Soudage à l’arc avec fil fourré des aciers inoxydables austénitiques pour service en hélium liquide

Le soudage à l’arc avec fil fourré des aciers inoxydables austénitiques utilisés dans la construction de structures magnétiques refroidies à l’hélium liquide offre une solution à fort taux de dépôt du métal fondu, en alternative au soudage à l’arc à l’électrode enrobée et au soudage TIG. Une évaluation de soudures de type 316L déposées par procédé fil fourré sous conditions de très forte restraint a été réalisée. Cette évaluation comprenait des essais de traction à 4,2 K et de ténacité à la rupture en comportement ductile, un examen métallographique et une analyse chimique globale. Les compositions du consommable et les paramètres de soudage ont été optimisés afin d’obtenir des soudures exemptes de fissures avec un nombre de ferrite (FN) compris entre 1 et 4. Les résultats ont montré qu’il était possible d’obtenir simultanément une limite d’élasticité à 4,2 K de 690 MPa et des valeurs de ténacité à la rupture en mécanique linéaire élastique de 150 MPa√m. L’apparition de faibles quantités de microfissuration dans une microstructure presque dépourvue de ferrite est corrélée à la composition du métal fondu.

Mots-clés : essais de ténacité à la rupture ; aciers inoxydables austénitiques ; soudage par fusion ; propriétés mécaniques.

Introduction

Les soudures réalisées sur des aciers inoxydables austénitiques destinés au service en hélium liquide doivent satisfaire plusieurs exigences simultanées, notamment :

• une combinaison utile de limite d’élasticité σy et de ténacité à la rupture KIC ;
• de faibles teneurs en ferrite δ pour conserver une bonne ténacité KIC et une faible perméabilité magnétique ;
• une petite quantité de ferrite δ afin de prévenir la fissuration et le craquèlement du métal fondu ;
• un taux de dépôt du métal fondu aussi élevé que possible.

Jusqu’à présent, la plupart de ces exigences étaient satisfaites au moyen du soudage TIG ou du soudage à l’arc à l’électrode enrobée, avec des métaux d’apport dont la composition avait été soigneusement équilibrée pour garantir des teneurs en ferrite δ aussi faibles que possible, tout en maintenant néanmoins une faible quantité de ferrite δ suffisante pour éviter la fissuration à chaud et la microfissuration du métal fondu.

Cependant, les procédés de soudage qui permettent d’obtenir de bonnes propriétés mécaniques, une faible perméabilité magnétique et l’absence de fissuration ou de microfissuration présentent en contrepartie de faibles vitesses de dépôt, ce qui augmente le temps de soudage et donc les coûts. Le procédé de soudage à l’arc avec fil fourré a déjà été utilisé avec succès pour le soudage d’aciers inoxydables destinés à des températures aussi basses que 77 K. Il a donc été décidé de modifier un métal d’apport fil fourré de type 316L afin de déposer des soudures adaptées au service à 4 K et d’en évaluer les caractéristiques mécaniques et microstructurales.

Légende image : un tokamak sphérique du projet de fusion nucléaire NSTX à Princeton, États-Unis.

Procédure

Les soudures ont été déposées dans une préparation en V avec un angle inclus de 30°, réalisée entre deux plaques en acier inoxydable 316LN de 76,2 mm d’épaisseur. Le bridage a été assuré en soudant d’avance, par cordons d’angle, les trois bords non soudés de chaque plaque inoxydable à une pièce en acier doux de 152 mm d’épaisseur avant la réalisation du joint d’essai. Cette disposition a également empêché le flambage de la plaque soudée.

Les éprouvettes de traction, comportant une longueur de jauge de 25 mm pour un diamètre de 6,35 mm, ont été prélevées dans la soudure avec une jauge parallèle à l’axe du cordon. Des éprouvettes compactes de ténacité à la rupture de type « 1-T » ont été extraites de manière que la fissure se propage suivant l’axe de la soudure. Les échantillons destinés à l’analyse chimique et à la métallographie consistaient en une tranche de soudure de 6,35 mm d’épaisseur dont le plan contenait toute la section transversale du joint.

