Comment souder des alliages de nickel - Un guide complet

Les alliages de nickel sont généralement sélectionnés en raison de leur excellente polyvalence, de leur résistance à la corrosion et de leurs performances à haute température. Sans surprise, cela fait des alliages de nickel un choix populaire pour une utilisation dans des environnements extrêmes, en particulier dans les turbines d'avions, les turbines à vapeur, les centrales nucléaires et les industries pétrochimiques et chimiques.

Compte tenu de son utilisation dans des environnements extrêmes, les zones de soudure des alliages de nickel doivent avoir des propriétés constantes, c'est la seule façon pour le produit soudé fini de résister à l'environnement extrême. De plus, il est important que la soudure soit de haute qualité et contienne très peu de défauts, car ceux-ci pourraient également affecter les performances dans des environnements difficiles.

Que sont les alliages de nickel ?

Les alliages de nickel sont généralement définis comme des alliages contenant du nickel, un élément polyvalent, comme élément principal. Historiquement, les alliages de nickel étaient définis comme ceux contenant plus de 50 % de nickel. Cependant, les alliages de nickel utilisés aujourd'hui ont généralement une teneur en nickel supérieure à 50 %. Par exemple :

• Inconel 718 :19Cr 3Mo .9Ti 5.1Cb .5Al 18Fe balance Ni
• Hastelloy X :22Cr 1.5Co 9Mo .6W 18.5Fe balance Ni

Soudage au nickel

Le soudage au nickel est réalisé en utilisant l'un des nombreux alliages de nickel disponibles. Le soudage à l'arc peut être utilisé, y compris les procédés Stick, MIG et TIG. L'utilisation du soudage à la baguette, en particulier, créera une soudure plus résistante que le métal de base. Pour le soudage MIG au nickel, le gaz de protection est un mélange 50/50 d'hélium et d'argon.

Tous les procédés de soudage conventionnels conviennent au soudage des alliages de nickel. La principale différence réside dans la dilatation thermique. Les alliages de nickel ont un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui de l'acier inoxydable, et les méthodes de contrôle de la distorsion sont en fait similaires à celles que vous utiliseriez pour l'acier au carbone.

Les alliages de nickel peuvent être assemblés de manière fiable par tous les types de procédés ou méthodes de soudage, à l'exception du soudage par forgeage et du soudage oxyacétylénique. Les alliages de nickel corroyés peuvent être soudés dans des conditions similaires à celles utilisées pour souder l'acier inoxydable austénitique. Les alliages de nickel coulés, en particulier ceux à forte teneur en silicium, présentent des difficultés de soudage.

Les procédés les plus largement utilisés pour souder les alliages de nickel corroyés non résistants au vieillissement (renforcés par une solution solide) sont le soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW), le soudage à l'arc gaz-métal (GMAW) et le soudage à l'arc sous protection (SMAW). ). Le soudage à l'arc submergé (SAW) et le soudage sous laitier électrolytique (ESW) ont une applicabilité limitée, tout comme le soudage au plasma à l'arc (PAW). Bien que le procédé GTAW soit préféré pour souder les alliages durcissables par précipitation, les procédés GMAW et SMAW sont également utilisés.

Les alliages de nickel sont généralement soudés dans des conditions traitées en solution. Les alliages activés par précipitation (PH) doivent être recuits avant le soudage s'ils ont subi des opérations qui introduisent des contraintes résiduelles élevées.

Problèmes courants lors du soudage d'alliages de nickel

Le problème le plus courant et le plus grave qui se produit lors du soudage d'alliages de nickel est la fissuration à chaud. Cela se produit soit dans la ligne de fusion, soit dans la ZAT, soit dans le métal fondu (zone de fusion), bien que la ligne de fusion soit la zone la plus fréquemment touchée.

Habituellement, le soufre dans l'alliage ou à la surface crée cette fissuration, bien que le bismuth, le plomb, le phosphore et le bore puissent également avoir un effet négatif. Pour éviter cela, il est essentiel que la ZAT et le métal de soudure soient complètement exempts d'huile, de graisse, de saleté et d'autres contaminants. Un excès de soufre dans le matériau d'apport de soudure ou les matériaux de base peut également causer des problèmes.

Pour préparer le matériau, un dégraissage, suivi d'un brossage minutieux de l'acier inoxydable ou d'une brosse métallique mécanique est nécessaire. Assurez-vous d'utiliser un solvant conçu pour les alliages de nickel et que la soudure ait lieu dans les huit heures suivant le nettoyage pour éviter toute contamination ultérieure.

Le traitement thermique ne doit être effectué qu'avec un four électrique ou avec un combustible sans soufre, sous vide ou en milieu inerte.

Si le matériau a déjà été utilisé ou est en cours de réparation, il doit être meulé ou usiné pour éliminer tout contaminant qui aurait pu être piégé à la surface de la zone de réparation de la soudure.

La porosité est également un problème, en particulier lorsque l'oxygène ou l'hydrogène provoque une contamination de surface sous la forme d'air emprisonné dans le bain de soudure. Pour contrer cela, une purge de gaz et un blindage efficaces sont nécessaires, sur les côtés face et racine de la soudure, et tous les tuyaux de gaz doivent être en parfait état. La zone de soudage doit également être isolée de tout courant d'air.

