Soudage de matériaux spécifiques
Après avoir lu cet article, vous en apprendrez davantage sur le processus de soudage de matériaux spécifiques: - 1. Soudage d'aciers spécifiques 2. Soudage d'aciers revêtus 3. Soudage d'aciers revêtus 4. Soudage de plastiques 5. Soudage de composites.
Soudage d'aciers spécifiques:
Un grand nombre d'aciers sont utilisés comme matériaux de construction dans différentes industries d'ingénierie.
Procédures de soudage pour certains des aciers spécifiques nécessaires à l'utilisation dans les centrales électriques, les industries pétrolière et chimique, les cuves cryogéniques; Les pièces d'avions, de roquettes et de missiles sont décrites ci-dessous:
1. Aciers résistants au fluage:
Ces aciers sont très utilisés dans la construction de centrales électriques pour les tambours à vapeur et les lignes de vapeur principales.
Certaines des compositions bien connues sont:
(i) acier à 1% de Cr, ½% de Mo utilisé dans les tuyaux de vapeur pour une température de service jusqu’à 500 ° C.
(ii) Des aciers à 1/2% Cr, ½% Mo ¼% V ou 2 ¼% Cr, 1% Mo sont également utilisés pour les conduites de vapeur à une température de service de 500 à 600 ° C.
(iii) Les aciers austénitiques au Cr-Ni sont utilisés pour les conduites de vapeur pour des températures de service supérieures à 600 ° C.
(iv) L'acier à ½% Mo était auparavant utilisé pour les conduites de vapeur à des températures de service voisines de 500 ° C. L'utilisation de cet acier a maintenant été interrompue en raison de la survenue de graves défaillances dues à la fragmentation dans HAZ. Cependant, cet acier est encore utilisé pour la tuyauterie de raffinerie et de produits pétrochimiques pour lesquels aucun échec de la graphatisation n’a été signalé.
Traitements de préchauffage et de post-soudage :
Ces traitements sont destinés aux aciers résistant au fluage pour éviter les fissures et développer les propriétés optimales des joints. Les températures de préchauffage sont comprises entre 150 et 250 ° C. Un traitement post-soudage est appliqué pour obtenir une résistance au fluage optimale dans le joint. La température du traitement thermique post-soudage (PWHT) pour le recuit sous-critique varie de 600 à 750 ° C, sauf pour les soudures sous laitier qui sont normalisées entre 900 et 925 ° C.
2. Aciers des industries pétrolière et chimique :
Les aciers à haute résistance tels que 1% Cr, ½% Mo, 2½ Cr et 1% Mo sont souvent utilisés dans les centrales électriques et les raffineries. Les aciers Cr-Mo et ½% Mo sont utilisés dans les industries pétrolière et chimique pour la résistance à la corrosion par l'hydrogène et les hydrocarbures soufrés. Les aciers à ½% Mo sont un peu plus difficiles à souder que les aciers au carbone; le préchauffage et le PWHT ne sont requis que pour les assemblages soudés en sections épaisses. Les électrodes de type rutile ou cellulosique sont généralement jugées satisfaisantes pour le soudage des aciers à ½% Mo.
Pour le soudage des aciers au Cr-Mo, des électrodes à l'hydrogène sont utilisées, à l'exception des sections minces d'aciers à 1% de Cr, ½ Mo, ces aciers sont préchauffés à 150-250 ° C et le recuit sous-critique utilisé est le PWHT.
Les aciers contenant 2 à 9% de Cr ne sont normalement pas autorisés à refroidir immédiatement après le soudage. Les récipients sous pression à parois épaisses constitués de ces aciers peuvent nécessiter un soulagement intermédiaire après la fin des ½ ou des des soudures. La relaxation des contraintes de ces récipients sous pression est effectuée à 650 ° C et un recuit sous-critique, si nécessaire, entre 650 et 750 ° C en fonction de la teneur en alliage.
Des tôles minces en acier à 13% de Cr sont utilisées pour les plateaux et le revêtement résistant à la corrosion pour les tours de distillation dans les raffineries de pétrole. Les électrodes utilisées pour le soudage de ces aciers sont de type 25% Cr, 20% Ni. Aucun préchauffage ou PWHT n'est requis pour de telles soudures. Ces aciers contiennent généralement 0-2% d'aluminium, ce qui réduit la tendance de la ZAT à se durcir.