Les essais de traction et de ténacité à la rupture ont été réalisés en immergeant les échantillons dans un cryostat de 20 litres rempli d’hélium liquide, conformément aux méthodes décrites dans les normes ASTM appropriées pour les essais de traction et les essais de ténacité élastoplastique.

La surface des échantillons métallographiques a été préparée par les méthodes classiques puis attaquée dans une solution d’acide oxalique afin de faire apparaître les caractéristiques microstructurales de la soudure. L’examen microstructural a été effectué sur un métallographe Reichert et les images ont été enregistrées numériquement.

Tableau 1

Compositions chimiques des soudures réalisées au fil fourré

Propriétés mécaniques

Les propriétés de traction à 4,2 K sont présentées dans la figure 1 pour la résistance à la traction ultime σUTS et la limite d’élasticité à 0,2 % σY, et dans la figure 2 pour l’allongement à rupture ef et la réduction de section R.A.

Les valeurs de σY s’échelonnaient de 640 MPa à 890 MPa, une seule des neuf soudures (la soudure n° 69) présentant une valeur inférieure à 690 MPa. Les valeurs de σUTS variaient de 1160 MPa à 1402 MPa, toutes nettement supérieures à la valeur minimale souhaitée de 1034 MPa. Les valeurs d’allongement à la rupture étaient comprises entre 15,5 % et 43 %. Les valeurs de réduction de section R.A. étaient comprises entre 21 % et 36 %. Ces plages de valeurs pour ef et R.A. sont caractéristiques d’un comportement ductile.

Résultats

Les résultats des analyses chimiques des neuf soudures d’essai sont présentés dans le tableau 1. À l’exception d’une teneur élevée en manganèse pour la soudure 69 et d’une teneur faible en nickel pour la soudure « G », les seules déviations observées concernaient la teneur en azote par rapport à la plage visée de 0,070 à 0,090 %. Les soudures 69, 81 et 129 présentaient une teneur en azote trop faible, tandis que les soudures 88, 91, 94 et 110 présentaient une teneur en azote trop élevée. La raison de cette attention particulière portée à la teneur en azote est discutée plus loin, lorsque son effet sur la limite d’élasticité à 4,2 K est examiné.

Le compromis entre la ténacité à la rupture en déformation plane KIC, déterminée à partir d’un essai JIC sur éprouvette unique, et la limite d’élasticité σY est illustré par la figure 3. Pour une valeur de σY égale à 690 MPa, la valeur moyenne de KIC pour la soudure représente environ 71 % de la valeur moyenne obtenue pour un produit laminé plat en 316LN d’épaisseur supérieure à 12,7 mm.

Cependant, même pour une limite d’élasticité σY de 900 MPa, la valeur moyenne de KIC de la soudure reste acceptable, à savoir 188 MPa√m. L’examen de la figure 3 montre qu’il existe une dispersion importante des résultats.

L’examen des résultats d’essais Charpy V à 77 K, ainsi que leur relation éventuelle avec les résultats obtenus sur les soudures 69, G et 81, a montré qu’il n’existait pas de corrélation entre ces deux mesures de ténacité à la rupture.

L’effet de l’azote comme élément de durcissement par solution solide dans les aciers inoxydables austénitiques corroyés se retrouve également dans les soudures au fil fourré, comme le montre la figure 4, où la limite d’élasticité à 4,2 K est tracée en fonction de la teneur en azote du métal fondu. À une concentration en azote de 0,06 %, les valeurs de σY à 4,2 K variaient d’environ 640 MPa à environ 740 MPa. À une teneur en azote de 0,11 %, les valeurs de σY variaient d’environ 740 MPa à environ 840 MPa. La dispersion significative observée sur la figure 4 indique que d’autres facteurs que la seule teneur en azote influencent la résistance cryogénique de la soudure.

Microstructure et microfissuration

Les microstructures des neuf soudures étaient similaires, en ce sens que chacune contenait moins de 4 % de ferrite δ (4 FN) dans une matrice austénitique. L’inspection des échantillons métallographiques a révélé deux soudures exemptes de microfissures (les soudures n° 81 et « G »). Les sept autres soudures contenaient de deux à cinq microfissures, toutes localisées dans les zones affectées thermiquement des cordons précédemment déposés.

