EP1778886A1 - Objet comprenant une partie en acier de construction metallique, cette partie comportant une zone soudee a l'aide d'un faisceau a haute densite d'energie et presentant une excellente tenacite dans la zone fondue ; methode de fabrication de cet objet - Google Patents
Objet comprenant une partie en acier de construction metallique, cette partie comportant une zone soudee a l'aide d'un faisceau a haute densite d'energie et presentant une excellente tenacite dans la zone fondue ; methode de fabrication de cet objetInfo
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- EP1778886A1 EP1778886A1 EP05778661A EP05778661A EP1778886A1 EP 1778886 A1 EP1778886 A1 EP 1778886A1 EP 05778661 A EP05778661 A EP 05778661A EP 05778661 A EP05778661 A EP 05778661A EP 1778886 A1 EP1778886 A1 EP 1778886A1
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Definitions
- the present invention relates to steel metallic constructions concerned by a high energy density beam, and more particularly
- the assembly by high energy density beam, such as LASER or the electron beam, of hot-rolled steel sheets and plates has particularly developed in the last twenty years due
- the present invention aims to provide such welded assemblies and a method for obtaining such assemblies from structural steel.
- a first object of the invention consists of an object comprising at least one steel part, the composition of which comprises, the contents being expressed by weight, carbon with a content of between 0.005 and 0.27%, manganese. between 0.5 and 1.6%, silicon between 0.1 and 0.4%, chromium in content less than 2.5%, Mo in content less than 1%, possibly one or more elements chosen from nickel, copper, aluminum, niobium, vanadium, titanium, boron, zirconium, nitrogen, the rest being iron and impurities resulting from the production.
- the steel part comprises at least one zone melted by high energy density beam with a microstructure consisting of 60 to 75% of self-returning martensite and, in addition, 40 to 25% of lower bainite, and preferably 60 to 70 % of self-returning martensite and, in addition, 40 to 30% of lower bainite.
- the object is a steel tube comprising at least one section having a zone welded in the longitudinal or transverse direction.
- the object consists of at least two hot-rolled or forged sheets of steel of identical or different composition, of identical or different thickness, welded together.
- the high energy density beam is a beam
- the high energy density beam is an electron beam.
- the subject of the invention is also a method of manufacturing one of the preceding objects, comprising the steps consisting in:
- an object comprising at least one steel part, the composition of which comprises the contents being expressed by weight, carbon in content of between 0.005 and 0.27%, manganese between 0.5 and 1.6%, silicon between 0.1 and 0.4%, chromium in content less than 2.5%, Mo in content less than 1%, optionally one or more elements chosen from nickel, copper, aluminum, niobium, vanadium, titanium, boron, zirconium, nitrogen, the rest being iron and impurities resulting from the production,
- the welding power, the welding speed, the means of a possible pre or post-heating or cooling being chosen so that a molten zone is obtained with a microstructure consisting of 60 to 75% of martensite self-returned and, in addition, 40 to 25% of lower bainite, preferably 60 to 70% of self-returned martensite and, in addition, 40 to 30% of lower bainite.
- the nitrogen content of the molten zone is less than or equal to 0.020%
- the welding power, the welding speed, the means of a possible pre or post-heating or cooling are chosen so that the molten zone cools according to a parameter ⁇ / 5 8 0 ° 0 ° such that:
- CE C + Mn / 6 + Si / 24 + Mo / 4 + Ni / 12 + Cu / 15 + (Cr (1-0,16-v / Cr) / 8) + f (B)
- CE , C + Mn / 3,6 + Cu / 20 + Ni / 9 + Cr / 5 + Mo / 4,
- C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B and N respectively designating the carbon, manganese, silicon, molybdenum, nickel, copper, chromium, boron and nitrogen contents, expressed as a percentage by weight, of said molten zone.
- the welding is carried out by a LASER beam in a homogeneous and autogenous manner, the nitrogen content of the steel is less than or equal to 0.020%, and the welding power, the welding speed, the means of a possible pre or post-heating or cooling, are chosen so that the molten zone cools according to a parameter At ⁇ such that:
- CE C + Mn / 6 + Si / 24 + Mo / 4 + Ni / 12 + Cu / 15 + (Cr (1-0,16VCr) / 8) + f (B)
- CE 1 C + Mn / 3.6 + Cu / 20 + Ni / 9 + Cr / 5 + Mo / 4,
- f (B) (0.09-4.5N) if B> 0.0004%, C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B, N respectively denoting the contents of carbon, manganese, silicon, molybdenum, nickel, copper, chromium, boron and nitrogen, expressed as a percentage by weight, of the welded steel .
- the welding is carried out by electron beam in an autogenous and homogeneous manner, the nitrogen content of the steel is less than or equal to 0.022%, the welding power, the welding speed, the means of a possible pre or post-heating or cooling, are chosen so that the zone melted by the electron beam cools according to a parameter At ⁇ such that:
- CE C + Mn / 6.67 + Si / 24 + Mo / 4 + Ni / 12 + Cu / 15 + (Cr (I-0, 16-VCr) / 8) + f (B)
- CE ,, C + Mn / 4 + Cu / 20 + Ni / 9 + Cr / 5 + Mo / 4,
- C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B, N respectively designating the contents of carbon, manganese, silicon, molybdenum, nickel, copper, chromium, boron, and nitrogen, expressed as a percentage by weight, of the welded steel .
- the steel part is welded with a steel part of identical or different composition, of identical or different thickness, whether or not part of said object, using a filler product metallic
- FIG. 1 illustrates the comparison of the hardness of the Heat Affected Zone with that of the molten zone in LASER welding and in electron beam welding of steel structural steel.
