Sélection du métal d’apport et apport de chaleur recommandé pour le soudage de l’acier faiblement allié

Pourquoi utiliser des aciers faiblement alliés ?

Les entreprises choisissent les aciers faiblement alliés car ils ont une résistance, une ténacité et/ou des performances supérieures dans des conditions de fonctionnement difficiles par rapport aux aciers au carbone. Cependant, les propriétés mécaniques de faible alliage d’ acier seront varient considérablement en raison de différents alliages éléments. Avec la popularité croissante de ces matériaux dans l’ industrie – des fabricants d’ acier de construction et de récipients sous pression à la fabrication de machines lourdes – l’ électrode de soudage ou les matériaux d’ apport et le soudageles processus nécessaires à leur connexion sont devenus de plus en plus importants. N’oubliez pas les points suivants pour éliminer les problèmes de soudage graves pendant le soudage.

Qu’est-ce que l’acier faiblement allié ?

les aciers faiblement alliés ont de nombreux éléments d’alliage différents. Parmi eux, Ni (nickel), Mo (molybdène) et Cr (chrome) représentent généralement plus de 0,5 % mais moins de 5 % du total des éléments d’alliage.

 Chaque élément confère au matériau des propriétés spécifiques. Par exemple, en plus d’augmenter modérément la résistance à la traction, le nickel peut également améliorer la ténacité à basse température. Le molybdène et le chrome augmentent la résistance à la traction et aident à maintenir la résistance à des températures élevées. Le cuivre peut être utilisé en combinaison avec d’autres éléments pour améliorer la résistance à la corrosion atmosphérique, tout comme l’acier aux intempéries.

 La résistance à la traction de la plupart des aciers faiblement alliés dépasse 70 ksi, et certains dépassent même 120 ksi. Certains aciers faiblement alliés ont une excellente soudabilité, tandis que d’autres sont soudables en fonction de l’alliage. N’oubliez pas qu’à mesure que la teneur en alliage augmente, le matériau a tendance à former une microstructure plus fragile après le soudage, ce qui le rend difficile à souder avec succès.

Étant donné que chaque élément d’alliage affecte les caractéristiques et les performances du métal fondu, il est très important de faire correspondre correctement le matériau d’apport avec le métal de base.

 Choix des métaux d’ apport pour le soudage des aciers faiblement alliés

Lors de la sélection du métal d’apport approprié pour les applications d’acier faiblement allié, il est important de déterminer la taille et la qualité du métal de base ; le moyen le plus simple de déterminer les exigences minimales est de consulter les spécifications du matériau de base. De nombreuses spécifications ASTM ont des exigences pour les propriétés chimiques et mécaniques, tandis que de nombreuses spécifications AISI/SAE n’ont que des exigences pour les propriétés chimiques et exigent généralement que les propriétés mécaniques minimales soient spécifiées au moment de l’achat.

Considérez la composition chimique des métaux de base. Les éléments utilisés pour améliorer les propriétés du substrat sont également utilisés dans les matériaux de remplissage. Lorsque vous recherchez des métaux d’apport proches des performances du métal de base, n’oubliez pas que la composition chimique de certaines classifications de métaux d’apport faiblement alliés correspondra parfaitement à la composition du métal de base. Cela est dû à la différence significative entre la production d’acier et la production de métal fondu. Puisqu’il y a rarement une correspondance exacte, la correspondance avec les exigences de composition chimique nominale de l’application – par exemple, le niveau requis de résistance à la corrosion ou de performances à haute température – aide le matériau de remplissage et le matériau de base à avoir des caractéristiques similaires.

 le métal d’apport peut également être ajusté par les propriétés mécaniques du substrat. Veuillez noter que certains alliages peuvent être utilisés dans des conditions de recuit, de normalisation ou de trempe et revenu, selon la technologie de traitement, ce qui peut entraîner des différences significatives dans les propriétés mécaniques du même matériau. Par exemple, l’acier au chrome molybdène 4130 et 4140.

