La soudabilité des matériaux métalliques fait référence à la capacité des matériaux métalliques à obtenir d'excellents joints de soudage en utilisant certains procédés de soudage, notamment les méthodes de soudage, les matériaux de soudage, les spécifications de soudage et les formes structurelles de soudage.Si un métal peut obtenir d’excellents joints de soudage en utilisant des procédés de soudage plus courants et plus simples, il est considéré comme ayant de bonnes performances de soudage.La soudabilité des matériaux métalliques est généralement divisée en deux aspects : la soudabilité du processus et la soudabilité de l'application.
Soudabilité du procédé: fait référence à la capacité d'obtenir d'excellents joints soudés sans défauts dans certaines conditions du procédé de soudage.Il ne s'agit pas d'une propriété inhérente au métal, mais elle est évaluée en fonction d'une certaine méthode de soudage et des mesures de processus spécifiques utilisées.Par conséquent, la soudabilité des matériaux métalliques est étroitement liée au processus de soudage.
Soudabilité de service: fait référence au degré auquel le joint soudé ou la structure entière répond aux performances de service spécifiées par les conditions techniques du produit.Les performances dépendent des conditions de travail de la structure soudée et des exigences techniques mises en avant lors de la conception.Inclut généralement les propriétés mécaniques, la résistance à la ténacité à basse température, la résistance à la rupture fragile, le fluage à haute température, les propriétés de fatigue, la résistance durable, la résistance à la corrosion et la résistance à l'usure, etc. Par exemple, les aciers inoxydables S30403 et S31603 couramment utilisés ont une excellente résistance à la corrosion et 16MnDR. et les aciers à basse température 09MnNiDR ont également une bonne résistance à la ténacité à basse température.
Facteurs affectant les performances de soudage des matériaux métalliques
1. Facteurs matériels
Les matériaux comprennent les métaux de base et les matériaux de soudage.Dans les mêmes conditions de soudage, les principaux facteurs qui déterminent la soudabilité du métal de base sont ses propriétés physiques et sa composition chimique.
En termes de propriétés physiques : des facteurs tels que le point de fusion, la conductivité thermique, le coefficient de dilatation linéaire, la densité, la capacité thermique et d'autres facteurs du métal ont tous un impact sur les processus tels que le cycle thermique, la fusion, la cristallisation, le changement de phase, etc. , affectant ainsi la soudabilité.Les matériaux à faible conductivité thermique tels que l'acier inoxydable présentent des gradients de température importants, des contraintes résiduelles élevées et une déformation importante lors du soudage.De plus, en raison du long temps de séjour à haute température, les grains dans la zone affectée thermiquement grossissent, ce qui nuit à la performance du joint.L'acier inoxydable austénitique a un coefficient de dilatation linéaire élevé et des déformations et contraintes importantes des joints.
En termes de composition chimique, l’élément le plus influent est le carbone, ce qui signifie que la teneur en carbone du métal détermine sa soudabilité.La plupart des autres éléments d'alliage de l'acier ne sont pas propices au soudage, mais leur impact est généralement bien moindre que celui du carbone.À mesure que la teneur en carbone de l'acier augmente, la tendance au durcissement augmente, la plasticité diminue et des fissures de soudage sont susceptibles de se produire.Habituellement, la sensibilité des matériaux métalliques aux fissures lors du soudage et les modifications des propriétés mécaniques de la zone du joint soudé sont utilisées comme principaux indicateurs pour évaluer la soudabilité des matériaux.Par conséquent, plus la teneur en carbone est élevée, plus la soudabilité est mauvaise.L'acier à faible teneur en carbone et l'acier faiblement allié avec une teneur en carbone inférieure à 0,25 % ont une excellente plasticité et une excellente résistance aux chocs, et la plasticité et la résistance aux chocs des joints soudés après soudage sont également très bonnes.Le préchauffage et le traitement thermique après soudage ne sont pas nécessaires pendant le soudage, et le processus de soudage est facile à contrôler, ce qui lui confère une bonne soudabilité.
De plus, l'état de fusion et de laminage, l'état de traitement thermique, l'état organisationnel, etc. de l'acier affectent tous la soudabilité à des degrés divers.La soudabilité de l'acier peut être améliorée par raffinage ou raffinage des grains et processus de laminage contrôlés.