Les sections de plaque dans les aciers à 13% de Cr sont rarement utilisées, toutefois, si nécessaire, ces aciers sont soudés à l'aide d'électrodes en acier à 13% de Cr.
3. Aciers pour applications à basse température:
Les aciers ayant une teneur en Ni supérieure à 3-5% sont difficiles à souder, sauf avec des électrodes en alliages à base de Ni. Lorsque des électrodes austénitiques moins coûteuses de 25% Cr, 20% Ni sont utilisées, la soudure produite a une résistance inférieure à celle du matériau de base. Si de telles soudures sont traitées thermiquement dans la plage de réduction des contraintes, elles sont fragilisées par la migration du carbone dans le métal fondu. Aucun problème de ce type ne se pose pour les soudures réalisées avec des électrodes en alliage à base de Ni.
Les aciers contenant 3 à 5% de Ni sont soudés avec des électrodes correspondantes, mais ces soudures ont une faible résistance aux chocs à -100 ° C; en ce sens, les soudures réalisées avec des électrodes à 2½% Ni ou austénitiques sont plus satisfaisantes.
Le PWHT n’est pas indispensable pour les soudures faites dans un matériau de base à 3 à 5-9% Ni. Pour les sections plus épaisses, la relaxation des contraintes est effectuée entre 560 et 600 ° C; toutefois, la limite de température de 600 ° C ne doit pas être dépassée car une température critique plus basse est réduite par l'ajout de nickel.
4. Aciers à faible alliage à haute résistance (HSLA):
Parmi les applications importantes des aciers HSLA figurent les pièces pour avions et fusées, les missiles et les matrices de forgeage à chaud. La teneur en carbone de ces aciers est comprise entre 0, 3 et 0, 5% et les principaux éléments d'alliage sont le Cr, le Ni, le Mo et le V. Une fois trempés et revenus, ces aciers peuvent atteindre une résistance allant jusqu'à 155 KN / cm. Cependant, en raison de la teneur en carbone et en alliages, ces aciers sont sensibles à la fissuration à froid.
Les sections minces (<3 mm) des aciers HSLA ne nécessitent aucun préchauffage, mais des sections plus épaisses sont préchauffées à une température comprise entre M s et M f et maintenues à cette température pendant une période de 5 à 30 minutes après le soudage pour assurer la transformation complète de l'austénite. .
Les soudures réalisées dans de l'acier à 5% de Cr nécessitent un recuit sous-critique à 675 ° C avant d'être refroidies à la température ambiante. Cela transforme la structure en bainite ou en bainite et en martensite trempée qui ne sont pas sujettes à la fissuration. Pour des résultats optimaux, les pièces fabriquées sont normalisées et tempérées après le soudage.
Soudage des aciers revêtus:
Les tôles d'acier et autres produits sont recouverts de matériaux résistant à l'oxydation ou à la corrosion afin de prolonger la durée de vie du produit. Le zinc est le matériau de revêtement le plus souvent utilisé, mais des alliages d'aluminium et de plomb-étain sont également utilisés, mais à des degrés limités.
Ces aciers revêtus trouvent une utilisation extensive dans la fabrication de carrosseries de camions, de boîtiers de climatisation, de réservoirs de traitement, de tours électriques, etc. Le soudage est souvent utilisé dans la fabrication de ces produits.
1. Soudage des aciers galvanisés:
Les aciers revêtus de zinc peuvent être soudés avec succès à condition que des précautions spécifiques soient prises pour compenser l'évaporation du zinc de la zone de soudure. Le zinc se vaporise pendant le soudage car son point d'ébullition est de 871 ° C alors que le point de fusion de l'acier est de 1540 ° C. Ainsi, le zinc se volatilise et laisse le métal de base adjacent à la soudure. L'étendue de la zone touchée dépend de l'apport de chaleur au travail. C'est pourquoi le zinc décrit est plus large dans les procédés de soudage plus lents comme le GTAW et le soudage oxyacétylénique.
