Q : Nous avons récemment commencé des travaux nécessitant l'utilisation de composants principalement en acier inoxydable 304, soudés entre eux et à de l'acier doux. Nous avons constaté des problèmes de fissuration sur les soudures acier inoxydable-acier inoxydable jusqu'à 31,75 mm d'épaisseur. Il a été mentionné une faible teneur en ferrite. Pouvez-vous nous expliquer de quoi il s'agit et comment y remédier ?
R : C’est une bonne question. Oui, nous pouvons vous aider à comprendre ce que signifie un faible taux de ferrite et comment l’éviter.
Commençons par rappeler la définition de l'acier inoxydable (SS) et 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 d'autres groupes définis. 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 contenant au moins 90 % de fer et l'acier inoxydable contenant de 70 à 80 % de fer. Pour être classé comme acier inoxydable, il doit contenir au moins 11,5 % de chrome. Les teneurs en chrome supérieures à ce seuil minimal favorisent la formation de films d'oxyde de chrome à la surface de l'acier et empêchent l'oxydation, notamment la rouille (oxyde de fer) et la corrosion chimique.
L'acier inoxydable se divise principalement en trois groupes : l'austénite, la ferrite et la martensite. Leur nom provient de leur structure cristalline à température ambiante. Un autre groupe courant est l'acier inoxydable duplex, qui présente un équilibre entre la ferrite et l'austénite dans sa 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. Afin de favoriser la formation d'un rapport austénite/ferrite optimal, des stabilisants tels que le nickel, le carbone, le manganèse et l'azote sont ajoutés lors de l'élaboration de l'acier. 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 présente une structure cristalline à prédominance 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 automobiles et les centrales électriques, et ses applications à haute température sont limitées. Parmi les aciers inoxydables les plus utilisés, on trouve les séries 405, 409, 430 et 446.
Les aciers martensitiques, également désignés par la série 400 (403, 410 et 440, par exemple), sont magnétiques, contiennent de 11,5 % à 18 % de chrome et présentent une structure cristalline martensitique. Cette combinaison offre la plus faible teneur en or, ce qui en fait les aciers les moins coûteux à produire. Ils présentent une certaine résistance à la corrosion et une excellente robustesse. On les utilise couramment 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 en service détermineront le métal d'apport approprié. Si vous utilisez un procédé de soudage sous protection gazeuse, vous devrez peut-être porter une attention particulière aux mélanges de gaz de protection afin de prévenir certains problèmes liés au 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. Ces électrodes ont une teneur en carbone inférieure à 0,03 %. Au-delà de ce seuil, le risque de précipitation du carbone aux joints de grains et de sa combinaison avec le chrome pour former des carbures de chrome augmente, réduisant ainsi la résistance à la corrosion de l'acier. Ce phénomène est particulièrement visible en cas de corrosion dans la zone affectée thermiquement (ZAT) des joints soudés en acier inoxydable. Il convient également de noter que les aciers inoxydables de nuance L présentent une résistance à la traction inférieure à haute température par rapport aux aciers inoxydables classiques.
L'acier inoxydable 304 étant de type 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 de teneur en ferrite pour le 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 calculé à partir des diagrammes de Schaeffler et WRC-1992, qui utilisent les formules d'équivalence du nickel et du chrome. Reporté sur le diagramme, cet indice est normalisé. L'indice de ferrite, compris entre 0 et 7, correspond au pourcentage volumique de la structure cristalline de ferrite présente 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 aucune transformation de phase lors de traitements thermiques à haute température.
La formation de ferrite est souhaitable car elle est plus ductile que l'austénite, mais elle doit être maîtrisée. De faibles teneurs en ferrite permettent d'obtenir des soudures présentant une excellente résistance à la corrosion dans certaines applications, mais sont extrêmement sujettes 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 des valeurs inférieures ou supérieures peuvent être nécessaires pour certaines applications. La présence de ferrite peut être facilement vérifiée sur le lieu de travail à l'aide d'un indicateur de ferrite.
Puisque vous avez mentionné des problèmes de fissuration et une faible teneur en ferrite, il est important d'examiner attentivement votre métal d'apport et de vous assurer qu'il produit une quantité suffisante de ferrite (environ 8 devrait 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 75 % argon/25 % CO₂, ce qui peut entraîner une incorporation de carbone dans le métal fondu. Vous pourriez envisager de passer au soudage à l'arc sous protection gazeuse (GMAW) et d'utiliser un mélange 98 % argon/2 % oxygène afin de réduire les risques d'incorporation de carbone.
Pour souder l'acier inoxydable à l'acier au carbone, il est nécessaire 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 dilution de l'acier au carbone dans le bain de soudure. Comme une partie du carbone est absorbée par l'acier au carbone, des stabilisateurs de ferrite sont ajoutés au métal d'apport afin de contrer la tendance du carbone à former de l'austénite. Ceci contribue à prévenir la fissuration thermique lors du soudage.
En résumé, pour éliminer les fissures à chaud sur les joints soudés en acier inoxydable austénitique, assurez-vous d'utiliser un métal d'apport en ferrite de qualité suffisante et respectez 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 le brasage. Utilisez une jauge appropriée pour vérifier la quantité de ferrite sur le joint soudé ; visez une valeur de 5 à 10.
WELDER, anciennement Practical Welding Today, met en lumière les personnes qui fabriquent les produits que nous utilisons et avec lesquels nous travaillons au quotidien. Ce magazine est au service de la communauté des soudeurs en Amérique du Nord depuis plus de 20 ans.
Désormais, avec un accès complet à l'édition numérique de The FABRICATOR, accédez facilement à de précieuses ressources sectorielles.
L'édition numérique de The Tube & Pipe Journal est désormais entièrement accessible, offrant un accès facile à de précieuses ressources du secteur.
Bénéficiez d'un accès complet à l'édition numérique de STAMPING Journal, qui présente les dernières avancées technologiques, les meilleures pratiques et l'actualité du secteur de l'emboutissage des métaux.
Désormais, avec un accès complet à l'édition numérique de The Fabricator en Español, accédez facilement à de précieuses ressources de l'industrie.