Préparation de la soudure pour les alliages de nickel

La préparation de la soudure est essentielle lors du soudage des alliages de nickel. L'aspect le plus important de la conception est de s'assurer qu'il y a un accès suffisant pour la torche de soudage et qu'une pénétration complète peut être obtenue si nécessaire.

La meilleure conception de joint bout à bout est un bout carré, mais cela est limité par l'épaisseur en raison de l'incapacité à pénétrer dans le joint. Ainsi, une préparation en U ou en V est souvent utilisée, avec un angle de 30° à 40° à 10 mm d'épaisseur, pour permettre la pénétration et les passes de remblai ultérieures.

En ce qui concerne la préparation du gaz, il peut être utile d'ajouter jusqu'à 10 % d'hydrogène au mélange de gaz inerte, car cela améliore la fluidité dans le bain de soudure.

Aucun préchauffage n'est requis pour le soudage des alliages de nickel, sauf s'il est nécessaire d'éliminer la condensation. Le soudage du nickel nécessite généralement une température maximale entre passes de 250 ̊C, bien que certains alliages ne doivent utiliser qu'un maximum de 100 ̊C.

Un meulage post-soudage peut être nécessaire pour éliminer une couche d'oxyde adhérente qui peut se former à la surface du bain de soudure. Parfois, une brosse métallique ne suffira pas à éliminer ces résidus post-soudure.

Traitement post-soudure

Aucun traitement post-soudage, qu'il soit thermique ou chimique, n'est nécessaire pour maintenir ou restaurer la résistance à la corrosion, bien que dans certains cas, un recuit complet améliore la résistance à la corrosion.

Un traitement thermique peut être nécessaire pour répondre aux exigences des spécifications, telles que la relaxation des contraintes d'une structure fabriquée pour éviter le durcissement dû au vieillissement ou la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC) de la soudure dans la vapeur d'acide fluorhydrique ou la soude caustique. Si le soudage induit des contraintes résiduelles modérées à élevées, les alliages PH nécessiteraient un recuit de détente après le soudage et avant le vieillissement.

Le nickel et les alliages de nickel sont susceptibles d'être fragilisés par le plomb, le soufre, le phosphore et d'autres éléments à bas point de fusion. Ces matériaux peuvent exister dans la graisse, l'huile, la peinture, les crayons de marquage ou les encres, les lubrifiants de formage, les fluides de coupe, la saleté d'atelier et les produits chimiques de traitement.

Les pièces doivent être complètement exemptes de corps étrangers avant d'être chauffées ou soudées. La saleté, l'huile et la graisse de l'atelier peuvent être éliminées par dégraissage à la vapeur ou en tamponnant avec de l'acétone ou un autre solvant non toxique.

La peinture et d'autres matériaux qui ne sont pas solubles dans les solvants dégraissants peuvent nécessiter l'utilisation de chlorure de méthylène, de nettoyants alcalins ou de composés exclusifs spéciaux. Si des nettoyants alcalins contenant du carbonate de sodium sont utilisés, les nettoyants eux-mêmes doivent être retirés avant le soudage. Il est recommandé de pulvériser ou de frotter avec de l'eau chaude. L'encre de marquage peut généralement être enlevée avec de l'alcool.

Le matériau de traitement qui s'est incrusté dans le métal de travail peut être éliminé par meulage, sablage abrasif et tamponnage avec une solution de HCl à 10 %, suivi d'un lavage à l'eau en profondeur. Les oxydes doivent également être éliminés de la zone impliquée dans l'opération de soudage, principalement en raison de la différence entre les points de fusion de l'oxyde et du métal de base. Les oxydes sont normalement éliminés par meulage, usinage, sablage ou décapage.

Les alliages de nickel, à la fois coulés et forgés et renforcés en solution solide ou durcissables par précipitation, peuvent être soudés par le procédé GTAW. L'ajout de charge est généralement recommandé. L'électrode négative à courant continu (DCEN) est recommandée pour le soudage manuel et à la machine.

Gaz de protection

L'argon ou l'hélium, ou un mélange des deux, est utilisé comme gaz de protection pour le soudage du nickel et des alliages de nickel. Les additions d'oxygène, de dioxyde de carbone ou d'azote au gaz argon provoquent généralement une porosité ou une érosion de l'électrode. L'argon avec de petites quantités d'hydrogène (généralement 5 %) peut être utilisé et peut aider à éviter la porosité dans le nickel pur, ainsi qu'à réduire la formation d'oxyde pendant le soudage.

Soudage des alliages de nickel coulés

Les alliages de nickel coulé peuvent être assemblés par les procédés GTAW, GMAW et SMAW. Pour des résultats optimaux, la coulée doit être recuite avant le soudage pour soulager certaines des contraintes de coulée et fournir une certaine homogénéisation de la structure coulée.

Un léger grenaillage du métal solidifié après la première passe soulagera les contraintes et réduira ainsi la fissuration à la jonction du métal fondu et du métal coulé. Le grenaillage des passes suivantes présente peu d'avantages, voire aucun. La relaxation des contraintes après le soudage est également souhaitable.