Les matériaux de soudage participent directement à une série de réactions métallurgiques chimiques au cours du processus de soudage, qui déterminent la composition, la structure, les propriétés et la formation de défauts du métal fondu.Si les matériaux de soudage sont mal sélectionnés et ne correspondent pas au métal de base, non seulement un joint répondant aux exigences d'utilisation ne sera pas obtenu, mais des défauts tels que des fissures et des modifications des propriétés structurelles seront également introduits.Par conséquent, la sélection correcte des matériaux de soudage est un facteur important pour garantir des joints soudés de haute qualité.
2. Facteurs de processus
Les facteurs de processus comprennent les méthodes de soudage, les paramètres du processus de soudage, la séquence de soudage, le préchauffage, le post-chauffage et le traitement thermique après soudage, etc. La méthode de soudage a une grande influence sur la soudabilité, principalement sous deux aspects : les caractéristiques de la source de chaleur et les conditions de protection.
Différentes méthodes de soudage ont des sources de chaleur très différentes en termes de puissance, de densité énergétique, de température de chauffage maximale, etc. Les métaux soudés sous différentes sources de chaleur présenteront des propriétés de soudage différentes.Par exemple, la puissance du soudage sous laitier électrique est très élevée, mais la densité énergétique est très faible et la température de chauffage maximale n'est pas élevée.Le chauffage est lent pendant le soudage et le temps de séjour à haute température est long, ce qui entraîne l'apparition de gros grains dans la zone affectée thermiquement et une réduction significative de la résistance aux chocs, qui doit être normalisée.Améliorer.En revanche, le soudage par faisceau d'électrons, le soudage au laser et d'autres méthodes ont une faible puissance, mais une densité énergétique élevée et un chauffage rapide.Le temps de séjour à haute température est court, la zone affectée par la chaleur est très étroite et il n'y a aucun risque de croissance des grains.
L'ajustement des paramètres du processus de soudage et l'adoption d'autres mesures de processus telles que le préchauffage, le postchauffage, le soudage multicouche et le contrôle de la température intercouche peuvent ajuster et contrôler le cycle thermique de soudage, modifiant ainsi la soudabilité du métal.Si des mesures telles qu'un préchauffage avant soudage ou un traitement thermique après soudage sont prises, il est tout à fait possible d'obtenir des joints soudés sans défauts de fissures répondant aux exigences de performances.
3. Facteurs structurels
Il se réfère principalement à la forme de conception de la structure soudée et des joints soudés, tels que l'impact de facteurs tels que la forme structurelle, la taille, l'épaisseur, la forme de la rainure du joint, la disposition des soudures et sa forme transversale sur la soudabilité.Son influence se reflète principalement dans le transfert de chaleur et l’état de force.Différentes épaisseurs de plaques, différentes formes de joints ou formes de rainures ont des directions et des vitesses de transfert de chaleur différentes, ce qui affectera la direction de cristallisation et la croissance des grains du bain fondu.L'interrupteur structurel, l'épaisseur des plaques et la disposition des soudures déterminent la rigidité et la retenue du joint, ce qui affecte l'état de contrainte du joint.Une mauvaise morphologie des cristaux, une forte concentration de contraintes et des contraintes de soudage excessives sont les conditions fondamentales pour la formation de fissures de soudage.Lors de la conception, la réduction de la rigidité des joints, la réduction des soudures croisées et la réduction de divers facteurs provoquant la concentration des contraintes sont autant de mesures importantes pour améliorer la soudabilité.
4. Conditions d'utilisation
Il fait référence à la température de fonctionnement, aux conditions de charge et au fluide de travail pendant la période de service de la structure soudée.Ces environnements de travail et conditions d’exploitation nécessitent que les structures soudées aient des performances correspondantes.Par exemple, les structures soudées travaillant à basse température doivent avoir une résistance fragile à la rupture ;les structures travaillant à haute température doivent avoir une résistance au fluage ;les structures travaillant sous des charges alternées doivent avoir une bonne résistance à la fatigue ;structures travaillant dans des milieux acides, alcalins ou salins. Le conteneur soudé doit avoir une résistance élevée à la corrosion, etc.En bref, plus les conditions d’utilisation sont sévères, plus les exigences de qualité des joints soudés sont élevées et plus il est difficile d’assurer la soudabilité du matériau.