- - Figure 2 presents the comparison of the Charpy V transition temperature at the 28 Joule level (TK 2 Sj) of the Heat Affected Zone with that of the molten zone in LASER and electron beam welding of structural steels metallic.
- - Figure 3 illustrates a typical change in the ductile-brittle transition temperature and the hardness in the Heat Affected Zone of a metallic structural steel, as a function of the cooling rate.
- FIG. 6 shows the modification of the nitrogen content in the molten zone compared to that of the base metal during electron beam welding.
- the welded part consists of two distinct zones:
- the molten zone which corresponds to a zone which has passed through the liquid state during welding, ie that where the temperature has been higher than that of the liquidus of the welded material.
- Zone Affected by Heat (or “ZAC”), which can include in the broad sense all the zones having undergone an allotropic transformation during welding. Subsequently, this term ZAC will be reserved here for the parts of the assembly remaining in the solid state brought to the highest temperatures during welding which are the seat of a greater magnification of the austenitic grain. These zones, very often the most critical from the point of view of toughness, correspond to maximum temperatures greater than 1200-1300 ° C.
- Figure 3 presents a typical example of the evolution of the hardness and the ductile-brittle transition temperature of the ZAC of a metallic structural steel at 0.04% C, 1, 3% Mn in function of the cooling rate after welding.
- This speed is here characterized by A / °° o , parameter which designates the time which elapses between the passage at the temperature of 800 0 C and the temperature of 500 0 C during cooling in welding.
- There is a cooling speed range (located for this steel composition around ⁇ 500 ”1-2s), for which the toughness is optimal.
- fresh martensite non-returned martensite
- the microstructures corresponding to the optimum toughness consist partly of self-tempered martensite, the tempering being due to the welding cycle itself, and partly of lower bainite.
- the self-returning structure is characterized by the presence of fine carbides precipitated in the martensite slats.
- f500 Time elapsing between 800 and 500 0 C during the cooling of the welded area after welding
- ⁇ t M Critical cooling time leading to 100% martensite
- ⁇ t B Critical cooling time leading to 100% bainite
- the critical cooling times are related to the chemical composition by the following expressions:
- ⁇ t M exp (10 - 6 CE l - 4 - 8) .
- CE C + Mn / 6 + Si / 24 + Mo / 4 + Ni / 12 + Cu / 15 + (Cr (1-0,16VCr) / 8) + f (B)
- CE ,, C + Mn / 3,6 + Cu / 20 + NÎ / 9 + Cr / 5 + Mo / 4,
- C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B and N respectively denote the carbon, manganese, silicon, molybdenum, nickel, copper, chromium, boron and nitrogen contents, expressed in weight percent, of the steel.
- the similarity of the ZAC and the molten zone in homogeneous and autogenous welding at high energy density indicates that the previous formulations valid for the ZAC are also applicable to the molten zone.
- a martensite content of between 60 and 75%, preferably between 60 and 70%, combined with a supplement in lower bainite results in excellent toughness. This is obtained if the cooling parameter obeys the following expression:
- the composition of the molten zone is practically identical to that of the base metal.
- N and Mn in the molten zone are respectively equal to 0.9C and 0.9Mn.
- CEi C + Mn / 6.67 + Si / 24 + Mo / 4 + N ⁇ / 12 + Cu / 15 + (Cr (IO 1 IeVO 7 ) / 8) + f (B)
- CEn C + Mn / 4 + Cu / 20 + Ni / 9 + Cr / 5 + Mo / 4,
- C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B and N respectively denote the contents of carbon, manganese, silicon, molybdenum, nickel, copper, chromium, boron and nitrogen, expressed as a percentage by weight, of the welded steel .
- the invention can also be transposed in the case where a steel part is welded with another steel part of different composition, and this taking into account the relative participation of each element to form the molten zone, c 'ie the coefficient of dilution.
- c 'ie the coefficient of dilution the coefficient of dilution.
- the same remark also applies in the case of welding with metallic filler, the composition and dilution coefficient of which must be taken into account, in order to assess the composition of the molten area.
- the transition temperature determined from impact tensile tests on notched cylindrical specimens of 4mm in diameter, is of -120 ° C., which translates an excellent toughness and a high resistance to brittle fracture of the tubes manufactured under these conditions by LASER welding. Thanks to the invention, the production of welded structures with high energy density is therefore carried out economically, without the need for expensive addition elements.
- the invention makes it possible to choose the assembly conditions so as to meet the security requirements with respect to the risk of sudden rupture.
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Abstract
L'invention décrit un objet comprenant au moins une partie en acier dont la composition comprend, les teneurs étant exprimées en poids, du carbone en teneur comprise entre 0,005 et 0,27 %, du manganèse entre 0,5 et 1,6 %, du silicium entre 0,1 et 0,4 %, du chrome en teneur inférieure à 2,5 %, du Mo en teneur inférieure à 1 %, éventuellement un ou plusieurs éléments choisis parmi le nickel, le cuivre, l'aluminium, le niobium, le vanadium, le titane, le bore, le zirconium, l'azote, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, ladite partie en acier comportant au moins une zone soudée par faisceau à haute densité d'énergie, caractérisé en ce que ladite zone soudée présente une microstructure constituée de 60 à 75 % de martensite auto-revenue et, en complément, de 40 à 25 % de bainite inférieure, et préférentiellement 60 à 70 % de martensite auto-revenue et, en complément, de 40 à 30 % de bainite inférieure.
