Q : Nous avons récemment commencé des travaux nécessitant la fabrication de composants principalement en acier inoxydable 304, soudés entre eux et à de l'acier doux. Nous avons constaté des problèmes de fissuration des soudures entre deux pièces d'acier inoxydable, jusqu'à 32 mm d'épaisseur. Il a été mentionné que nos soudures présentaient de faibles niveaux de ferrite. Pouvez-vous nous expliquer de quoi il s'agit et comment y remédier ?
A : C'est une bonne question. Oui, nous pouvons vous aider à comprendre ce que signifie une faible teneur en ferrite et comment la prévenir.
Commençons par définir l'acier inoxydable et examiner le rôle de la ferrite dans les joints soudés. Les aciers noirs et leurs alliages contiennent plus de 50 % de fer. Cela inclut tous les aciers au carbone et inoxydables, ainsi que certains autres groupes d'aciers. L'aluminium, le cuivre et le titane ne contiennent pas de fer ; ce sont donc d'excellents exemples d'alliages non ferreux.
Les principaux composants de cet alliage sont l'acier au carbone à 90 % de fer minimum et l'acier inoxydable à 70-80 % de fer. Pour être classé comme acier inoxydable, il doit contenir au moins 11,5 % de chrome. Une teneur en chrome supérieure à ce seuil minimal favorise la formation d'une couche d'oxyde de chrome à la surface de l'acier et empêche l'oxydation, notamment la rouille (oxyde de fer) et la corrosion chimique.
L'acier inoxydable se divise principalement en trois groupes : austénitique, ferritique et martensitique. Leur nom provient de leur structure cristalline à température ambiante. Un autre groupe courant est celui des aciers inoxydables duplex, qui présentent un équilibre entre ferrite et austénite dans leur structure cristalline.
Les aciers austénitiques de la série 300 contiennent de 16 % à 30 % de chrome et de 8 % à 40 % de nickel, formant une structure cristalline majoritairement austénitique. Des stabilisants tels que le nickel, le carbone, le manganèse et l'azote sont ajoutés lors de l'élaboration de l'acier pour favoriser l'obtention du rapport austénite/ferrite. Parmi les nuances courantes, on trouve les aciers 304, 316 et 347. Ils offrent une bonne résistance à la corrosion et sont principalement utilisés dans les industries agroalimentaire, chimique, pharmaceutique et cryogénique. La maîtrise de la formation de ferrite assure une excellente ténacité à basse température.
L'acier inoxydable ferritique (série 400) est entièrement magnétique, contient de 11,5 % à 30 % de chrome et possède une structure cristalline majoritairement ferritique. Pour favoriser la formation de ferrite, des stabilisants tels que le chrome, le silicium, le molybdène et le niobium sont ajoutés lors de sa production. Ce type d'acier inoxydable est couramment utilisé dans les systèmes d'échappement et les groupes motopropulseurs automobiles, mais ses applications à haute température sont limitées. Parmi les types les plus courants, on trouve les aciers inoxydables 405, 409, 430 et 446.
Les aciers martensitiques, également appelés aciers de la série 400 (comme les aciers 403, 410 et 440), sont magnétiques, contiennent de 11,5 % à 18 % de chrome et possèdent une structure cristalline martensitique. Cette combinaison présente la plus faible teneur en or, ce qui en fait les aciers les moins coûteux à produire. Ils offrent une certaine résistance à la corrosion, une résistance mécanique supérieure et sont couramment utilisés dans la fabrication de vaisselle, d'instruments dentaires et chirurgicaux, d'ustensiles de cuisine et de certains types d'outils.
Lors du soudage de l'acier inoxydable, le type de substrat et son application déterminent le métal d'apport approprié. Si vous utilisez un procédé sous protection gazeuse, il convient de porter une attention particulière aux mélanges de gaz de protection afin d'éviter certains problèmes de soudage.
