Q : Nous avons récemment commencé à effectuer des travaux qui nécessitent que certains composants soient fabriqués principalement en acier inoxydable de grade 304, soudé à lui-même et à de l'acier doux. Nous avons rencontré des problèmes de fissuration sur des soudures acier inoxydable sur acier inoxydable jusqu'à 1,25″ d'épaisseur. Il a été mentionné que nous avons un faible taux de ferrite. Pouvez-vous expliquer ce que c'est et comment y remédier ?
R : C'est une bonne question. Oui, nous pouvons vous aider à comprendre ce que signifie un faible nombre de ferrites et comment l'éviter.
Tout d'abord, passons en revue la définition de l'acier inoxydable (SS) et la relation entre la ferrite et les joints soudés. L'acier noir et les alliages contiennent plus de 50 % de fer. Cela inclut tous les aciers au carbone et inoxydables et d'autres groupes définis. L'aluminium, le cuivre et le titane ne contiennent pas de fer, ils sont donc d'excellents exemples d'alliages non ferreux.
Les principaux composants de cet alliage sont l'acier au carbone avec au moins 90 % de fer et l'acier inoxydable avec 70 à 80 % de fer. Pour être classé comme acier inoxydable, il doit contenir au moins 11,5 % de chrome ajouté. Les niveaux de chrome supérieurs à ce seuil minimum favorisent la formation de films d'oxyde de chrome sur les surfaces en acier et empêchent la formation d'oxydation telle que la rouille (oxyde de fer) ou la corrosion causée par une attaque chimique.
Les SS sont principalement divisés en trois groupes : l'austénite, la ferrite et la martensite. Leur nom vient de la structure cristalline à température ambiante qui les compose. Un autre groupe courant est le SS duplex, qui est un équilibre entre la ferrite et l'austénite dans la structure cristalline.
Les nuances austénitiques, la série 300, contiennent 16 à 30 % de chrome et 8 à 40 % de nickel, formant une structure cristalline principalement austénitique. Pour favoriser la formation du rapport austénite-ferrite, des stabilisants tels que le nickel, le carbone, le manganèse et l'azote sont ajoutés pendant le processus de fabrication de l'acier. Certaines nuances courantes sont 304, 316 et 347. Offre une bonne résistance à la corrosion ; principalement utilisé dans les applications alimentaires, chimiques, pharmaceutiques et cryogéniques. Le contrôle de la formation de ferrite offre une excellente ténacité à basse température.
L'acier inoxydable ferritique est une nuance de la série 400 qui est entièrement magnétique, contient 11,5 % à 30 % de chrome et possède une structure cristalline à prédominance ferritique. Pour favoriser la formation de ferrite, les stabilisants comprennent le chrome, le silicium, le molybdène et le niobium pendant la production d'acier. Ces types d'acier inoxydable sont couramment utilisés dans les systèmes d'échappement automobiles et les centrales électriques et ont des applications à haute température limitées. Plusieurs types couramment utilisés sont 405, 409, 430 et 446.
Les nuances martensitiques, également identifiées par la série 400 telles que 403, 410 et 440, sont magnétiques, contiennent de 11,5 % à 18 % de chrome et ont la martensite comme structure cristalline. Cette combinaison a la plus faible teneur en or, ce qui en fait la moins chère à produire. Elles offrent une certaine résistance à la corrosion, une excellente résistance et sont couramment utilisées dans la vaisselle, les équipements dentaires et chirurgicaux, les ustensiles de cuisine et certains types d'outils.
Lorsque vous soudez de l'acier inoxydable, le type de substrat et son application en service détermineront le métal d'apport approprié à utiliser. Si vous utilisez un processus de protection gazeuse, vous devrez peut-être accorder une attention particulière aux mélanges de gaz de protection pour éviter certains problèmes liés au soudage.