Les procédés de soudage utilisés pour souder l'acier galvanisé comprennent les procédés SMAW, GMAW, GTAW, FCAW, le soudage à l'arc au carbone et le soudage par résistance.
Les électrodes recouvertes utilisées pour le soudage des tôles d'acier galvanisées sont du type rutile et du type de base; Cependant, des électrodes de type cellulosique sont utilisées pour le soudage de sections et de tuyaux plus épais. Des électrodes enrobées basiques peuvent également être utilisées pour souder des épaisseurs plus lourdes. Une technique de soudage à l’avance est utilisée pour faciliter l’évaporation du zinc en amont de l’arc.
Dans les GMAW en acier galvanisé, on utilise des fils fins hautement désoxydés avec une technique de court-circuit avec 100% CO ou argon + 25% CO 2 comme gaz de protection. La quantité de projections est généralement plus élevée que lors du soudage d’acier non revêtu. Cela nécessite un nettoyage fréquent de la buse du pistolet. Des fils en acier inoxydable ou en bronze peuvent être utilisés pour déposer du métal soudé résistant à la corrosion. La soudure à l'arc avec fil fourré utilisant un fil hautement oxydé peut être utilisée avec des résultats similaires à ceux obtenus par GMAW.
Le procédé GTAW peut être utilisé, mais sa lenteur crée non seulement de grandes zones appauvries en zinc autour de la soudure, mais également une contamination de l’électrode de tungstène. La contamination par les électrodes peut être réduite par un meilleur filtrage du gaz de protection, mais cela peut coûter cher.
Le procédé d’arc au carbone utilisant un fil de remplissage en laiton (60% Cu. 40% Zn) a largement utilisé pour le soudage des aciers revêtus de zinc, en particulier dans la fabrication de conduits de climatisation. Les torches simples et doubles au carbone sont utilisables de la même manière.
Le soudage par résistance des aciers revêtus de zinc entraîne une évaporation du zinc beaucoup moins importante que dans les procédés de soudage à l'arc. Mais le soudage par résistance entraîne la capture du zinc par la pointe de l'électrode de soudage et diminue la densité de courant dans la zone de soudure, ce qui nécessite une augmentation progressive du courant de soudage pour obtenir des soudures satisfaisantes.
Qualité de soudure:
Les soudures faites dans des aciers revêtus de zinc sont sujettes à la porosité et à la fissuration en raison du piégeage des vapeurs de zinc dans le métal soudé; une fissuration retardée due à la corrosion sous contrainte peut également se produire. La fissuration est provoquée par la pénétration intergranulaire du zinc dans le métal fondu. Elle est parfois appelée "fissuration par pénétration du zinc" et se produit le plus souvent dans la gorge d'une soudure d'angle, en particulier lorsque le revêtement est présent à la racine de la soudure. Une telle fissuration tend à être moins fréquente avec le SMAW qu'avec le GMAW sur des plaques de 6 mm ou plus épaisses. La fissuration peut être contrôlée en laissant les vapeurs de zinc s'échapper rapidement devant le bain de soudure en maintenant de larges espaces vides.
Pour produire un joint résistant à la corrosion, le revêtement de zinc doit être appliqué de nouveau dans la zone appauvrie en zinc. Cela peut être fait en utilisant des bâtons de pâte à base de zinc sur du métal de base chauffé. Un autre procédé d'application d'un revêtement de zinc consiste à pulvériser à la flamme à l'aide d'un matériau de remplissage à pulvériser de zinc. L'épaisseur du revêtement de zinc appliqué à nouveau doit être 2 à 3 fois supérieure au revêtement d'origine pour assurer une protection adéquate contre la corrosion.
2. Soudure de l’acier aluminisé et de la sterne:
L'acier aluminisé est également largement utilisé dans les tubes et dans l'industrie automobile, en particulier pour les silencieux d'échappement. Les procédés de soudage à l'arc et par résistance sont utilisés pour souder l'acier aluminisé avec des résultats presque similaires à ceux des aciers galvanisés. Cependant, il est plus difficile de remplacer le revêtement en aluminium et on a donc souvent recours à la peinture.
Les tubes en acier aluminisé sont produits dans des usines de fabrication de tubes par soudage bout à bout par résistance, avec courant de basse et haute fréquence.