Indice d'identification et d'évaluation de soudabilité des matériaux métalliques
Au cours du processus de soudage, le produit subit des processus thermiques de soudage, des réactions métallurgiques, ainsi que des contraintes et des déformations de soudage, entraînant des changements dans la composition chimique, la structure métallographique, la taille et la forme, rendant les performances du joint soudé souvent différentes de celles du matériau de base, parfois même Ne peut pas répondre aux exigences d'utilisation.Pour de nombreux métaux réactifs ou réfractaires, des méthodes de soudage spéciales telles que le soudage par faisceau d'électrons ou le soudage au laser doivent être utilisées pour obtenir des joints de haute qualité.Moins il y a de conditions d'équipement et moins de difficultés nécessaires pour réaliser un bon joint soudé à partir d'un matériau, meilleure est la soudabilité du matériau ;au contraire, si des méthodes de soudage complexes et coûteuses, des matériaux de soudage spéciaux et des mesures de processus sont nécessaires, cela signifie que le matériau a une mauvaise soudabilité.
Lors de la fabrication de produits, la soudabilité des matériaux utilisés doit d'abord être évaluée pour déterminer si les matériaux de structure, les matériaux de soudage et les méthodes de soudage sélectionnés sont appropriés.Il existe de nombreuses méthodes pour évaluer la soudabilité des matériaux.Chaque méthode ne peut expliquer qu’un certain aspect de la soudabilité.Par conséquent, des tests sont nécessaires pour déterminer pleinement la soudabilité.Les méthodes de test peuvent être divisées en type de simulation et type expérimental.Le premier simule les caractéristiques de chauffage et de refroidissement du soudage ;ces derniers testent selon les conditions réelles de soudage.Le contenu du test consiste principalement à détecter la composition chimique, la structure métallographique, les propriétés mécaniques et la présence ou l'absence de défauts de soudage du métal de base et du métal fondu, et à déterminer les performances à basse température, les performances à haute température, la résistance à la corrosion et résistance à la fissuration du joint soudé.
Caractéristiques de soudage des matériaux métalliques couramment utilisés
1. Soudage de l'acier au carbone
(1) Soudage d'acier à faible teneur en carbone
L'acier à faible teneur en carbone a une faible teneur en carbone, une faible teneur en manganèse et en silicium.Dans des circonstances normales, cela ne provoquera pas de durcissement structurel grave ni de trempe de la structure due au soudage.Ce type d'acier a une excellente plasticité et une excellente résistance aux chocs, et la plasticité et la ténacité de ses joints soudés sont également extrêmement bonnes.Le préchauffage et le postchauffage ne sont généralement pas nécessaires pendant le soudage, et aucune mesure de procédé spéciale n'est requise pour obtenir des joints soudés de qualité satisfaisante.Par conséquent, l’acier à faible teneur en carbone a d’excellentes performances de soudage et est l’acier offrant les meilleures performances de soudage parmi tous les aciers..
(2) Soudage d'acier au carbone moyen
L'acier à moyenne teneur en carbone a une teneur en carbone plus élevée et sa soudabilité est pire que l'acier à faible teneur en carbone.Lorsque CE est proche de la limite inférieure (0,25%), la soudabilité est bonne.À mesure que la teneur en carbone augmente, la tendance au durcissement augmente et une structure martensite à faible plasticité est facilement générée dans la zone affectée thermiquement.Lorsque la construction soudée est relativement rigide ou que les matériaux de soudage et les paramètres du processus sont mal sélectionnés, des fissures à froid sont susceptibles de se produire.Lors du soudage de la première couche de soudage multicouche, en raison de la grande proportion de métal de base fondu dans la soudure, la teneur en carbone, en soufre et en phosphore augmente, ce qui facilite la production de fissures à chaud.De plus, la sensibilité stomatique augmente également lorsque la teneur en carbone est élevée.
(3) Soudage d'acier à haute teneur en carbone
L'acier à haute teneur en carbone avec un CE supérieur à 0,6 % a une trempabilité élevée et est susceptible de produire de la martensite à haute teneur en carbone dure et cassante.Des fissures sont susceptibles de se produire dans les soudures et les zones affectées par la chaleur, ce qui rend le soudage difficile.Par conséquent, ce type d’acier n’est généralement pas utilisé pour fabriquer des structures soudées, mais pour fabriquer des composants ou des pièces présentant une dureté ou une résistance à l’usure élevée.La majeure partie de leur soudage consiste à réparer des pièces endommagées.Ces pièces et composants doivent être recuits avant la réparation par soudage afin de réduire les fissures de soudage, puis traités thermiquement à nouveau après le soudage.