La relation entre l’apparition de la microfissuration et la composition du métal fondu est résumée au moyen du diagramme de Suutala , dans lequel la somme des teneurs en phosphore et en soufre, deux éléments favorisant la fissuration, est portée en fonction du rapport entre les éléments stabilisant la ferrite δ et les éléments stabilisant l’austénite.

Les deux soudures ne présentant pas de fissuration se situaient dans la zone « sans fissuration » du diagramme de Suutala, tandis que les sept soudures présentant des fissures se situaient dans la zone « fissuration ». Il convient de noter que les soudures de fusion sur aciers inoxydables austénitiques ayant servi à l’élaboration du diagramme de Suutala provenaient de procédés autres que le faisceau d’électrons et le faisceau laser. L’occurrence de « fissuration » ou de « non-fissuration » sur ce diagramme définit ainsi les deux domaines et leur frontière.

Conclusions

Le procédé de soudage à l’arc avec fil fourré a été utilisé pour assembler des plaques d’acier inoxydable austénitique d’épaisseur allant jusqu’à 76,2 mm, au moyen d’un consommable inoxydable de type 316L.

L’optimisation des paramètres de soudage a permis d’obtenir des soudures présentant :

• des caractéristiques satisfaisantes de résistance à la traction et de limite d’élasticité à 4,2 K ;
• une ductilité en traction satisfaisante ;
• une ténacité à la rupture satisfaisante.

De faibles quantités de fissuration ont été observées dans certaines soudures. L’apparition, ou au contraire l’absence, de cette fissuration peut être prédite à partir de la composition du métal fondu au moyen d’une corrélation empirique connue sous le nom de diagramme de Suutala.

Remerciements

L’aide du Dr M. C. Juhas pour la réalisation des essais de ténacité à la rupture est chaleureusement remerciée.

Références

[1] Holloway, G., Zhang, Z. et Marshall, A., Consommables de soudage à l’arc pour aciers inoxydables destinés aux applications cryogéniques, dans Stainless Steel World 2004, Metrode Products Ltd., 2004, p. 1–11.

[2] Anonyme, Méthodes d’essai de traction des matériaux métalliques, ASTM E-8, Volume 03.01, American Society for Testing and Materials, 2008, p. 111–131.

[3] Anonyme, Méthode d’essai pour la mesure de la ténacité à la rupture, ASTM E-1820, Volume 03.01, American Society for Testing and Materials, 2008, p. 617–631.

[4] Hwang, I., Morra, M., Ballinger, R., Nakajima, H., Shimamoto, S. et Tobler, R. J., Testing and Evaluation, 20, p. 248–258, 1992.

[5] Kujanpää, V., Metal Construction, p. 282–285, 1980.

À propos d’Edward N.C. Dalder

En 2008, M. Dalder a fondé Dalder Materials Consulting Inc. à Alameda, Californie. Il est titulaire d’un doctorat en ingénierie métallurgique de l’Ohio State University et possède plus de cinquante années d’expérience dans la résolution de problèmes d’ingénierie des matériaux et de soudage. Il a notamment enseigné à temps partiel la métallurgie et l’ingénierie du soudage à l’Université de Californie à Berkeley, à la San Jose State University, à l’Université du Maryland et à la George Washington University. Il a également travaillé pour le Lawrence Livermore National Laboratory en Californie, pour le Department of Energy à Washington, pour l’Ohio State University à Columbus (Ohio), ainsi que pour U.S. Steel Corporation, entre autres.

À propos de Damian Kotecki

M. Kotecki dirige Damian Kotecki Welding Consultants. Il est titulaire d’un doctorat en génie mécanique de l’Université du Wisconsin et a travaillé pendant plus de trente ans sur le développement des électrodes inoxydables de soudage. Il détient plusieurs brevets. Il a passé quinze ans en recherche et développement chez Teledyne McKay à York, Pennsylvanie, puis dix-huit ans en recherche et développement chez Lincoln Electric Company à Cleveland, Ohio. Il a publié plus de cinquante articles techniques sur le soudage des aciers inoxydables et est également co-auteur de l’ouvrage Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steels.