Description
OBJET COMPRENANT UNE PARTIE EN ACIER DE CONSTRUCTION METALLIQUE , CETTE PARTIE COMPORTANT UNE ZONE SOUDEE A L ' AIDE D ' UN FAISCEAU A HAUTE DENSITE D ' ENERGIE ET PRESENTANT UNE EXELLENTE TENACITE DANS LA ZONE FONDUE ,- METHODE DE FABRICATION DE CET OBJET
La présente invention concerne les constructions métalliques en acier souciées par faisceau à haute densité d'énergie, et plus particulièrement
10 celles où un niveau de ténacité minimal est requis dans la zone fondue afin de se prémunir du risque de rupture brutale.
L'assemblage par faisceau à haute densité d'énergie, tel que Ie LASER ou le faisceau d'électrons, de tôles d'acier laminées à chaud et de plaques s'est particulièrement développé au cours de ces vingt dernières années en raison
15 de certaines caractéristiques spécifiques : on mentionnera par exemple les très faibles déformations des assemblages, la grande précision de positionnement du faisceau et la possibilité de ne fondre que la quantité de matière strictement nécessaire, l'aspect des cordons ne nécessitant pas de parachèvement, et la possibilité de s'affranchir de traitements de détente.
20 Parmi les domaines d'applications de ces procédés, on citera notamment la construction navale, les matériels de travaux publics, l'automobile, les tubes pour le transport de gaz naturel, de pétrole brut. Pour certaines applications, en particulier celles dont les épaisseurs, les limites d'élasticité mises en jeu ou les contraintes de service sont les plus importantes, on exige des
25 garanties de ténacité de façon à se prémunir du risque de rupture brutale.
Cette éventualité est d'autant plus à prendre en compte que l'assemblage par faisceau à haute densité d'énergie peut générer des défauts tels que microporosités ou retassures susceptibles d'amorcer une rupture fragile. Il convient donc que les zones soudées présentent la ténacité la plus élevée possible
30 pour se prémunir de tout risque.
Différentes méthodes ont été proposées afin d'obtenir une ténacité élevée dans la zone fondue : Se fondant sur la constatation que des structures tenaces de ferrite aciculaire sont obtenues par germination sur des inclusions non-métalliques, on a cherché à introduire ce type de particules
35 dans la zone fondue, par exemple au moyen d'un dépôt préalable, comme l'indique le document JP n°2000288754. Cette méthode présente cependant différents inconvénients : la dispersion des oxydes au sein de la zone fondue
peut ne pas être uniforme, ce qui conduit à une dispersion des propriétés mécaniques au sein de cette zone. De plus, l'augmentation de la fraction inclusionnaire se traduit par une baisse du niveau ductile.
Dans le même but, on a également cherché à contrôler le rapport entre les teneurs en aluminium et en oxygène de façon à favoriser la formation d'inclusions de nature favorable à la germination de ferrite aciculaire. Partant d'acier calmé aluminium, cette méthode nécessite cependant une augmentation de la teneur en oxygène dans la zone fondue, ce qui conduit aux inconvénients ci-dessus. De plus, en soudage LASER, les conditions cinétiques de la formation de ces structures de ferrite aciculaire souhaitées ne sont pas nécessairement compatibles avec les impératifs de productivité et donc de vitesse de refroidissement après soudage.
On a également proposé d'accroître la ténacité des zones fondues par une addition de nickel (élément gammagène abaissant la température de transformation γ-α), ou d'alliage de nickel, de façon à ce que la teneur pondérale de la zone fondue en cet élément soit comprise entre 0,5 et quelques pour cents. Le document US n°4527040 décrit par exemple l'apport d'un alliage de nickel sous forme d'insert de 0,1 mm d'épaisseur avant assemblage par LASER. Cette méthode accroît cependant les difficultés de positionnement du faisceau par rapport au plan de joint et les risques d'apparition de défauts, éventuellement de corrosion.
Il existe donc un besoin de disposer d'assemblages d'aciers soudés avec des procédés à haute densité d'énergie, qui présentent toute garantie de ténacité en zone fondue, sans dispersion excessive des caractéristiques mécaniques, et de disposer d'une méthode de fabrication économique de ces assemblages ne comportant pas les inconvénients évoqués ci-dessus.
La présente invention a pour but de mettre à disposition de tels assemblages soudés et une méthode pour obtenir de tels assemblages à partir d'aciers de construction métallique.
A cet effet, un premier objet de l'invention est constitué par un objet comprenant au moins une partie en acier dont la composition comprend, les teneurs étant exprimées en poids, du carbone en teneur comprise entre 0,005 et 0,27%, du manganèse entre 0,5 et 1 ,6%, du silicium entre 0,1 et 0,4%, du chrome en teneur inférieure à 2,5%, du Mo en teneur inférieure à 1%, éventuellement un ou plusieurs éléments choisis parmi le nickel, le cuivre, l'aluminium, le niobium, le vanadium, le titane, le bore, le zirconium, l'azote, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. La
partie en acier comporte au moins une zone fondue par faisceau à haute densité d'énergie avec une microstructure constituée de 60 à 75% de martensite auto-revenue et, en complément, de 40 à 25% de bainite inférieure, et préférentiellement 60 à 70% de martensite auto-revenue et, en complément, de 40 à 30% de bainite inférieure.
Avantageusement, l'objet est un tube en acier comprenant au moins un tronçon présentant une zone soudée dans le sens longitudinal ou transverse. Avantageusement encore, l'objet est constitué d'au moins deux tôles laminées ou forgées à chaud d'acier de composition identique ou différente, d'épaisseur identique ou différente, soudées entre elles.
Préférentiellement, le faisceau à haute densité d'énergie est un faisceau
LASER.