La tôle d'acier revêtue d'un alliage plomb-étain est appelée plaque de sterne. Il est souvent utilisé pour la fabrication de réservoirs d’essence pour automobiles. Le procédé généralement utilisé pour le soudage de la plaque arrière est le soudage par résistance. Si des procédés de soudage à l'oxyacétylène ou à l'arc sont utilisés, le revêtement est détruit par évaporation et doit être remplacé par un procédé similaire à celui de la soudure. Sécurité: Une ventilation positive doit être fournie pour éliminer les fumées nocives produites lors du soudage des aciers revêtus. Cela implique généralement l'utilisation d'un tuyau d'aspiration au niveau de la zone de soudure. Des pistolets spéciaux équipés d'une buse d'aspiration peuvent être utilisés en cas d'utilisation de GMAW et FCAW. Les aciers revêtus ne doivent jamais être soudés dans des espaces confinés.
Soudage des aciers plaqués:
Les aciers plaqués sont utilisés parce qu’ils associent les propriétés de résistance à la corrosion et à l’abrasion à un faible coût, de bonnes propriétés mécaniques et la capacité de soudure des matériaux ferritiques. Les aciers utilisés comme matériau de support sont généralement des aciers C-½% Mo ou 1% Cr-½% Mo. Les matériaux de revêtement incluent des aciers au chrome (12-15% Cr), des aciers inoxydables austénitiques de type 18/8 (Cr / Ni) ou 25/12 (Cr / Ni), des alliages à base de nickel comme le monel et l’inconel, un alliage Cu-Ni, et cuivre.
Le revêtement peut être appliqué par laminage à chaud, soudage par explosion, surfaçage ou brasage. L'épaisseur de la gaine peut varier de 5 à 50% de l'épaisseur totale, mais en général de 10 à 20% pour la plupart des applications. L'épaisseur minimale du matériau plaqué est de 1, 5 mm.
Les principales applications des aciers revêtus comprennent les échangeurs de chaleur, les réservoirs, les navires de traitement, le matériel de manutention, le matériel de stockage et les wagons-citernes. La plupart de ces produits sont fabriqués par fabrication soudée.
Conception commune:
La préparation des bords dépend de l'épaisseur de la plaque. Les types à bouts carrés, à simple et double V et à simple U peuvent être utilisés comme indiqué sur la figure 22.7. Le revêtement est généralement usiné pour éviter la dilution du métal plaqué avec du mastic d’acier, car un risque de contamination peut survenir même lorsque le côté plaqué n’est pas soudé en premier, comme le montre un joint mal aligné en 22.8. La figure 22.9 montre la qualité et la médiocrité de la préparation des arêtes. La préparation des arêtes pour les joints d’angle avec un matériau de revêtement intérieur et extérieur est illustrée à la Fig. 22.10.
Procédure de soudage:
La procédure normale pour le soudage bout à bout d'une plaque revêtue consiste à souder le côté support ou le côté acier en adoptant d'abord une procédure de soudage appropriée pour le matériau support, suivie par la soudure du côté plaqué avec une procédure appropriée pour ce matériau, comme indiqué sur la figure 22.11, en passant par différentes étapes. soudage bout à bout carré et joints bout à bout de type simple-V.
Le côté en acier doit être soudé au moins à mi-parcours avant toute soudure sur le côté plaqué. Si le gauchissement ne pose pas de problème, la soudure du côté en acier peut être complétée avant le tri du soudage sur le côté plaqué. Tout joint de soudure réalisé sur un matériau plaqué doit être une soudure à pénétration complète avec sa racine dans le côté plaqué de la plaque.
Les bonnes pratiques de soudage pour l’acier plaqué peuvent inclure les étapes suivantes:
1. Utilisez des électrodes à faible teneur en hydrogène pour la racine afin d'éviter les fissures.
2. Utilisez une électrode de petit diamètre et une technique de talon stringer.
3. Déposer le métal de soudure en plusieurs couches pour réduire la dilution.
4. Utilisez des électrodes plus fortement alliées que le matériau plaqué pour permettre la dilution.
5. Si possible, utilisez un courant continu avec une électrode négative en utilisant une technique de soudage à l'envers.
