Maîtriser le soudage des alliages de nickel : Techniques complètes et meilleures pratiques

Pourquoi les alliages de nickel ?

Les alliages de nickel sont choisis pour leur excellente polyvalence, résistance à la corrosion et performance à haute température. Il n'est donc pas surprenant qu'ils soient privilégiés pour les environnements extrêmes, notamment dans les turbines d'avions, turbines à vapeur, centrales nucléaires, et industries pétrochimiques et chimiques.

Compte tenu de leur utilisation en environnements extrêmes, les zones de soudure des alliages de nickel doivent avoir des propriétés constantes, seule garantie que le produit fini soudé résistera à ces environnements. De plus, la soudure doit être de haute qualité et contenir très peu de défauts, qui pourraient aussi affecter la performance en conditions sévères.

Que sont les alliages de nickel ?

Les alliages de nickel sont généralement définis comme des alliages ayant le nickel, élément polyvalent, comme élément principal. Historiquement, on définissait les alliages de nickel comme ceux contenant plus de 50 % de nickel. Aujourd'hui, les alliages utilisés ont généralement une teneur en nickel supérieure à 50 %. Exemples :

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

Soudage du nickel

Le soudage du nickel s'effectue avec l'un des nombreux alliages de nickel disponibles. Le soudage à l'arc peut être utilisé, y compris les procédés MMA (baguette), MIG et TIG. L'utilisation du MMA crée notamment un cordon plus résistant que le métal de base. Pour le MIG nickel, le gaz de protection est un mélange 50/50 hélium-argon.

Tous les procédés de soudage conventionnels conviennent aux alliages de nickel. La principale différence réside dans la dilatation thermique. Les alliages de nickel ont un coefficient de dilatation thermique plus faible que l'acier inoxydable, et les méthodes de contrôle de la déformation sont similaires à celles utilisées pour l'acier au carbone.

Les alliages de nickel peuvent être joints de manière fiable par tous les types de procédés de soudage, à l'exception du soudage à la forge et du soudage oxyacétylénique. Les alliages de nickel forgés peuvent être soudés dans des conditions similaires à celles utilisées pour les aciers inoxydables austénitiques. Les alliages de nickel moulés, particulièrement ceux à haute teneur en silicium, présentent des difficultés de soudage.

Les procédés les plus utilisés pour les alliages de nickel non durcissables par précipitation (renforcés par solution solide) forgés sont : TIG (GTAW), MIG (GMAW) et MMA (SMAW). Le soudage sous flux (SAW) et le soudage électro-laitier (ESW) ont une applicabilité limitée, de même que le soudage plasma (PAW). Bien que le TIG soit préféré pour les alliages durcissables par précipitation (PH), le MIG et le MMA sont aussi utilisés.

Les alliages de nickel sont généralement soudés à l'état de solution traitée. Les alliages PH 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 problème le plus courant et le plus grave est la fissuration à chaud. Elle survient soit sur la ligne de fusion, dans la ZAT, ou dans le métal de soudure (zone de fusion), la ligne de fusion étant la zone la plus souvent touchée.

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

Pour préparer le matériau : dégraissage suivi d'un brossage minutieux à la brosse inox ou mécanique. Utiliser un solvant conçu pour les alliages de nickel et souder dans les 8 heures suivant le nettoyage pour éviter une recontamination.

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

Si le matériau a déjà été utilisé ou est en réparation, il doit être meulé ou usiné pour éliminer les contaminants piégés en surface de la zone de réparation.

La porosité est aussi un problème, particulièrement quand l'oxygène ou l'hydrogène causent une contamination de surface sous forme d'emprisonnement d'air dans le bain de fusion. Pour y remédier, un purge gazeux et une protection efficaces sont requis, sur les faces et la racine du cordon, et tous les tuyaux de gaz doivent être en parfait état. La zone de soudage doit être étanche aux courants d'air.