Lors de la sélection d’un matériau de remplissage qui utilise les propriétés mécaniques du substrat, le plus courant consiste à ajuster la résistance à la traction et/ou la limite d’élasticité en fonction des exigences de l’application. Selon AWS D1.1 ou AWS D1.5, la classification de l’électrode de soudage qui répond aux exigences du code est donnée dans AWS D1.1 Tableau 3.1 dans l’ancienne édition et Tableau 6.9 dans la nouvelle édition du code et AWS D1.5 Tableau 4.1.

 Dans certaines structures en acier soudé à haute résistance et faiblement allié, il arrive souvent que la résistance à la traction ou la limite d’élasticité du métal d’apport soit inférieure à celle du métal de base. Au fur et à mesure que la résistance à la traction du métal fondu augmente, la ductilité a tendance à diminuer. Si le composant est conçu de telle sorte que la contrainte ne soit pas concentrée dans la soudure, le sous-ajustement peut être un moyen de maximiser la ductilité de la soudure et la durée de vie en fatigue.

Contrôler et vérifier le niveau d’hydrogène dans le soudage

Lors de la sélection du matériau de remplissage, assurez-vous qu’il a une faible proportion d’hydrogène diffusible. Étant donné que les soudures faiblement alliées ont tendance à former des microstructures fragiles, les fissures causées par l’hydrogène sont plus susceptibles de se produire.

 Les matériaux de remplissage avec moins d’hydrogène diffusant réduiront l’une des nombreuses sources d’hydrogène (d’autres incluent le matériau de base et l’environnement de soudage), réduisant ainsi le risque de fissuration par l’hydrogène. Recherchez les métaux d’apport avec l’indicatif H4 ou H8, plus le nombre est petit dans l’identifiant, plus l’hydrogène de diffusion est faible. De bonnes conditions de stockage du matériau d’apport faiblement allié contribuent également à minimiser l’absorption d’hydrogène et la contribution ultérieure au métal fondu. Évitez les changements de température drastiques lors du stockage des métaux d’apport, minimisez le temps d’exposition total (temps hors emballage) et suivez toujours les recommandations de stockage du fabricant.

L’utilisation de températures de préchauffage supérieures à 212 degrés Fahrenheit et l’élimination de la rouille, du tartre ou des revêtements des métaux de base (tels que l’huile, la graisse ou le tartre) sont d’autres moyens de réduire l’hydrogène dans le métal de soudure. Combinées à des métaux d’apport à faible teneur en hydrogène correctement stockés, ces technologies contribuent à réduire la susceptibilité au craquage à l’hydrogène.

Prenez note de la vitesse de refroidissement

La vitesse de refroidissement de la soudure et de la zone affectée thermiquement (ZAT) est importante car elle affecte la formation de la structure dans ces zones et les propriétés mécaniques ultérieures.

 La zone affectée par la chaleur est la zone près de la soudure qui n’est pas fondue par l’arc, mais elle subit toujours des changements de microstructure en raison de la chaleur de traitement. Étant donné que l’acier faiblement allié a une trempabilité élevée, il est plus facile de former une microstructure fragile dans la ZAT. Par conséquent, la performance HAZ est un aspect important du succès du soudage d’acier faiblement allié.

 Une vitesse de refroidissement trop rapide est propice à la formation de microstructures cassantes, tandis qu’une vitesse de refroidissement trop lente et un apport de chaleur excessif se traduiront par une microstructure très rugueuse, qui peut ne pas donner de bonnes performances finales. Le choix d’un comportement d’équilibre du taux de refroidissement approprié est la clé.

 Tenez compte de ces facteurs qui affectent la vitesse de refroidissement :

Application et température de préchauffage

Le réglage et le maintien d’une température de préchauffage minimale permettent de ralentir la vitesse de refroidissement pour empêcher ou minimiser la formation de microstructures fragiles. Pour assurer un préchauffage efficace, veuillez utiliser une température suffisante pour le matériau. Les matériaux avec une teneur en alliage plus élevée et donc une trempabilité plus élevée nécessitent des températures de préchauffage plus élevées. Il est également important de régler la bonne température de préchauffage sur toute l’épaisseur du matériau, et pas seulement pour atteindre la température de surface. Cela peut être fait par chauffage par induction ou en chauffant le matériau et en le maintenant à une température par pouce d’épaisseur de matériau pendant une demi-heure (par exemple : une planche de 4 pouces (102 mm) gagnerait à être maintenue à la température de préchauffage pendant deux les heures). Il est également important de chauffer à une distance suffisante de la soudure.Une bonne règle empirique est de 3 pouces dans toutes les directions, bien que les soudures plus grandes puissent bénéficier d’un plus grand espacement.

