Maîtriser le Soudage des Alliages de Nickel : Techniques et Astuces d'Expert

Les alliages de nickel sont choisis pour leur excellente polyvalence, résistance à la corrosion et performance à haute température. Ils sont donc privilégiés dans les environnements extrêmes : turbines d'avions, turbines à vapeur, centrales nucléaires, industries pétrochimiques et chimiques.

Étant utilisés en conditions extrêmes, les zones soudées doivent présenter des propriétés constantes, seule garantie que le produit fini résistera. La qualité du soudage doit être élevée, avec très peu de défauts, car ceux-ci affecteraient la performance en environnement hostile.

Que Sont les Alliages de Nickel ?

Les alliages de nickel sont définis comme ayant le nickel comme élément principal. Historiquement, plus de 50 % de nickel ; aujourd'hui, la teneur est souvent supérieure. Exemples :

• Inconel 718 : 19Cr 3Mo 0,9Ti 5,1Cb 0,5Al 18Fe balance Ni
• Hastelloy X : 22Cr 1,5Co 9Mo 0,6W 18,5Fe balance Ni

Soudage du Nickel

Le soudage du nickel utilise divers alliages. Les procédés à l'arc (baguette, MIG, TIG) sont applicables. Le soudage à la baguette crée un cordon plus résistant que le métal de base. En MIG nickel, le gaz de protection est un mélange 50/50 hélium/argon.

Tous les procédés conventionnels conviennent aux alliages de nickel. La principale différence réside dans la dilatation thermique : coefficient plus faible que l'acier inoxydable, méthodes de contrôle de la déformation similaires à l'acier au carbone.

Les alliages de nickel peuvent être joints de manière fiable par tous les procédés, sauf forgeage et oxyacétylénique. Les alliages déformés se soudent dans des conditions proches de l'inox austénitique. Les alliages de nickel coulés, surtout à haute teneur en silicium, posent des difficultés.

Les procédés les plus employés pour les alliages déformés non trempables (renforcés par solution solide) sont : GTAW (TIG), GMAW (MIG), SMAW (baguette). SAW et ESW ont une applicabilité limitée, tout comme PAW. Pour les alliages trempables par précipitation, GTAW est préféré, mais GMAW et SMAW sont aussi utilisés.

Les alliages de nickel sont généralement soudés en condition de traitement en solution. Les alliages PH (précipitation) doivent être recuits avant soudage s'ils ont subi des opérations introduisant de fortes contraintes résiduelles.

Problèmes Courants lors du Soudage des Alliages de Nickel

Le plus grave est la fissuration à chaud, survenant en ligne de fusion, en ZAT ou dans le métal fondu (zone de fusion), la ligne de fusion étant la plus touchée.

Généralement causée par le soufre dans l'alliage ou en surface ; bismuth, plomb, phosphore et bore ont aussi un effet néfaste. Pour prévenir : HAZ et métal fondu doivent être exempts d'huile, graisse, saleté, contaminants. Un excès de soufre dans l'apport ou le métal de base cause aussi des problèmes.

Préparation : dégraissage suivi d'un brossage minutieux à la brosse inox ou mécanique. Utiliser un solvant adapté aux alliages de nickel ; souder dans les 8 heures suivant le nettoyage pour éviter recontamination.

Traitement thermique uniquement au four électrique ou combustible sans soufre, sous vide ou atmosphère inerte.

Si le matériau a déjà servi ou est réparé, le meuler ou l'usiner pour éliminer contaminants piégés en surface de la zone de réparation.

La porosité est aussi un problème, surtout quand l'oxygène ou l'hydrogène causent une contamination de surface par emprisonnement d'air dans le bain de fusion. Contre-mesures : purge gazeuse et protection efficaces, faces et racines du joint, tuyaux de gaz en parfait état, zone de soudage étanche aux courants d'air.

Préparation des Joints pour Alliages de Nickel

Essentielle. L'aspect clé : assurer un accès suffisant pour la torche et permettre la pleine pénétration si requise.

Le meilleur joint bout à bout est un joint carré, mais limité par l'épaisseur (pénétration impossible). Donc souvent préparation U ou V, angle 30° à 40° à 10 mm d'épaisseur, pour permettre pénétration et passes de remplissage.

Côté gaz, ajouter jusqu'à 10 % d'hydrogène au gaz inerte améliore la fluidité du bain de fusion.

Pas de préchauffage requis sauf pour éliminer condensation. Température inter-passe max 250 °C, certains alliages limités à 100 °C.

Un meulage post-soudage peut être nécessaire pour éliminer une couche d'oxyde adhérente sur le bain de fusion ; le brossage filaire ne suffit parfois pas.

Traitement Post-Soudage

Aucun traitement thermique ou chimique post-soudage n'est requis pour maintenir ou restaurer la résistance à la corrosion, bien qu'un recuit en solution complet puisse l'améliorer.

Un traitement thermique peut être nécessaire pour répondre à des spécifications : soulagement de contraintes d'une structure fabriquée pour éviter le durcissement par vieillissement ou la corrosion sous contrainte (SCC) du joint en vapeur d'acide fluorhydrique ou soude caustique. Si le soudage induit des contraintes résiduelles modérées à élevées, les alliages PH nécessitent un recuit de soulagement après soudage et avant vieillissement.

Le nickel et ses alliages sont sensibles à la fragilisation par le plomb, soufre, phosphore et autres éléments à bas point de fusion. Ces matières peuvent exister dans graisses, huiles, peintures, crayons/encres de marquage, lubrifiants de formage, fluides de coupe, saletés d'atelier, produits chimiques de traitement.

Les pièces doivent être totalement exemptes de corps étrangers avant chauffage ou soudage. Saletés, huile, graisse : dégraissage vapeur ou tamponnage acétone/solvant non toxique.

Peintures et matériaux insolubles dans dégraissants : chlorure de méthylène, nettoyants alcalins, composés propriétaires. Si nettoyants alcalins (carbonate de sodium), les éliminer avant soudage : pulvérisation ou frottement eau chaude recommandé. Encre de marquage : alcool.

Matériaux de traitement incrustés : meulage, sablage, tamponnage solution HCl 10 %, rinçage eau abondant. Oxydes à éliminer de la zone de soudage (différence point de fusion oxyde/métal de base). Élimination : meulage, usinage, sablage, décapage.

Alliages de nickel (coulés, déformés, solution solide ou précipitation) soudables par GTAW. Ajout d'apport généralement recommandé. Courant continu pôle négatif (DCEN) recommandé manuel et machine.

Gaz de Protection

Argon, hélium, ou mélange des deux pour nickel et alliages. Ajouts d'oxygène, CO2, azote à l'argon causent porosité ou érosion électrode. Argon avec faible hydrogène (typique 5 %) utilisable, évite porosité sur nickel pur et réduit formation d'oxydes.

Soudage des Alliages de Nickel Coulés

Joints par GTAW, GMAW, SMAW. Pour résultats optimaux, recuire en solution avant soudage pour soulager contraintes de coulée et homogénéiser la structure.

Grenaillage léger du métal solidifié après première passe soulagera contraintes et réduira fissuration jonction métal d'apport/métal de base. Grenaillage passes suivantes peu ou pas bénéfique. Reculage post-soudage aussi souhaitable.