Si le matériau de revêtement a un point de fusion plus élevé que le matériau de base et que les deux matériaux sont incompatibles du point de vue métallurgique, une bande de support en matériau de revêtement est utilisée pour conserver l'efficacité du revêtement. La bande est soudée sur la gaine comme indiqué sur la Fig. 22.12.
Si le joint de soudure doit être réalisé sans accès au côté plaqué. Le reste de la soudure est réalisé avec la même électrode que celle utilisée pour le soudage du côté plaqué ou les premières passes sont réalisées en composition plaquée et le reste avec un alliage de charge compatible avec l'acier plaqué et le support.
Lorsque le revêtement est en acier inoxydable austénitique, le côté habillé est soudé par des électrodes austénitiques, suivis de 76% Ni, 7% Fe, 16% Cr, de type charge, en particulier si le joint doit être soumis à un service à haute température pouvant causer des fatigue due à la dilatation différentielle du support et aux soudures en acier inoxydable austénitique.
Dans de nombreux cas, il est possible d’utiliser des électrodes avec une teneur en alliage plus élevée, de sorte que sa résistance à la corrosion soit supérieure à celle du revêtement, même après dilution. Par exemple, un acier revêtu d'alliage à 12% de Cr est généralement soudé avec des électrodes 25/20 (Cr / Ni). De même, l’acier inoxydable austénitique à base de Mo peut être soudé sur le côté plaqué avec une charge ayant une teneur plus élevée en Mo; un alliage 17% Cr 12% Ni2 ½% Mo avec une électrode donnant un dépôt non dilué de 17% Cr 12% Ni 3¼% Mo. Il est possible de souder un acier revêtu d’acier inoxydable 18/8 stabilisé en réalisant le premier passage avec une électrode à 25% de Cr, 20% Ni et les passages suivants avec des électrodes en acier inoxydable à 18/8 du type stabilisé.
Pour le soudage des aciers revêtus de nickel et de monel, l'ensemble du joint est souvent soudé avec une charge de nickel ou de monel.
Sélection du processus:
Le choix du procédé de soudage est basé sur le type et l'épaisseur du matériau. Le SMAW est assez souvent utilisé, mais SAW est utilisé pour le soudage de réservoirs sous pression à parois épaisses. Le procédé GMAW est utilisé pour le soudage de plaques d'épaisseur moyenne; Le procédé FCAW est utilisé pour le côté acier et le GTAW est parfois utilisé pour le soudage du côté plaqué. Le processus choisi doit être tel qu’il évite de pénétrer d’un matériau à l’autre.
Si le procédé SAW est utilisé pour le côté acier, des précautions doivent être prises pour éviter de pénétrer dans le métal plaqué. Des étapes similaires doivent être suivies lors de l’utilisation du processus automatique FCAW ou GMAW. Ce contrôle de la pénétration des cordons radiculaires est généralement réalisé en conservant une face radiculaire plus grande et en assurant un ajustement très précis.
Des mesures spéciales de contrôle de la qualité doivent être prises dans le soudage des aciers revêtus, afin d'éviter l'apparition de contre-dépouilles, d'une pénétration incomplète et d'un manque de fusion.
Soudage des plastiques:
Les plastiques sont maintenant largement utilisés en tant que matériaux d'ingénierie dans la construction de pièces pour automobiles, avions, missiles, navires et équipements de génie général. Des pièces telles que les paliers à friction, les engrenages, les vis sans fin, les garnitures de frein, les pièces de pompes et de pompes, les composants de télévision et les composants électroniques sont fabriqués en vrac pour une consommation de masse.
En plus d'être légers, les plastiques sont de bons isolants électriques, prennent facilement des couleurs, peuvent être facilement lubrifiés à l'eau et sont d'un faible coût. Bien que les plastiques soient normalement opaques comme les métaux, des plastiques transparents et translucides sont également disponibles.
Les plastiques présentent de bonnes propriétés mécaniques. Par exemple, en termes de rapport de résistance à la traction à la densité, les polymères rigides et le polyéthylène sont comparables à la fonte et au bronze, comme indiqué dans le tableau 22.3.