Pour souder l'acier inoxydable 304 sur lui-même, vous aurez besoin d'une électrode E308/308L. Le « L » signifie « faible teneur en carbone », ce qui contribue à prévenir la corrosion intergranulaire. La teneur en carbone de ces électrodes est inférieure à 0,03 %. Au-delà de cette valeur, le risque de dépôt de carbone aux joints de grains et de liaison du chrome pour former des carbures de chrome augmente, ce qui réduit considérablement la résistance à la corrosion de l'acier. Ce phénomène est particulièrement visible si la corrosion se produit dans la zone affectée thermiquement (ZAT) des soudures en acier inoxydable. Il faut également tenir compte du fait que l'acier inoxydable de nuance L présente une résistance à la traction inférieure à haute température par rapport aux aciers inoxydables classiques.
L'acier inoxydable 304 étant austénitique, le métal d'apport correspondant contient majoritairement de l'austénite. Cependant, l'électrode elle-même contient un stabilisateur de ferrite, tel que le molybdène, afin de favoriser la formation de ferrite dans le métal d'apport. Les fabricants indiquent généralement une plage typique pour la teneur en ferrite du métal d'apport. Comme mentionné précédemment, le carbone est un puissant stabilisateur d'austénite ; il est donc essentiel d'éviter son ajout au métal d'apport.
L'indice de ferrite est déterminé à partir des diagrammes de Scheffler et WRC-1992, qui utilisent les formules d'équivalence du nickel et du chrome pour calculer la valeur qui, reportée sur le diagramme, donne un nombre normalisé. Un indice de ferrite compris entre 0 et 7 correspond au pourcentage volumique de structure cristalline ferritique présent dans le métal d'apport. Cependant, plus le pourcentage est élevé, plus l'indice de ferrite augmente rapidement. Il est important de noter que la ferrite présente dans l'acier inoxydable n'est pas la même que celle de l'acier au carbone, mais une phase appelée ferrite delta. L'acier inoxydable austénitique ne subit pas de transformations de phase liées aux procédés à haute température tels que les traitements thermiques.
La formation de ferrite est souhaitable car elle est plus ductile que l'austénite, mais elle doit être maîtrisée. Une faible teneur en ferrite permet d'obtenir des soudures présentant une excellente résistance à la corrosion dans certaines applications, mais elles sont extrêmement sensibles à la fissuration à chaud lors du soudage. En conditions d'utilisation courantes, la teneur en ferrite doit se situer entre 5 et 10 %, mais certaines applications peuvent exiger des valeurs inférieures ou supérieures. La présence de ferrite peut être facilement contrôlée sur le lieu de travail à l'aide d'un indicateur de ferrite.
Puisque vous avez mentionné des problèmes de fissuration et de faible teneur en ferrite, il serait judicieux d'examiner attentivement votre métal d'apport et de vous assurer qu'il produit suffisamment de ferrite (environ 8 % devraient suffire). De plus, si vous utilisez le soudage à l'arc avec fil fourré (FCAW), ces métaux d'apport sont généralement utilisés avec un gaz de protection composé à 100 % de dioxyde de carbone, ou d'un mélange de 75 % d'argon et de 25 % de CO₂, ce qui peut entraîner l'absorption de carbone par le métal fondu. Vous pouvez opter pour le procédé de soudage à l'arc avec fil fourré (GMAW) et utiliser un mélange de 98 % d'argon et de 2 % d'oxygène afin de réduire les risques de dépôts de carbone.
Lors du soudage de l'acier inoxydable à l'acier au carbone, il est impératif d'utiliser le métal d'apport E309L. Ce métal d'apport est spécialement conçu pour le soudage de métaux dissemblables et forme une certaine quantité de ferrite après dissolution de l'acier au carbone dans le bain de soudure. L'acier au carbone absorbant une certaine quantité de carbone, des stabilisateurs de ferrite sont ajoutés au métal d'apport afin de limiter la formation d'austénite. Ceci contribue à prévenir la fissuration thermique pendant le soudage.
Pour réparer les fissures à chaud dans les soudures d'acier inoxydable austénitique, vérifiez la constance du métal d'apport en ferrite et suivez les bonnes pratiques de soudage. Maintenez l'apport de chaleur en dessous de 50 kJ/po², maintenez des températures entre passes modérées à basses et assurez-vous que les joints de soudure sont propres avant le brasage. Utilisez une jauge appropriée pour contrôler la quantité de ferrite sur la soudure, en vous concentrant sur les valeurs de 5 à 10.
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