2. Soudage d’aciers à haute résistance faiblement alliés
La teneur en carbone de l'acier à haute résistance faiblement allié ne dépasse généralement pas 0,20 % et le total des éléments d'alliage ne dépasse généralement pas 5 %.C'est précisément parce que l'acier à haute résistance faiblement allié contient une certaine quantité d'éléments d'alliage que ses performances de soudage sont quelque peu différentes de celles de l'acier au carbone.Ses caractéristiques de soudage sont les suivantes :
(1) Fissures de soudage dans les joints soudés
L'acier à haute résistance faiblement allié fissuré à froid contient du C, du Mn, du V, du Nb et d'autres éléments qui renforcent l'acier, il est donc facile de le durcir pendant le soudage.Ces structures durcies sont très sensibles.Par conséquent, lorsque la rigidité est grande ou que la contrainte de retenue est élevée, un processus de soudage inapproprié peut facilement provoquer des fissures à froid.De plus, ce type de fissure présente un certain retard et est extrêmement nuisible.
Fissures de réchauffage (SR) Les fissures de réchauffage sont des fissures intergranulaires qui se produisent dans la zone à gros grains près de la ligne de fusion lors d'un traitement thermique de relaxation des contraintes après soudage ou d'un fonctionnement à haute température à long terme.On pense généralement que cela se produit en raison de la température élevée de soudage, provoquant la dissolution solide de V, Nb, Cr, Mo et d'autres carbures proches de la ZAT dans l'austénite.Ils n'ont pas le temps de précipiter lors du refroidissement après soudage, mais se dispersent et précipitent lors du PWHT, renforçant ainsi la structure cristalline.À l’intérieur, la déformation par fluage lors de la relaxation des contraintes est concentrée aux joints de grains.
Les joints soudés en acier faiblement allié à haute résistance ne sont généralement pas sujets aux fissures de réchauffage, telles que 16MnR, 15MnVR, etc. Cependant, pour les aciers à haute résistance faiblement alliés des séries Mn-Mo-Nb et Mn-Mo-V, tels que 07MnCrMoVR, le Nb, le V et le Mo étant des éléments très sensibles à la fissuration par réchauffage, ce type d'acier doit être traité lors du traitement thermique post-soudage.Des précautions doivent être prises pour éviter la zone de température sensible des fissures de réchauffage afin d'éviter l'apparition de fissures de réchauffage.
(2) Fragilisation et ramollissement des joints soudés
Fragilisation par vieillissement sous contrainte Les joints soudés doivent subir différents procédés à froid (cisaillement à blanc, laminage en fût, etc.) avant d'être soudés.L'acier produira une déformation plastique.Si la zone est chauffée davantage entre 200 et 450°C, un vieillissement sous contrainte se produira..La fragilisation due au vieillissement réduira la plasticité de l'acier et augmentera la température de transition fragile, entraînant une rupture fragile de l'équipement.Le traitement thermique après soudage peut éliminer ce vieillissement sous contrainte de la structure soudée et restaurer la ténacité.
Fragilisation des soudures et des zones affectées par la chaleur Le soudage est un processus de chauffage et de refroidissement irrégulier, entraînant une structure inégale.La température de transition fragile de la soudure (WM) et de la zone affectée thermiquement (HAZ) est supérieure à celle du métal de base et constitue le maillon faible du joint.L’énergie des lignes de soudage a un impact important sur les propriétés des aciers à haute résistance faiblement alliés WM et HAZ.L'acier à haute résistance faiblement allié est facile à durcir.Si l'énergie de la ligne est trop faible, de la martensite apparaîtra dans la ZAT et provoquera des fissures.Si l’énergie de ligne est trop importante, les grains de WM et HAZ deviendront grossiers.Cela rendra le joint fragile.Comparé à l'acier laminé à chaud et normalisé, l'acier trempé et revenu à faible teneur en carbone a une tendance plus sérieuse à la fragilisation HAZ causée par une énergie linéaire excessive.Par conséquent, lors du soudage, l’énergie de la ligne doit être limitée à une certaine plage.
Ramollissement de la zone affectée thermiquement des joints soudés En raison de l'action de la chaleur de soudage, l'extérieur de la zone affectée thermiquement (ZAT) de l'acier trempé et revenu à faible teneur en carbone est chauffé au-dessus de la température de revenu, en particulier la zone proche de Ac1, ce qui produira une zone de ramollissement avec une résistance réduite.Le ramollissement structurel dans la zone HAZ augmente avec l'augmentation de l'énergie de la ligne de soudage et de la température de préchauffage, mais généralement la résistance à la traction dans la zone ramollie est toujours supérieure à la limite inférieure de la valeur standard du métal de base, donc la zone affectée thermiquement de ce type d'acier se ramollit. Tant que la fabrication est correcte, le problème n'affectera pas les performances du joint.
