l'extinction de l'arc, rendant le procédé inadapté aux applications critiques. Pour les productions en grande série, si le matériau supporte l'apport de chaleur (une épaisseur minimale de 1,5 mm environ pour le soudage en mode pulvérisation pulsée est possible), le transfert par pulvérisation pulsée est préférable. Lorsque l'épaisseur du matériau et l'emplacement de la soudure le permettent, le soudage GMAW par pulvérisation est privilégié car il assure une fusion plus homogène.
Ces modes de transfert thermique élevé ne nécessitent pas de gaz de protection à l'hélium. Pour le soudage par projection thermique des alliages de la série 300, on utilise généralement un mélange de 98 % d'argon et de 2 % d'éléments réactifs tels que le CO₂ ou l'O₂. Certains mélanges gazeux peuvent également contenir de faibles quantités d'azote. L'azote possède un potentiel d'ionisation et une conductivité thermique plus élevés, ce qui favorise le mouillage et permet une diffusion plus rapide ou une meilleure perméabilité ; il réduit également la déformation.
Pour le soudage GMAW par transfert de pulvérisation pulsée, l'argon pur (100 %) peut être un choix acceptable. Étant donné que le courant pulsé stabilise l'arc, le gaz ne nécessite pas toujours d'éléments actifs.
La vitesse de fusion du bain est plus lente pour les aciers inoxydables ferritiques et les aciers inoxydables duplex (rapport ferrite/austénite de 50/50). Pour ces alliages, un mélange gazeux tel que ~70 % Ar / ~30 % He / 2 % CO₂ favorise un meilleur mouillage et augmente la vitesse de soudage (voir figure 3). Des mélanges similaires peuvent être utilisés pour souder les alliages de nickel, mais ils entraînent la formation d'oxydes de nickel à la surface de la soudure (par exemple, l'ajout de 2 % de CO₂ ou d'O₂ suffit à augmenter la teneur en oxydes ; les fabricants doivent donc les éviter ou prévoir un temps de nettoyage important). Ces oxydes sont abrasifs car ils sont si durs qu'une brosse métallique ne suffit généralement pas à les éliminer.
Les fabricants utilisent des fils fourrés en acier inoxydable pour le soudage hors-situ car le laitier contenu dans ces fils forme une structure qui soutient le bain de fusion lors de sa solidification. La composition du flux atténuant les effets du CO₂, le fil fourré en acier inoxydable est conçu pour être utilisé avec des mélanges gazeux 75 % Ar/25 % CO₂ et/ou 100 % CO₂. Bien que le fil fourré puisse coûter plus cher au kilo, il convient de noter que des vitesses de soudage toutes positions et des taux de dépôt plus élevés peuvent réduire les coûts globaux de soudage. De plus, le fil fourré utilise une tension continue conventionnelle, ce qui rend le système de soudage de base moins coûteux et moins complexe que les systèmes GMAW pulsés.
Pour les alliages des séries 300 et 400, l'argon pur reste le choix standard pour le soudage TIG (GTAW). Lors du soudage TIG de certains alliages de nickel, notamment avec des procédés mécanisés, de petites quantités d'hydrogène (jusqu'à 5 %) peuvent être ajoutées pour augmenter la vitesse de déplacement (notez que, contrairement aux aciers au carbone, les alliages de nickel ne sont pas sujets à la fissuration par l'hydrogène).
Pour le soudage des aciers superduplex et des aciers inoxydables superduplex, les mélanges 98 % Ar/2 % N₂ et 98 % Ar/3 % N₂ sont respectivement de bons choix. L'ajout d'hélium permet d'améliorer la mouillabilité d'environ 30 %. Lors du soudage de ces aciers, l'objectif est d'obtenir un joint présentant une microstructure équilibrée, composée d'environ 50 % de ferrite et 50 % d'austénite. La formation de la microstructure dépendant de la vitesse de refroidissement, et le bain de fusion refroidissant rapidement en soudage TIG, un excès de ferrite subsiste avec l'utilisation d'argon pur (100 %). L'utilisation d'un mélange gazeux contenant de l'azote (N₂) favorise la formation d'austénite en s'incorporant au bain de fusion.
L'acier inoxydable doit protéger les deux faces du joint pour obtenir une soudure finie offrant une résistance maximale à la corrosion. L'absence de protection de la face arrière peut entraîner une « saccharification », ou une oxydation importante pouvant conduire à une défaillance de la soudure.
Les raccords bout à bout serrés, présentant un ajustement excellent et constant ou un confinement étanche à l'arrière du raccord, peuvent ne pas nécessiter de gaz de protection. Dans ce cas, le principal enjeu est d'éviter une décoloration excessive de la zone affectée thermiquement due à l'accumulation d'oxyde, qui requiert alors un décapage mécanique. Techniquement, si la température de la face arrière dépasse 500 degrés Fahrenheit (environ 260 °C), un gaz de protection est nécessaire. Toutefois, une approche plus prudente consiste à utiliser 300 degrés Fahrenheit (environ 150 °C) comme seuil. Idéalement, la teneur en O₂ du gaz de protection devrait être inférieure à 30 ppm. L'exception concerne les soudures à pleine pénétration si la face arrière est gougeée, meulée puis soudée.
Les deux gaz de support privilégiés sont l'azote (N₂), le moins cher, et l'argon (Ar), plus coûteux. Pour les petits assemblages ou lorsque des sources d'argon sont facilement disponibles, l'utilisation de ce gaz peut s'avérer plus pratique et les économies réalisées avec l'azote ne sont pas justifiées. L'ajout d'hydrogène, jusqu'à 5 %, permet de limiter l'oxydation. Diverses solutions commerciales existent, mais la fabrication artisanale de supports et de barrages de purification est courante.
L'ajout de 10,5 % ou plus de chrome confère à l'acier inoxydable ses propriétés inoxydables. Le maintien de ces propriétés exige une bonne maîtrise des techniques de soudage, notamment pour le choix du gaz de protection et la protection de la face arrière du joint. L'acier inoxydable est coûteux, et son utilisation se justifie pleinement. Il est donc inutile de lésiner sur la qualité du gaz de protection ou du métal d'apport. Par conséquent, il est toujours judicieux de faire appel à un distributeur de gaz et à un spécialiste des métaux d'apport compétents pour le soudage de l'acier inoxydable.
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