Pour souder le 304 à lui-même, vous aurez besoin d'une électrode E308/308L. Le « L » signifie faible teneur en carbone, ce qui aide à prévenir la corrosion intergranulaire. Ces électrodes ont une teneur en carbone inférieure à 0,03 % ; toute teneur supérieure à cette valeur augmente le risque de précipitation du carbone aux joints de grains et de combinaison avec le chrome pour former des carbures de chrome, réduisant ainsi efficacement la résistance à la corrosion de l'acier. Cela devient évident si la corrosion se produit dans la zone affectée thermiquement (ZAT) des joints soudés en acier inoxydable. Une autre considération pour l'acier inoxydable de qualité L est qu'il a une résistance à la traction inférieure à des températures de service élevées que les qualités d'acier inoxydable directes.
Étant donné que le 304 est un type d'acier inoxydable austénitique, le métal de soudure correspondant contiendra la majeure partie de l'austénite. Cependant, l'électrode elle-même contiendra un stabilisateur de ferrite, tel que le molybdène, pour favoriser la formation de ferrite dans le métal de soudure. Les fabricants indiquent généralement une plage typique de quantités de ferrite pour le métal de soudure. Comme mentionné précédemment, le carbone est un stabilisateur austénitique puissant et, pour ces raisons, il est essentiel d'empêcher son ajout au métal de soudure.
Les nombres de ferrite sont dérivés du diagramme de Schaeffler et du diagramme WRC-1992, qui utilisent des formules équivalentes au nickel et au chrome pour calculer la valeur, qui, une fois tracée sur le diagramme, produit un nombre normalisé. Le nombre de ferrite entre 0 et 7 correspond au pourcentage volumique de la structure cristalline de ferrite présente dans le métal de soudure ; cependant, à des pourcentages plus élevés, le nombre de ferrite augmente à un rythme plus rapide. N'oubliez pas que la ferrite dans SS n'est pas la même que la ferrite d'acier au carbone, mais une phase appelée ferrite delta. L'acier inoxydable austénitique n'a pas de transformations de phase associées aux processus à haute température tels que le traitement thermique.
La formation de ferrite est souhaitable car elle est plus ductile que l'austénite, mais doit être contrôlée.De faibles nombres de ferrite peuvent produire des soudures avec une excellente résistance à la corrosion dans certaines applications, mais sont extrêmement sujets à la fissuration à chaud pendant le soudage.Pour les conditions d'utilisation générales, le nombre de ferrite doit être compris entre 5 et 10, mais pour certaines applications, des valeurs inférieures ou supérieures peuvent être nécessaires.Les ferrites peuvent être facilement vérifiées sur le chantier à l'aide d'un indicateur de ferrite.
Puisque vous avez mentionné que vous avez des problèmes de fissuration et un faible taux de ferrite, vous devez examiner de près votre métal d'apport et vous assurer qu'il produit suffisamment de ferrite - environ 8 devrait aider. De plus, si vous utilisez le soudage à l'arc avec fil fourré (FCAW), ces métaux d'apport utilisent généralement un gaz de protection à 100 % de dioxyde de carbone ou un mélange à 75 % d'argon/25 % de CO2, ce qui peut provoquer une absorption de carbone dans le métal de soudure. Vous souhaiterez peut-être passer à un procédé de soudage à l'arc sous gaz métal (GMAW) et utiliser un mélange à 98 % d'argon/2 % d'oxygène pour réduire la possibilité d'absorption de carbone.
Pour souder l'acier inoxydable à l'acier au carbone, vous devez utiliser le matériau d'apport E309L. Ce métal d'apport est spécialement utilisé pour souder des métaux différents et forme une certaine quantité de ferrite après la dilution de l'acier au carbone dans la soudure. Étant donné qu'une partie du carbone est absorbée dans l'acier au carbone, des stabilisateurs de ferrite sont ajoutés au métal d'apport pour contrer la tendance du carbone à former de l'austénite. Cela aidera à prévenir les fissures thermiques dans les applications de soudage.
En résumé, si vous souhaitez éliminer les fissures chaudes sur les joints soudés en acier inoxydable austénitique, vérifiez que le métal d'apport en ferrite est adéquat et suivez les bonnes pratiques de soudage. Maintenez l'apport de chaleur en dessous de 50 kJ/pouce, maintenez des températures entre passes modérées à basses et assurez-vous que les joints de soudure sont exempts de toute contamination avant la soudure. Utilisez une jauge appropriée pour vérifier la quantité de ferrite sur le joint soudé, en visant 5 à 10.
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