FR2955795A1 - Procede et consommables de soudage des aciers au nickel - Google Patents

Abstract

L'invention porte sur, d'une part, un fil de soudage à l'arc choisi parmi les fils fourrés et les fils massifs, ayant un diamètre externe compris entre 0.8 mm et 5 mm, lequel contient de 1.5 à 6% en poids de nickel et de 0.10 à 1% en poids de molybdène, par rapport au poids total du fil, et, d'autre part, sur une électrode enrobée formée d'une âme centrale d'acier ayant un diamètre compris entre 1,6 et 6 mm, et au moins partiellement recouverte d'un enrobage solide qui contient de 3 à 10% en poids de nickel et de 0.18 à 1.8% en poids de molybdène par rapport au poids total de l'enrobage. Ce fil et cette électrode enrobée sont adaptés au soudage des aciers faiblement alliés au nickel, notamment ceux utilisés dans la fabrication de cuves, récipients, conteneurs ou tubes.

Description

La présente invention concerne le domaine du soudage à l'arc des aciers contenant du nickel, typiquement des aciers au nickel faiblement alliés, en particulier des aciers à 3.5% de nickel des grades 12Ni14 selon la norme EN10028-4 ou ASTM A203, les grades A352 et A508 grade 4N et grade 5. L'addition de nickel dans un acier faiblement allié, c'est-à-dire contenant typiquement moins de 5% en poids du (des) métal d'alliage considéré, permet un abaissement de sa température de service, ce qui explique que de tels aciers soient particulièrement utilisés pour les technologies fonctionnant à basses températures, notamment dans le domaine cryogénique. Ainsi, les aciers faiblement alliés par du nickel, tout particulièrement ceux contenant environ 3.5% de nickel (% en poids), sont largement utilisés en production de gaz naturel ou pour la réalisation d'usines de liquéfaction de gaz. Par exemple, on peut utiliser de tels aciers au nickel pour fabriquer tout ou partie de récipients à pression, d'échangeurs de chaleur ou de refroidisseurs à air. De même, ces aciers sont utilisables pour opérer le stockage, le transport (camions, bateaux..) et la logistique de distribution de ces produits, via des tubes ou autres pipelines, ou encore pour la construction de citernes cylindriques extérieures, enterrées ou immergées. Bien qu'actuellement ces types d'aciers au nickel soient essentiellement destinés au stockage ou au transport de liquides cryogéniques ou de gaz sous pression, d'autres procédés industriels peuvent aussi être concernés par l'utilisation de tels aciers, notamment dans le domaine de la chimie, du médical, de la pétrochimie, de la marine militaire, de l'agro-alimentaire, de la production de verre ou des industries électroniques. Cependant, le soudage d'un acier au nickel n'est pas chose aisée lorsque l'on souhaite obtenir des joints soudés présentant dans la zone affectée thermiquement comme dans le métal fondu, des propriétés mécaniques, en particulier des propriétés de ténacité, comparables à celles du métal de base. En effet, on doit tout d'abord veiller au bon équilibrage chimique du métal déposé en certains éléments, tel le carbone, le silicium, le manganèse et le nickel mais en garantissant, par ailleurs, un haut niveau de pureté de la soudure obtenue afin d'éviter la formation de phases fragiles, tels des carbonitrures par exemple ou encore des phases riches en soufre et/ou en phosphore résultant de la ségrégation de ces éléments lors de la solidification.

Par ailleurs, les aciers à 3.5% de nickel entrent dans la catégorie des aciers faiblement alliés «5% en poids d'élément d'alliage), ce qui implique qu'ils présentent une forte trempabilité. C'est la raison pour laquelle les conditions de soudage, notamment l'énergie et la température entre les différentes passes de soudage pour une configuration donnée d'assemblage, doivent permettre d'obtenir un temps de refroidissement de 800 à 500° C, ni trop rapide car on aurait alors la formation d'une structure martensitique fragile et on risquerait la formation de fissuration à froid, ni trop lent car sinon la soudure ne présenterait pas une ténacité suffisante à basse température. D'autre part, lors de la réalisation de soudures multi passes, le rapport entre le volume des zones ayant été recuites par l'exécution des passes ultérieures et celui des zones ayant conservées une structure brute de solidification joue un rôle important sur le niveau des résiliences, ce qui impose certaines contraintes sur le choix des paramètres de soudage indépendamment de considérations énergétiques de manière à maximiser ce rapport. Enfin, pour un certain nombre d'application, en particulier celles pour lesquelles on exige une ténacité satisfaisante à des températures aussi basse que -100 °C par exemple ou encore lorsque que l'épaisseur soudée est très importante, par exemple supérieure à 50 mm, un traitement post soudage de détensionnement s'imposera. Il faudra donc que la composition chimique de ces aciers et du joint soudé permette d'éviter tout type de fragilisation durant cette opération.

Le soudage de ces aciers au nickel nécessite donc une surveillance particulière d'une bonne application des conditions opératoires permettant de garantir les niveaux de propriétés mécaniques et de résiliences requis. Ceci ne peut se faire que grâce à un contrôle étroit de l'ensemble des paramètres qui mettent en oeuvre des consommables de soudage, ce qui est loin d'être chose aisée.