Préférentiellement encore, le faisceau à haute densité d'énergie est un faisceau d'électrons.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un des objets précédents, comprenant les étapes consistant à :
- approvisionner un objet comprenant au moins une partie en acier dont la composition comprend les teneurs étant exprimées en poids, du carbone en teneur comprise entre 0,005 et 0,27%, du manganèse entre 0,5 et 1 ,6%, du silicium entre 0,1 et 0,4%, du chrome en teneur inférieure à 2,5%, du Mo en teneur inférieure à 1%, éventuellement un ou plusieurs éléments choisis parmi le nickel, le cuivre, l'aluminium, le niobium, le vanadium, le titane, le bore, le zirconium, l'azote, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration,
- souder par un procédé à haute densité d'énergie la partie en acier avec une pièce d'acier de composition identique ou différente, faisant déjà partie ou non de l'objet,
- la puissance de soudage, la vitesse de soudage, les moyens d'un éventuel pré ou post-chauffage ou de refroidissement, étant choisis de telle sorte que l'on obtienne une zone fondue avec une microstructure constituée de 60 à 75% de martensite auto-revenue et , en complément, de 40 à 25% de bainite inférieure, préférentiellement 60 à 70% de martensite auto-revenue et , en complément, de 40 à 30% de bainite inférieure.
- Selon une caractéristique du procédé, la teneur en azote de la zone fondue est inférieure ou égale à 0,020%, la puissance de soudage, la vitesse de soudage, les moyens d'un éventuel pré ou post-chauffage ou de
refroidissement, sont choisis de telle sorte que la zone fondue refroidisse selon un paramètre Δ/5 8 0°0° tel que :
ΔtB exp °'75 Ln < ΔtB/ Δt M) <( fa™ )≤ ΔtB exp" °'6 Ln < ΔtB/ Δt M>
et préférentiellement : ΔtB exp- °-7 Ln ( ΔtB/ Δt M) <( fa™ )< ΔtB exp °-6 Ln ( ΔtB/ Δt M) Δt5 8oo exprimé en secondes désignant le temps s'écoulant entre la température de 8000C et la température de 5000C lors du refroidissement après soudage de ladite zone soudée,
avec : ΔtB= exp (6-2 CE II + 0'74),
ΔtM= exp (10-6 CE | -4-8>
CE, = C+Mn/6+ Si/24 +Mo/4+ Ni/12+ Cu/15+ (Cr(1-0,16-v/Cr )/8)+f(B)
CE,, = C+Mn/3,6+ Cu/20 +Ni/9+ Cr/5+ Mo/4,
Avec : f(B)=O, si B<0,0001 %
f(B)= (0,03-1 ,5N) si 0,0001 %<B<0,00025%
f(B)=(0,06-3N) si 0,00025%<B<0,0004%
f(B)=(0,09-4,5N) si B≥0,0004%,
C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B et N désignant respectivement les teneurs en carbone, manganèse, silicium, molybdène, nickel, cuivre, chrome, bore et azote, exprimées en pourcentage pondéral, de ladite zone fondue.
Selon une autre caractéristique du procédé, le soudage est effectué par faisceau LASER d'une manière homogène et autogène, la teneur en azote de l'acier est inférieure ou égale à 0,020%, et la puissance de soudage, la vitesse de soudage, les moyens d'un éventuel pré ou post- chauffage ou de refroidissement, sont choisis de telle sorte que la zone fondue refroidisse selon un paramètre At^ tel que :
ΔtB exp- °'75 Ln ( ΔtB/ Δt M) <( fa™ )≤ ΔtB eχP" °'6 Ln ( AtB/ Δt M)
et préférentiellement : ΔtB exp" °-7 Ln ( ΔtB/ Δt M) <( fa™ )< ΔtB exp" °'6 Ln ( ΔtB/ Δt M) At™ , exprimé en secondes, désignant le temps s'écoulant entre 800 et
5000C lors du refroidissement après soudage de la zone fondue, avec : ΔtB= exp <6 2 CE » + °-74>,
ΔtM= exp (10-6 CE l -4'8>
CE, = C+Mn/6+ Si/24 +Mo/4+ Ni/12+ Cu/15+ (Cr(1-0,16VCr )/8)+f(B)
CE1, = C+Mn/3,6+ Cu/20 +Ni/9+ Cr/5+ Mo/4,
avec : f(B)=O, si B<0,0001 %
f(B)= (0,03-1 ,5N) si 0,0001 %<B<0,00025%
f(B)=(0,06-3N) si 0,00025%<B<0,0004%
f(B)=(0,09-4,5N) si B>0,0004%,
C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B, N désignant respectivement les teneurs en carbone, manganèse, silicium, molybdène, nickel, cuivre, chrome, bore et azote, exprimées en pourcentage pondéral, de l'acier soudé.