Préparation des joints pour alliages de nickel

La préparation est essentielle pour le soudage des alliages de nickel. L'aspect le plus important du design est d'assurer un accès suffisant pour la torche et de permettre une pénétration complète si nécessaire.

Le meilleur design de joint bout à bout est un joint carré, mais il est limité par l'épaisseur en raison de l'incapacité à pénétrer. Ainsi, une préparation en U ou V est souvent utilisée, avec un angle de 30° à 40° à 10 mm d'épaisseur, pour permettre la pénétration et les passes de remplissage.

Côté gaz, il peut être utile d'ajouter jusqu'à 10 % d'hydrogène au mélange inerte, ce qui améliore la fluidité du bain de fusion.

Aucun préchauffage n'est requis pour le soudage des alliages de nickel, sauf pour éliminer la condensation. Le soudage du nickel nécessite généralement une température inter-passe maximale de 250 °C, bien que certains alliages ne devraient pas dépasser 100 °C.

Un meulage post-soudage peut être nécessaire pour éliminer une couche d'oxyde adhérente qui peut se former en surface du bain de fusion. Parfois, le brossage filaire ne suffit pas à éliminer ce résidu.

Traitement post-soudage

Aucun traitement post-soudage, ni thermique ni chimique, n'est requis pour maintenir ou restaurer la résistance à la corrosion, bien que dans certains cas un recuit de solution complet améliore la résistance à la corrosion.

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

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

Les pièces doivent être complètement exemptes de matière étrangère avant chauffage ou soudage. Saletés d'atelier, huile et graisse peuvent être éliminées par dégraissage à la vapeur ou tamponnage à l'acétone ou autre solvant non toxique.

Peinture et autres matériaux non solubles dans les solvants de dégraissage peuvent nécessiter du chlorure de méthylène, nettoyants alcalins ou composés propriétaires spéciaux. Si des nettoyants alcalins contenant du carbonate de sodium sont utilisés, ils doivent être éliminés avant soudage. Pulvérisation ou frottement à l'eau chaude recommandé. L'encre de marquage s'enlève généralement à l'alcool.

Les matériaux de traitement incrustés dans le métal peuvent être éliminés par meulage, grenaillage, tamponnage avec solution HCl 10 %, suivi d'un lavage à l'eau minutieux. Les oxydes doivent être éliminés de la zone de soudage, principalement à cause de la différence de point de fusion entre l'oxyde et le métal de base. Les oxydes s'éliminent normalement par meulage, usinage, grenaillage ou décapage.

Les alliages de nickel, moulés ou forgés, renforcés par solution solide ou durcissables par précipitation, peuvent être soudés par TIG (GTAW). L'ajout de métal d'apport est généralement recommandé. Le courant continu électrode négative (DCEN) est recommandé pour le soudage manuel et mécanique.

Gaz de protection

De l'argon, de l'hélium, ou un mélange des deux, est utilisé comme gaz de protection pour le soudage du nickel et de ses alliages. L'ajout d'oxygène, dioxyde de carbone ou azote à l'argon cause généralement de la porosité ou l'érosion de l'électrode. L'argon avec de faibles quantités d'hydrogène (typiquement 5 %) peut être utilisé et aide à éviter la porosité dans le nickel pur, ainsi qu'à réduire la formation d'oxydes pendant le soudage.

Soudage des alliages de nickel moulés

Les alliages de nickel moulés peuvent être joints par TIG, MIG et MMA. Pour des résultats optimaux, la pièce moulée devrait être recuite en solution avant soudage pour soulager certaines contraintes de moulage et homogénéiser la structure.

Un grenaillage léger du métal solidifié après la première passe soulagera les contraintes et réduira la fissuration à la jonction du métal de soudure et du métal moulé. Le grenaillage des passes suivantes est de peu, sinon d'aucun, bénéfice. Un soulagement de contrainte après soudage est aussi souhaitable.