Cependant, les plastiques diffèrent radicalement des métaux par leur comportement lorsqu'ils sont déformés à la fois à la température ambiante et à des températures élevées. Les relations contrainte-déformation à la température ambiante pour les métaux, les thermoplastiques et le caoutchouc sont illustrées à la Fig. 22.13, où le point B indique la limite d'élasticité.
En fonction de la température, mais sous charge constante, l'état physique des plastiques peut être vitreux, très élastique et fluide ou visqueux, comme le montre la courbe de température en fonction de la déformation de la Fig. 22.14. Jusqu'à la température de vitrification, T v, le matériau reste vitreux, entre T v et la température d'écoulement T f, les matières plastiques agissent comme des substances très élastiques, semblables à du caoutchouc, et leur déformation est élastique; et au-dessus de T f, le matériau devient fluidique. Au-dessous de la température de vitrification, les plastiques se comportent comme des matériaux fragiles, tandis qu'au-dessus de T f, ils se comportent comme des fluides très visqueux.
Une matière plastique passe d’un état à l’autre, de sorte que le point de vitrification et le point d’écoulement doivent être visualisés sous forme d’intervalles de température, comme le montre le tableau 22.4, qui indique les points T y et T f pour certains plastiques.
Un séjour prolongé à une température élevée peut provoquer la rupture d'un plastique, mais les plastiques peuvent être réchauffés plusieurs fois dans la plage de température de sécurité.
Classification des plastiques:
Les plastiques sont généralement classés sur la base de leur comportement au chauffage en deux groupes, à savoir les plastiques thermodurcissables et les plastiques thermoplastiques.
Les plastiques thermodurcissables ne peuvent être chauffés et mis en forme qu'une seule fois au cours de la fabrication. Un chauffage ultérieur n'a pas d'effet adoucissant et le matériau se décompose finalement. Les plastiques thermodurcissables ne peuvent donc pas être soudés. Ils sont généralement disponibles sous forme de produits semi-finis pouvant être assemblés mécaniquement ou collés ensemble. Le polyformaldéhyde est un exemple bien connu de plastique thermodurcissable.
Les plastiques thermoplastiques sont ramollis par l'effet de la chaleur. Ils peuvent passer à plusieurs reprises dans un état hautement élastique puis dans un état plastique sans perdre leurs propriétés d'origine lors du refroidissement. Ainsi, les thermoplastiques peuvent être facilement soudés.
Ils sont disponibles dans des formes semi-finies telles que des feuilles, des barres, des formes, des tuyaux et des tubes. Ceux-ci peuvent être transformés en articles finis par pliage, extrusion et soudage. Certains des plastiques bien connus compris dans ce groupe sont le polyéthylène, le polypropylène, le PVC, le polyamide, le polyacrylate, le polycarbonate, etc.
Soudage de composites:
Les composites sont des combinaisons de deux matériaux ou plus, qu’ils soient métalliques, organiques ou inorganiques, qui sont essentiellement insolubles les uns dans les autres. Les principales formes constitutives utilisées dans les matériaux composites sont les fibres, les particules, les lames ou les couches, les flocons, les charges et les matrices.
La matrice est le constituant du corps qui sert à enfermer le composite et à lui donner sa forme principale tandis que les fibres, les particules, les lames, les paillettes et les charges sont les constituants structurels qui déterminent la structure interne des constituants.
Selon les constituants structurels, les composites peuvent être classés dans les cinq classes suivantes, ainsi que leurs représentations visuelles, comme indiqué à la Fig. 22.23:
1. composites à fibres,
2. composites en paillettes,
3. composites particulaires,
4. composites remplis ou squelettiques, et
5. Composites laminaires.
Ces matériaux composites sont fabriqués à partir de diverses combinaisons telles que bore-aluminium (B-A1), titane-tungstène (Ti-W), titane-graphite (Ti-Gr), aluminium-graphite (Al-Gr), graphite-polysulfone ( Gr-Ps), et bien d’autres encore, sont largement utilisés dans les secteurs de l’automobile, de l’aérospatiale et dans plusieurs autres secteurs importants de la construction.
Pour la fabrication de composites dans les composants souhaités, le soudage est de plus en plus utilisé. Les procédés qui ont été jugés satisfaisants incluent le soudage par induction, le soudage par ultrasons, le soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW), le soudage par résistance et le soudage par fusion.