Selon une autre caractéristique du procédé, le soudage est effectué par faisceau d'électrons d'une manière autogène et homogène, la teneur en azote de l'acier est inférieure ou égale à 0,022%, la puissance de soudage, la vitesse de soudage, les moyens d'un éventuel pré ou post-chauffage ou de refroidissement, sont choisis de telle sorte que la zone fondue par le faisceau d'électrons refroidisse selon un paramètre At^ tel que :
ΔtB exp- 0-75 Ln ( ΔfB/ Δt M) <(Δθ≤ ΔtB exp- °-6 Lπ <ΔtB/ Λt M)
et préférentiellement : ΔtB exp" 0J Ln ( ΔtB/ Δt M> <( fa™ )< ΔtB exp °'6 Ln ( ΔtB/ Δt M> Δt5 8°o , exprimé en secondes, désignant le temps s'écoulant entre 800 et
5000C lors du refroidissement après soudage de ladite zone fondue, avec : ΔtB= exp <6-2 CE » + °>74\
ΔtM= exp (10'6 CE | -4'8)
CE, = C+Mn/6,67+ Si/24 +Mo/4+ Ni/12+ Cu/15+ (Cr(I-0, 16-VCr )/8)+f(B)
CE,, = C+Mn/4+ Cu/20 +Ni/9+ Cr/5+ Mo/4,
Avec : f(B)=O, si B<0,0001 %
f(B)= (0,03-1 ,35N) si 0,0001 %<B<0,00025%
f(B)=(0,06-2,7N) si 0,00025%<B<0,0004%
f(B)=(0,09-4,05N) si B≥O.0004%,
C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B, N désignant respectivement les teneurs en carbone, manganèse, silicium, molybdène, nickel, cuivre chrome, bore, et azote, exprimées en pourcentage pondéral, de l'acier soudé.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, on soude la partie en acier avec une pièce d'acier de composition identique ou différente, d'épaisseur identique ou différente, faisant partie ou non dudit objet, en utilisant un produit d'apport métallique
L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise, mais non limitative, en se rapportant aux figures annexées dans lesquelles :
- La figure 1 illustre la comparaison de la dureté de la Zone Affectée par la Chaleur avec celle de la zone fondue en soudage LASER et en soudage par faisceau d'électrons d'aciers de construction métallique.
- La figure 2 présente la comparaison de la température de transition Charpy V au niveau 28 Joules (TK2Sj) de la Zone Affectée par la chaleur avec celle de la zone fondue en soudage LASER et par faisceau d'électrons d'aciers de construction métallique.
- La figure 3 illustre une évolution typique de la température de transition ductile-fragile et de la dureté en Zone Affectée par la Chaleur d'un acier de construction métallique, en fonction de la vitesse de refroidissement.
- Les figures 4 et 5 illustrent l'influence de la quantité de martensite autorevenue sur la ténacité en zone fondue en soudage LASER et en soudage par faisceau d'électrons respectivement.
La figure 6 indique la modification de la teneur en azote dans la zone fondue par rapport à celle du métal de base lors du soudage par faisceau d'électrons.
Dans les assemblages obtenus par soudage LASER ou par faisceau d'électrons, la partie soudée est constituée de deux zones distinctes :
- La zone fondue, qui correspond à une zone passée par l'état liquide lors du soudage, c'est à dire celle où la température a été supérieure à celle du liquidus du matériau soudé.
- La Zone Affectée par la Chaleur (ou « ZAC »), qui peut englober au sens large toutes les zones ayant subi une transformation allotropique lors du soudage. Par la suite, on réservera ici ce terme de ZAC aux parties de l'assemblage demeurant à l'état solide portées aux plus hautes températures lors du soudage qui sont le siège d'un grossissement plus important du grain austénitique. Ces zones, très souvent les plus critiques du point de vue de la ténacité, correspondent à des températures maximales supérieures à 1200- 13000C.
En se plaçant dans le cas d'un soudage autogène (c'est à dire sans matériau d'apport) et homogène (soudure effectuée entre deux parties ayant une composition chimique identique), on a mis en évidence pour une large gamme de compositions d'aciers de construction métallique, de teneur en carbone allant de 0,005% C à 0,27%C en poids, en manganèse allant de 0,5 à 1 ,6%, en Si allant de 0,1 à 0,4%, en Cr jusqu'à 2,5%, en Mo jusqu'à 1% que les propriétés mécaniques de la zone fondue et de la ZAC sont très voisines : Ainsi, la figure 1 indique que la dureté en soudage LASER et en soudage par faisceau d'électrons, sont très similaires dans ces deux zones. Cette similarité s'applique également aux propriétés de ténacité, comme le montre la figure 2, qui compare la température de transition Charpy V au niveau 28 Joules de la Zone Affectée par la chaleur avec celle de la zone fondue pour les deux types de soudage utilisant des faisceaux à haute densité d'énergie. Les microstructures de ces deux zones sont elles aussi très semblables.
En d'autres termes, sous réserve que leur composition soit similaire, la zone fondue à haute densité d'énergie peut être assimilable à une ZAC de grande largeur du point de vue des propriétés mécaniques. Ceci indique que les moyens d'amélioration de la ténacité en zone fondue LASER peuvent se baser sur l'expérience acquise antérieurement dans le domaine des ZAC. A ce titre, la figure 3 présente un exemple typique de l'évolution de la dureté et de la température de transition ductile-fragile de la ZAC d'un acier de construction métallique à 0,04%C, 1 ,3%Mn en fonction de la vitesse de refroidissement après soudage. Cette vitesse est ici caractérisée par A/°°o , paramètre qui désigne le temps qui s'écoule entre le passage à la température de 8000C et à la température de 5000C lors du refroidissement en soudage. Il existe une plage de vitesse de refroidissement (située pour cette composition d'acier vers ^500 »1-2s), pour laquelle la ténacité est optimale. Pour des vitesses de refroidissement beaucoup plus rapides, on assiste à la formation de martensite non revenue (« fresh martensite »), dont les propriétés sont inférieures. A l'opposé, une diminution de la vitesse de refroidissement aboutit à la formation de bainite supérieure ou de structures ferritiques grossières, également moins tenaces. Les microstructures correspondant à l'optimum de ténacité sont constituées pour partie de martensite auto-revenue, le revenu étant dû au cycle de soudage lui-même, et pour partie de bainite inférieure. La structure auto-revenue est caractérisée par la présence de fins carbures précipités dans les lattes de martensite. Ces structures optimales du point de vue de la ténacité se situent vers la fin du domaine d'apparition martensitique, c'est à dire correspondent au début de la diminution de la dureté à partir d'un « plateau » sensiblement horizontal correspondant à la dureté de la martensite, lorsque ^500 augmente.