3. Soudage de l'acier inoxydable
L'acier inoxydable peut être divisé en quatre catégories selon ses différentes structures en acier, à savoir l'acier inoxydable austénitique, l'acier inoxydable ferritique, l'acier inoxydable martensitique et l'acier inoxydable duplex austénitique-ferritique.Ce qui suit analyse principalement les caractéristiques de soudage de l’acier inoxydable austénitique et de l’acier inoxydable bidirectionnel.
(1) Soudage de l'acier inoxydable austénitique
Les aciers inoxydables austénitiques sont plus faciles à souder que les autres aciers inoxydables.Il n’y aura aucune transformation de phase à aucune température et il n’est pas sensible à la fragilisation par l’hydrogène.Le joint en acier inoxydable austénitique présente également une bonne plasticité et une bonne ténacité à l'état soudé.Les principaux problèmes du soudage sont : la fissuration à chaud du soudage, la fragilisation, la corrosion intergranulaire et la corrosion sous contrainte, etc. De plus, en raison d'une mauvaise conductivité thermique et d'un coefficient de dilatation linéaire élevé, les contraintes et les déformations de soudage sont importantes.Lors du soudage, l'apport de chaleur de soudage doit être aussi faible que possible, il ne doit y avoir aucun préchauffage et la température intermédiaire doit être réduite.La température de l'intercalaire doit être contrôlée en dessous de 60°C et les joints de soudure doivent être décalés.Pour réduire l'apport de chaleur, la vitesse de soudage ne doit pas être augmentée de manière excessive, mais le courant de soudage doit être réduit de manière appropriée.
(2) Soudage de l'acier inoxydable bidirectionnel austénitique-ferritique
L'acier inoxydable duplex austénitique-ferritique est un acier inoxydable duplex composé de deux phases : l'austénite et la ferrite.Il combine les avantages de l'acier austénitique et de l'acier ferritique, il présente donc les caractéristiques d'une résistance élevée, d'une bonne résistance à la corrosion et d'un soudage facile.Actuellement, il existe trois principaux types d’acier inoxydable duplex : Cr18, Cr21 et Cr25.Les principales caractéristiques de ce type de soudage de l'acier sont : une tendance thermique plus faible par rapport à l'acier inoxydable austénitique ;tendance à la fragilisation plus faible après le soudage par rapport à l'acier inoxydable ferritique pur, et le degré de grossissement de la ferrite dans la zone affectée par la chaleur du soudage est également inférieur, de sorte que la soudabilité est meilleure.
Étant donné que ce type d'acier possède de bonnes propriétés de soudage, aucun préchauffage ni postchauffage ne sont nécessaires pendant le soudage.Les plaques minces doivent être soudées par TIG, et les plaques moyennes et épaisses peuvent être soudées par soudage à l'arc.Lors du soudage par soudage à l'arc, il convient d'utiliser des baguettes de soudage spéciales ayant une composition similaire à celle du métal de base ou des baguettes de soudage austénitiques à faible teneur en carbone.Des électrodes en alliage à base de nickel peuvent également être utilisées pour l'acier biphasé de type Cr25.
Les aciers à deux phases contiennent une plus grande proportion de ferrite, et les tendances à la fragilisation inhérentes aux aciers ferritiques, telles que la fragilité à 475°C, la fragilisation par précipitation en phase σ et les gros grains, existent toujours, uniquement en raison de la présence d'austénite.Un certain soulagement peut être obtenu grâce à l'effet d'équilibrage, mais vous devez quand même faire attention lors du soudage.Lors du soudage d'acier inoxydable duplex sans Ni ou à faible teneur en Ni, il existe une tendance à la ferrite monophasée et au grossissement des grains dans la zone affectée thermiquement.À ce stade, il convient de prêter attention au contrôle de l'apport de chaleur de soudage et d'essayer d'utiliser un faible courant, une vitesse de soudage élevée et un soudage à canal étroit.Et soudage multi-passes pour éviter le grossissement des grains et la ferriteisation monophasée dans la zone affectée thermiquement.La température intercouche ne doit pas être trop élevée.Il est préférable de souder la passe suivante après refroidissement.
Heure de publication : 11 septembre 2023