Température entre les passes

Il est également important de régler la température intercalaire la plus élevée pour éviter un refroidissement et un traitement lents de l’acier faiblement allié trempé et revenu. Le soudage « réinitialise » la microstructure HAZ, qui est soigneusement créée par trempe et revenu. Par conséquent, il est idéal de minimiser la zone affectée thermiquement en ajustant la température de l’intercalaire à la limite recommandée par le fabricant d’acier. De plus, certains aciers (tels que l’ASTM A514) sont sujets à la fissuration lorsqu’ils sont réchauffés, et une température intercalaire excessive augmentera ce risque.

Apport de chaleur

C’est l’énergie appliquée à la structure soudée par unité de longueur pendant le processus de soudage. En Amérique du Nord, l’apport de chaleur est généralement exprimé en kilojoules par pouce, mais il peut également être exprimé en joules par millimètre. L’apport de chaleur accru ralentit la vitesse de refroidissement et produit une structure à gros grains avec une résistance à la traction et une ténacité inférieures. L’apport de chaleur réduit accélérera la vitesse de refroidissement et produira une structure de grain plus fine, qui, dans une certaine mesure, a une résistance à la traction et une ténacité plus élevées.

 Un apport de chaleur trop faible affectera la ductilité et la ténacité.

Suggestion pour le placement des cordons de soudure de la séquence de soudure

 La séquence de couture est un autre facteur qui affecte les résultats du soudage de l’acier faiblement allié. Il y a une ZAT pour chaque passe de soudage. Un cordon de soudure large avec une épaisseur et une profondeur de pénétration minimales favorise un raffinement supplémentaire du grain et forme une microstructure plus fine dans toute la section transversale de la soudure et dans la couche précédemment déposée. Il est recommandé d’utiliser des canaux plus fins et plus larges que des canaux plus larges et plus épais. Le cordon revenu peut également être utilisé pour les alliages à très haute résistance. La technique consiste à placer le cordon de soudure au-dessus de la soudure finie pour affiner la ZAT et couvrir la microstructure de la soudure et fournir une bonne ténacité, puis pour meuler ces soudures, laissant la couche précédente de métal fondu raffiné en dessous.

Traitement thermique post-soudage final

 En raison de la dureté plus élevée du matériau, les aciers faiblement alliés nécessitent souvent un post-traitement thermique (PWHT), ce qui entraîne une contrainte de soudage plus élevée.

 Ces contraintes peuvent être éliminées par traitement thermique après soudage, mais la réaction du métal d’apport au traitement thermique est différente de celle du métal de base. Il est important de sélectionner des métaux d’apport capables de conserver une résistance à la traction et une ténacité suffisantes après le traitement thermique post-soudage.

 Contactez le fabricant du métal d’apport pour déterminer la capacité de traitement thermique après soudage du métal d’apport, en particulier si le traitement est utilisé pendant une longue période.

 Dans certains cas, il est recommandé de maintenir le préchauffage ou la température minimale entre deux passes après soudage – environ une heure par pouce d’épaisseur de substrat -. Appelé de manière informelle « étuvage à l’hydrogène », cela permet d’accélérer la diffusion de l’hydrogène dans le métal fondu avant la maintenance.

En bref,

 l’acier faiblement allié est plus facile à durcir que l’acier non allié, ce qui rend important le contrôle de l’hydrogène et de la vitesse de refroidissement lors du soudage de ces matériaux. Le choix du matériau d’apport correspondant aux caractéristiques du métal de base, la bonne température de préchauffage et d’intercalaire et l’apport de chaleur pendant le processus de soudage contribuent au succès.