Conseils de soudage cryogénique en acier inoxydable

Qu’est-ce que l’acier inoxydable cryogénique?

Les aciers, qui sont utilisés à basse température, sont appelés aciers cryogéniques, aciers résistants aux basses températures ou aciers résistants à des températures inférieures à zéro. Leur propriété la plus importante est une ténacité suffisante à la température de fonctionnement. A cela est associée une sensibilité considérable à la fracturation fragile. De plus, ils se caractérisent dans certains cas par des résistances élevées et leur aptitude au soudage. Ces matériaux sont utilisés en particulier dans les machines de liquéfaction des gaz, pour les tuyaux, les pompes, les raccords de l’industrie du refroidissement ainsi que pour les récipients de support, de transport et sous pression des gaz liquéfiés.

Matériaux pour applications cryogéniques

Pour les applications à basse température, différents matériaux peuvent être choisis en fonction de la température de fonctionnement.
Ceux-ci incluent également les matériaux non ferreux tels que :
– Cuivre et alliages de cuivre
– Nickel et alliages de nickel
– Aluminium et matériaux en aluminium

Le tableau ci-dessous présente les différents matériaux pour les applications cryogéniques dans les industries :

Pour améliorer sa ténacité à des températures inférieures à zéro, l’élément nickel, en particulier, est ajouté à l’acier, en plus d’autres mesures techniques des matériaux. Si la teneur en nickel est inférieure à 10 % et si aucun autre élément déterminant des propriétés (comme par exemple le chrome) n’est ajouté, la microstructure reste ferritico-perlitique à température ambiante dans des conditions d’équilibre.

Influences du nickel sur les propriétés et la ténacité à basse température

Le nickel est le seul élément grâce auquel la ténacité d’un matériau à base de fer peut être améliorée même à des températures descendantes. En ajoutant du nickel, la courbe de l’énergie d’impact se déplace vers la gauche sur la ligne de température, c’est-à-dire la température de transition et avec elle donc le risque de formation de fractures fragiles est déplacé vers des températures plus basses. Supposons que la température de transition de l’acier avec 2 % de nickel et 0,15 % de carbone soit d’environ -120 °C. L’acier à 13 % de nickel et 0,01 % de carbone n’affiche en revanche, jusqu’à une température de -196°C, plus de baisse en cours de courbe du fait de sa microstructure austénitique (et donc également pas de fragilisation à bas températures.)
Le nickel entraîne également un abaissement de la température A1 et A3, auquel est associée une surfusion importante de la transformation austénitique. En conséquence, les aciers alliés avec suffisamment de nickel peuvent déjà avoir tendance à former de la martensite (martensite cubique) lors du refroidissement à l’air.

Directives de soudage pour l’acier cryogénique

La réussite du soudage des aciers pour récipients sous pression alliés au nickel qui sont résistants à des températures inférieures à zéro dépend d’une gamme de variables. Il s’agit notamment :
– de la nuance d’acier,
– du procédé de fabrication et de l’état de livraison,
– du magnétisme rémanent (restant),
– de la conductivité thermique et de la dilatation thermique,
– du procédé de soudage et du métal d’apport,
– du contrôle thermique et de la l’apport de chaleur et la
– vitesse de refroidissement.
Le choix des métaux d’apport dépend des critères suivants :
– propriétés de ténacité des matériaux de base,
– température d’application,
– coûts,
– soudabilité au courant alternatif –> connaissance approfondie des spécificités magnétiques de l’acier à 9 % (magnétisme rémanent),
– position de soudage –> aptitude au soudage hors position
– résistance à la fissuration à chaud et
– type de poudre en soudage à l’arc submergé .

Sélection de consommables de soudage

Le choix des consommables de soudage pour le soudage des aciers cryogéniques dépend de la chimie du matériau. La plupart des types de consommables de soudage correspondants sont utilisés. Le consommable de soudage doit avoir les éléments suivants :


– Coefficient de dilatation linéaire très similaire à celui du matériau de base.
– Pour le soudage à l’arc métallique, des métaux d’apport contrôlés à l’hydrogène doivent être utilisés.
– Pour les mélanges avec austénites, les métaux d’apport à base de nickel sont à privilégier.

Température de préchauffage et interpasse

– Température de préchauffage : est à adapter à l’épaisseur de la plaque/feuille, la température ne doit pas descendre en dessous de 100°C.
– Température interpasse :  180 °C


Remarque : Si la température entre les passes est plus élevée, les propriétés de ténacité de la zone affectée thermiquement sont influencées négativement à la température de fonctionnement en raison d’un refroidissement retardé (risque de formation de gros grains).
De plus, des vitesses de refroidissement trop élevées ont un impact défavorable sur la ténacité du joint soudé (risque de formation de martensite cassante).

Traitement thermique pour acier inoxydable cryogénique

L’acier inoxydable cryogénique peut perdre ses propriétés avantageuses en raison des effets néfastes du processus de soudage. Les effets néfastes causés par le soudage peuvent entraîner une teneur en ferrite plus élevée dans le métal fondu ainsi qu’une zone affectée thermiquement.

Si l’énergie d’impact doit répondre à des exigences élevées autour de la ligne de fusion, un matériau de base trempé et revenu (Q & T) est recommandé. Pour contrer l’effet néfaste du soudage, le composant soudé peut être traité par recuit de mise en solution.

Contrôle de ferrite et limites de teneur en ferrite

Pour les aciers inoxydables austénitiques, de nombreuses normes prescrivent des limitations de ferrite. Par exemple, ASME III spécifie un minimum de 5FN pour un service au-dessus de 427°C (800°F), ou 3-10FN pour un service au-dessus de 427°C (800°F) ; tandis que l’API 582 [10] spécifie un minimum de 3FN (bien qu’il soit noté que pour le service cryogénique, un FN inférieur peut être requis). Il a été découvert qu’en ajustant la ferrite de métal de soudure des électrodes SMAW dans la plage 25FN, l’exigence d’expansion latérale de 0,38 mm (0,015 pouce) peut être satisfaite.