Selon l'invention, on a mis en évidence, comme le montre la figure 4, qu'une proportion de martensite autorevenue comprise entre 60 et 75 %, associée en complément à une proportion de bainite inférieure comprise entre 40 et 25%, conduit à obtenir une excellente ténacité en zone fondue LASER. Lorsque la proportion de martensite est plus spécialement comprise entre 60 et 70% associée en complément à une proportion de bainite inférieure comprise entre 40 et 30%, la température de transition est inférieure à - 1000C, ce qui traduit un niveau de ténacité particulièrement élevé.
Une conclusion similaire peut être tirée de la figure 5, relative à des essais de soudage par faisceau d'électrons sur des aciers de construction métallique
dont la teneur en carbone est comprise entre 0,1 et 0,17%. Une proportion de 60 à 75% de martensite auto-revenue et, en complément, de 40 à 25% de bainite inférieure, est donc particulièrement favorable pour l'obtention de zones fondues d'excellente ténacité en soudage à haute densité d'énergie. A composition d'acier donnée, parmi les différentes variables d'assemblage en soudage à haute densité d'énergie (puissance et vitesse de soudage, éventuel pré ou post-chauffage ou moyens de refroidissement), on choisira celles qui conduisent à une proportion de 60 à 75% de martensite en zone fondue, et préférentiellement de 60 à 70% , associée à un complément adéquat de bainite inférieure. Les relations entre la vitesse de refroidissement en soudage et la fraction de martensite vont être explicitées maintenant, en tenant compte de la similitude entre la ZAC et la zone fondue dans l'assemblage à haute densité d'énergie :
Dans le domaine des zones affectées par la chaleur, il est connu d'après la publication de « Métal Construction », avril 1987, pp. 217-223, que la proportion de martensite peut être évaluée par les expressions suivantes :
log— f
Fraction martensitique fM= ^
ter
log- ou, de manière équivalente :
M)
avec :
At f5 88Q0O0
f500 = Temps s'écoulant entre 800 et 5000C lors du refroidissement de la zone soudée après soudage,
ΔtM= Temps de refroidissement critique conduisant à 100% de martensite, ΔtB= Temps de refroidissement critique conduisant à 100% de bainite.
log et Ln désignant respectivement les logarithmes décimaux et Népériens Cette expression s'applique lorsque : Δtwi≤Δt8™ < ΔtB
Les temps critiques de refroidissement sont reliés à la composition chimique par les expressions suivantes :
ΔtB= exp <6-2 CE Il + 0'74),
ΔtM= exp (10-6 CE l -4-8) .
avec :
CE, = C+Mn/6+ Si/24 +Mo/4+ Ni/12+ Cu/15+ (Cr(1-0,16VCr )/8)+f(B)
CE,, = C+Mn/3,6+ Cu/20 +NÎ/9+ Cr/5+ Mo/4,
Avec : f(B)=O, si B<0,0001 %
f(B)= (0,03-1 ,5N) si 0,0001 %<B<0,00025%
f(B)=(0,06-3N) si 0,00025%<B<0,0004%
f(B)=(0,09-4,5N) si B>0,0004%,
ces expressions supposant que f(B)>0, c'est à dire que N≤0,020%.
C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B et N désignent respectivement les teneurs en carbone, manganèse, silicium, molybdène, nickel, cuivre, chrome, bore et azote, exprimées en pourcentage pondéral, de l'acier.
Or, comme on l'a montré précédemment, la similarité de la ZAC et de la zone fondue en soudage homogène et autogène à haute densité d'énergie indique que les formulations précédentes valables pour la ZAC sont également applicables à la zone fondue.
Selon l'invention, dans la zone fondue, une teneur en martensite comprise entre 60 et 75%, préférentiellement entre 60 et 70%, associée à un complément en bainite inférieure conduit à obtenir une excellente ténacité. Ceci est obtenu si le paramètre de refroidissement obéit à l'expression suivante :
ΔtB exp" °-75 Ln ( ΔtB/ Δt M) <( ΔCo )≤ ΔtB eχP" °'6 Ln ( ΔtB/ M M)
et de préférence :
Δte exp- α7 Ln ( ΔtB/ Δt M) <(
)≤ ΔtB eχP" °'6 Ln ( ΔtB/ At M)
Selon le procédé à haute densité d'énergie utilisé, deux cas sont à distinguer :
- Dans le cas de soudage LASER homogène et autogène, la composition de la zone fondue est pratiquement identique à celle du métal de base. Les expressions mentionnées ci-dessus, relatives à la composition élémentaire de la zone fondue, s'appliquent également à la composition du métal de base, c'est à dire à la composition de l'acier à partir duquel on réalise l'assemblage.
