Introduction
Lors de la fabrication d'équipements chimiques et pétroliers, afin d'économiser le nickel coûteux, l'acier est souvent soudé au nickel et aux alliages.
Les principaux problèmes du soudage
Lors du soudage, les principaux composants sont le fer et le nickel, capables d'une solubilité mutuelle infinie et ne formant pas de composés intermétalliques. En général, la teneur en nickel est relativement élevée, de sorte qu'aucune couche de diffusion ne se forme dans la zone de fusion du joint soudé. Le principal problème du soudage est la tendance à la formation de porosité et de fissures à chaud.
1. Porosité
Lors du soudage de l'acier et du nickel et de ses alliages, les principaux facteurs affectant la formation de porosité dans la soudure sont l'oxygène, le nickel et d'autres éléments d'alliage.
1. Effet de l'oxygène. Lors du soudage, le métal liquide peut dissoudre davantage d'oxygène. À haute température et lors de l'oxydation du nickel, l'oxygène peut former du NiO. Le NiO peut réagir avec l'hydrogène et le carbone du métal liquide pour générer de la vapeur d'eau et du monoxyde de carbone lors de la solidification du bain de fusion, ce qui peut entraîner une fuite tardive et la formation de porosités résiduelles dans la soudure. Lors du soudage à l'arc submergé au nickel pur et au Q235-A, les teneurs en azote et en hydrogène ne varient pas beaucoup. Plus la teneur en oxygène est élevée, plus le nombre de pores est élevé.
2. Effet du nickel. Dans la soudure fer-nickel, la solubilité de l'oxygène dans le fer et le nickel est différente : la solubilité de l'oxygène dans le nickel liquide est supérieure à celle du fer liquide, tandis que celle de l'oxygène dans le nickel solide est inférieure à celle du fer solide. Par conséquent, la solubilité de l'oxygène dans la cristallisation du nickel à variation brusque est plus prononcée que dans celle du fer à variation brusque. Par conséquent, la tendance à la porosité dans la soudure est faible lorsque la teneur en Ni est de 15 % à 30 %, et lorsque la teneur en Ni est élevée, elle augmente encore jusqu'à 60 % à 90 %, et la quantité d'acier dissous diminue inévitablement, ce qui entraîne une augmentation de la porosité.
③ Influence des autres éléments d'alliage. Lorsque la soudure fer-nickel contient du manganèse, du chrome, du molybdène, de l'aluminium, du titane et d'autres éléments d'alliage, ou en association avec l'alliage, l'antiporosité de la soudure peut être améliorée. Ceci est dû au rôle désoxygénant du manganèse, du titane et de l'aluminium, tandis que le chrome et le molybdène améliorent la solubilité de la soudure dans le métal solide. Ainsi, le nickel et l'acier inoxydable 1Cr18Ni9Ti présentent une antiporosité de soudure supérieure à celle du nickel et de l'acier Q235-A. L'aluminium et le titane peuvent également fixer l'azote dans des composés stables, ce qui peut également améliorer l'antiporosité de la soudure.
2. Craquage thermique
Dans les soudures d'acier, de nickel et de ses alliages, la fissuration thermique est principalement due à la forte teneur en nickel et à l'organisation dendritique des gros grains. Ces derniers se concentrent en plusieurs co-cristaux à bas point de fusion, ce qui affaiblit la liaison entre les grains et réduit la résistance à la fissuration du métal. De plus, une teneur en nickel trop élevée dans le métal de soudure pour provoquer une fissuration thermique a un impact significatif sur les soudures fer-nickel. L'oxygène, le soufre, le phosphore et d'autres impuretés ont également un impact important sur la fissuration thermique.
Lors de l'utilisation d'un flux sans oxygène, la teneur en oxygène, en soufre, en phosphore et autres impuretés nocives de la soudure, notamment en raison de la diminution de la teneur en oxygène, diminue considérablement le risque de fissuration. La cristallisation du bain de fusion peut entraîner la formation d'un eutectique Ni + NiO à une température de 1438 °C, et l'oxygène peut également renforcer les effets nocifs du soufre. Par conséquent, une teneur élevée en oxygène de la soudure accroît le risque de fissuration thermique.
Mn, Cr, Mo, Ti, Nb et d'autres éléments d'alliage peuvent améliorer la résistance aux fissures du métal de soudure. Mn, Cr, Mo, Ti, Nb sont des agents métamorphiques, peuvent affiner l'organisation de la soudure et peuvent perturber la direction de sa cristallisation. Al, Ti est également un agent désoxydant puissant, peut réduire la quantité d'oxygène dans la soudure. Mn peut former des composés réfractaires avec S, MnS, ce qui réduit les effets nocifs du soufre.
Propriétés mécaniques des joints soudés
Les propriétés mécaniques des soudures fer-nickel dépendent du métal d'apport et des paramètres de soudage. Lors du soudage de nickel pur et d'acier bas carbone, lorsque l'équivalent Ni dans la soudure est inférieur à 30 %, le refroidissement rapide de la soudure entraîne l'apparition d'une structure martensitique, entraînant une chute brutale de la plasticité et de la ténacité de la soudure. Par conséquent, pour obtenir une plasticité et une ténacité optimales, l'équivalent Ni dans la soudure fer-nickel doit être supérieur à 30 %.
Date de publication : 10 mars 2025