- Dans le cas de soudage par faisceau d'électrons homogène et autogène, on a observé une modification de la composition de la zone fondue par rapport au métal de base : La teneur en azote est abaissée en moyenne d'environ 10%, comme l'indique la figure 6, par la suite de la faible pression partielle au-dessus du métal liquide. D'autre part, on observe également une réduction moyenne de 10% de la teneur initiale du manganèse, élément possédant une tension de vapeur élevée. A partir des teneurs initiales en N et en Mn dans le métal de base, les teneurs en
N et en Mn dans la zone fondue sont respectivement égales à 0,9C et 0,9Mn. Dans ces conditions, les expressions précédentes deviennent
- ΔtB= exp (6-2 CE II + 0Λ
ΔtM= exp (10-6 CE l-4'8)
CEi = C+Mn/6,67+ Si/24 +Mo/4+ NÏ/12+ Cu/15+ (Cr(I-O1IeVO7 )/8)+f(B)
CEn = C+Mn/4+ Cu/20 +Ni/9+ Cr/5+ Mo/4,
Avec : f(B)=0, si B≤O.0001 %
f(B)= (0,03-1 ,35N) si 0,0001 %<B<0,00025%
f(B)=(0,06-2,7N) si 0,00025%<B<0,0004%
f(B)=(0,09-4,05N) si B>0,0004%,
ces expressions supposant que f(B)>0, c'est-à-dire que N<0,022%.
C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B et N désignent respectivement les teneurs en carbone, manganèse, silicium, molybdène, nickel, cuivre, chrome, bore et azote, exprimées en pourcentage pondéral, de l'acier soudé.
Naturellement, l'invention peut être également transposée au cas où l'on soude une partie en acier avec une autre pièce d'acier de composition différente, et ceci en tenant compte de la participation relative de chaque élément pour former la zone fondue, c'est à dire du coefficient de dilution. La même remarque s'applique également au cas du soudage avec produit d'apport métallique, dont il convient de tenir compte de la composition et du coefficient de dilution, ceci afin d'évaluer la composition de la zone fondue.
La présente invention va être maintenant illustrée à partir de l'exemple suivant, relatif au soudage par faisceau LASER :
Un acier de 12 mm d'épaisseur utilisé pour la fabrication de tubes de limite d'élasticité supérieure à 400 MPa ayant la composition suivante :C=0,1%, Mn=1 ,45%, Si=0,35%, AI=0,030%, Nb=0,040%, N=0,004%, a été soudé en mode autogène par faisceau LASER sans métal d'apport avec des paramètres choisis de telle sorte que la vitesse de refroidissement Δ^°° soit égale à 1 ,7 s. Dans ces conditions, la fraction de martensite auto-revenue de la zone fondue calculée à partir de l'expression ci-dessus (cas du soudage homogène et autogène) est égale à 68%, très voisine de celle déterminée par observation métallographique, complétée par 32% de bainite inférieure. Ces conditions correspondent à celles de l'invention, qui sont associées à une ténacité optimale de la zone fondue : de fait, la température de transition, déterminée à partir d'essais de traction par choc sur éprouvettes cylindriques entaillées de 4mm de diamètre, est de -1200C, ce qui traduit une excellente ténacité et une grande résistance à la rupture fragile des tubes fabriqués dans ces conditions par soudage LASER.
Grâce à l'invention, on réalise donc la fabrication de structures soudées à haute densité d'énergie de manière économique, sans faire appel à des éléments d'addition coûteux. L'invention permet de choisir les conditions d'assemblage de façon à satisfaire aux exigences de sécurité vis-à-vis du risque de rupture brutale.
Claims
1. Objet comprenant au moins une partie en acier dont la composition comprend, les teneurs étant exprimées en poids, du carbone en teneur comprise entre 0,005 et 0,27%, du manganèse entre 0,5 et 1 ,6%, du silicium entre 0,1 et 0,4%, du chrome en teneur inférieure à 2,5%, du Mo en teneur inférieure à 1 %, éventuellement un ou plusieurs éléments choisis parmi le nickel, le cuivre, l'aluminium, le niobium, le vanadium, le titane, le bore, le zirconium, l'azote, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, ladite partie en acier comportant au moins une zone fondue par faisceau à haute densité d'énergie, caractérisé en ce que ladite zone fondue présente une microstructure constituée de 60 à 75% de martensite auto-revenue et, en complément, de 40 à 25% de bainite inférieure, et préférentiellement 60 à 70% de martensite auto-revenue et , en complément, de 40 à 30% de bainite inférieure.
2. Objet selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il s'agit d'un tube en acier, comprenant au moins un tronçon présentant une zone soudée dans le sens longitudinal ou transverse.
3. Objet selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins deux tôles laminées ou forgées à chaud d'acier de composition identique ou différente, d'épaisseur identique ou différente, soudées entre elles.
4. Objet selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit faisceau à haute densité d'énergie est un faisceau LASER
5. Objet selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit faisceau à haute densité d'énergie est un faisceau d'électrons
6. Procédé de fabrication d'un objet selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à :
- approvisionner un objet comprenant au moins une partie en acier dont la composition comprend les teneurs étant exprimées en poids, du carbone en teneur comprise entre 0,005 et 0,27%, du manganèse entre 0,5 et 1 ,6%, du silicium entre 0,1 et 0,4%, du chrome en teneur inférieure à 2,5%, du Mo en teneur inférieure à 1 %, éventuellement un ou plusieurs éléments choisis parmi le nickel, le cuivre, l'aluminium, le
niobium, le vanadium, le titane, le bore, le zirconium, l'azote, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration,
- souder par un procédé à haute densité d'énergie ladite partie en acier avec une pièce d'acier de composition identique ou différente, faisant déjà partie ou non dudit objet,
- la puissance de soudage, la vitesse de soudage, les moyens d'un éventuel pré ou post-chauffage ou de refroidissement, étant choisis de telle sorte que l'on obtienne une zone fondue avec une microstructure constituée de 60 à 75% de martensite auto-revenue et, en complément, de 40 à 25% de bainite inférieure, préférentiellement 60 à
70% de martensite auto-revenue et, en complément, de 40 à 30% de bainite inférieure.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en outre en ce que la teneur en azote de ladite zone fondue est inférieure ou égale à 0,020%, que la puissance de soudage, la vitesse de soudage, les moyens d'un éventuel pré ou post-chauffage ou de refroidissement, sont choisis de telle sorte que ladite zone fondue refroidisse selon un paramètre At^ tel que :
ΔtB exp °-75 Ln < ΔtB/ Δt M> <( ΔCo )≤ ΔtB eχP" °'6 Ln ( ΔtB/ Δt M)
et préférentiellement : ΔtB exp °-7 Ln ( ΔtB/ Δt M) <( fa™ )< ΔtB exp" °'6 Ln < ΔtB/ Δt M)
Δt|oo exprimé en secondes désignant le temps s'écoulant entre la température de 8000C et la température de 5000C lors du refroidissement après soudage de ladite zone soudée,
avec : ΔtB= exp (6-2 CE II + 0'74),
ΔtM= exp <10'6 CE | -4'8)
CE, = C+Mn/6+ Si/24 +Mo/4+ Ni/12+ Cu/15+ (Cr(1-0,16VCr )/8)+f(B)
CE,, = C+Mn/3,6+ Cu/20 +Ni/9+ Cr/5+ Mo/4,
Avec : f(B)=O, si B<0,0001 %
f(B)= (0,03-1 ,5N) si 0,0001 %<B<0,00025%
f(B)=(0,06-3N) si 0,00025%<B<0,0004%
f(B)=(0,09-4,5N) si B≥0,0004%,
C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B et N désignant respectivement les teneurs en carbone, manganèse, silicium, molybdène, nickel, cuivre, chrome, bore et azote, exprimées en pourcentage pondéral, de ladite zone fondue.
8 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit soudage est effectué par faisceau LASER d'une manière homogène et autogène, que la teneur en azote dudit acier est inférieure ou égale à 0,020%, et
que la puissance de soudage, la vitesse de soudage, les moyens d'un éventuel pré ou post-chauffage ou de refroidissement, sont choisis de telle sorte que ladite zone fondue refroidisse selon un paramètre At5 8 O0 0 tel que :
ΔtB exp °-75 Ln ( ΔtB/ Δt M) <( fa™ )≤ ΔtB e>Φ~ °'6 Ln ( ΔtB/ Δt M)
et préférentiellement : ΔtB exp- 0J Ln ( ΔtB/ Δt M)≤( fa™ )≤ ΔtB eχP" °'6 Ln ( ΔtB/ At M) Δt5 8oo » exprimé en secondes, désignant le temps s'écoulant entre 800 et
5000C lors du refroidissement après soudage de ladite zone fondue, avec : ΔtB≈ exp <6 2 CE " + °Λ
ΔtM= exp (10'6 CE | -4-8)
CE, = C+Mn/6+ Si/24 +Mo/4+ Ni/12+ Cu/15+ (Cr(1-0,16VCr )/8)+f(B)
CEn = C+Mn/3,6+ Cu/20 +Ni/9+ Cr/5+ Mo/4,
Avec : f(B)=O, si B<0,0001 %
f(B)= (0,03-1 ,5N) si 0,0001 %<B<0,00025%
f(B)=(0,06-3N) si 0,00025%<B<0,0004%
f(B)=(0,09-4,5N) si B>0,0004%,
C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B, N désignant respectivement les teneurs en carbone, manganèse, silicium, molybdène, nickel, cuivre, chrome, bore et azote, exprimées en pourcentage pondéral, de l'acier soudé.
9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit soudage est effectué par faisceau d'électrons, d'une manière autogène et homogène, que la teneur en azote dudit acier est inférieure ou égale à 0,022%, que la puissance de soudage, la vitesse de soudage, les moyens d'un éventuel pré ou post-chauffage ou de refroidissement, sont choisis de telle sorte que ladite zone fondue par le faisceau d'électrons refroidisse selon un paramètre Δt5 8o° tel que :
ΔtB exp- °-75 Ln ( ΔtB/ Δt M> <( fa™ )≤ ΔtB eχP" °'6 Ln ( ΔtB/ Δt M)
et préférentiellement : ΔtB exp °-7 Ln ( ΔtB/ Δt M) <( fa™ )≤ ΔtB exp" °-6 Ln ( ΔtB/ Δt M)
Δt8oo , exprimé en secondes, désignant le temps s'écoulant entre 800 et 5000C lors du refroidissement après soudage de ladite zone fondue, avec : ΔtB= exp <" CE " + °>74\
ΔtM= exp (10'6 CE | -4'8)
CE, = C+Mn/6,67+ Si/24 +Mo/4+ Ni/12+ Cu/15+ (Cr(1-0,16Λ/Cτ )/8)+f(B)
CE,, = C+Mn/4+ Cu/20 +Ni/9+ Cr/5+ Mo/4,
Avec : f(B)=O, si B<0,0001 %
f(B)= (0,03-1 ,35N) si 0,0001 %<B<0,00025%
f(B)=(0,06-2,7N) si 0,00025%<B<0,0004%
f(B)=(0,09-4,05N) si B≥O.0004%,
C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B, N désignant respectivement les teneurs en carbone, manganèse, silicium, molybdène, nickel, cuivre chrome, bore et azote, exprimées en pourcentage pondéral, de l'acier soudé.
10. Procédé de fabrication selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'on soude ladite partie en acier avec une pièce d'acier de composition identique ou différente, d'épaisseur identique ou différente, faisant partie ou non dudit objet, en utilisant un produit d'apport métallique
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