Au vu de cela, le problème qui se pose est de pouvoir souder efficacement un acier au nickel de manière à obtenir d'excellents niveaux de résilience à basse température, c'est à dire d'au moins 27 J à environ -101°C, et de résistance mécanique à l'état brut de soudage et après un traitement thermique de détensionnement, c'est-à-dire d'une limite d'élasticité supérieure à 500 MPa, de manière à offrir une plus grande souplesse opératoire, lors de la construction d'une structure soudée en un tel acier au nickel. Dit autrement, le problème à résoudre est de proposer des produits consommables de soudage et des procédés de soudage les mettant en oeuvre permettant de souder efficacement les aciers faiblement alliés par du nickel, en particulier ceux à 3,5% de nickel, de manière à obtenir des joints soudés présentant les propriétés de résilience et de résistance mécanique susmentionnées. La solution de la présente invention repose sur des consommables de soudage, notamment des fils fourrés et massifs, et des électrodes de soudage, ainsi que sur des procédés de soudage les utilisant spécialement adaptés à un soudage efficace des aciers au nickel, de manière à pouvoir obtenir une composition de métal déposé, c'est-à-dire de joint de soudage, présentant de bonnes propriétés de résilience et de résistance mécanique, notamment applicables à la fabrication de cuves ou de tout autre récipient de stockage et/ou de transport de produits.

La présente invention concerne donc le soudage des aciers au nickel, en particulier de ceux à environ 3.5% de nickel (% en poids), au moyen de consommables fusibles, en particulier des fils fourrés de soudage sous flux gazeux ou à l'arc submergé et des électrodes enrobées, conduisant à des joints de soudure présentant une résistance mécanique au moins égale à celle de l'acier de base et de bonnes caractéristiques de résilience à basse température. De manière surprenante, il est apparu aux inventeurs de la présente invention que l'addition de l'élément molybdène dans le métal d'apport, c'est-à-dire dans le consommable fusible, qui est transféré dans le métal fondu est particulièrement importante et conduit à une amélioration notable des valeurs de résiliences à basse température, c'est-à-dire à dire à des températures pouvant atteindre -60°C à -100°C, tout en maintenant le niveau de caractéristiques mécaniques autant à l'état brut de soudage qu'après traitement de détensionnement ou de revenu. De là, selon un premier aspect, la présente invention concerne un fil de soudage à l'arc choisi parmi les fils fourrés et les fils massifs, ayant un diamètre externe compris entre 0,8 et 5 mm, caractérisé en ce qu'il contient de 1.5 à 6% en poids de nickel et de 0.10 à 1% en poids de molybdène, par rapport au poids total du fil. Dans le cadre de l'invention, le molybdène est l'élément chimique de symbole Mo, de numéro atomique 42 et de masse atomique 96. La proportion de molybdène correspond à la quantité pondérale de molybdène amené par le consommable pris dans sa globalité, par exemple le molybdène provenant de l'enveloppe et des différentes matières premières présentes dans le fourrage d'un fil fourré, par exemple sous forme de molybdène métal, Fe- Mo ou de tout autre ferroalliage contenant du molybdène. Sauf indication différente, la proportion de molybdène est exprimée en pourcentage (%) en poids de molybdène par rapport au poids total du consommable considéré. Selon le cas, le fil de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - il est un fil fourré comportant une enveloppe externe en acier ou feuillard contenant des éléments de remplissage, le molybdène et le nickel étant contenus dans l'enveloppe, dans les éléments de remplissage, ou dans les deux. De préférence, une enveloppe en acier ferritique. - il est un fil massif formé d'un corps en acier contenant le nickel et le molybdène. - il contient au moins 2% en poids de nickel et/ou au plus 5% en poids de nickel, de préférence au moins 2,5% en poids de nickel et/ou au plus 4% en poids de nickel. - il contient au moins 0,15% en poids de molybdène et/ou au plus 0,80% en poids de molybdène. - il contient au moins 0,2% en poids de molybdène et/ou au plus 0,65% en poids de 15 molybdène. - il contient du Ni ou du Mo sous forme de métal ou d'un alliage Fe-Mo. - il contient au moins un élément d'alliage contenant du nickel et/ou du molybdène. - les éléments de remplissage représentent de 9 à 22 % de la masse totale du fil, de préférence de 10 à 20%. 20 - il contient, en outre, de 0.020 à 0.100% de carbone, de 0.10 à 0.80% de silicium, de 0.2 à 1.5% de manganèse, de 0.001 à 0.10% de chrome, de 0.001 à 0.020% de soufre, de 0.001 à 0.020% de phosphore, de 0.001 à 0.010% d'étain, de 0.001 à 0.010% d'antimoine et/ou de 0.001 à 0.010% d'arsenic. - il est de forme tubulaire. 25 - la surface du fil comporte éventuellement un revêtement d'un métal protecteur du type cuivre ou nickel. - les éléments de remplissage contiennent un ou plusieurs éléments choisis parmi la poudre de fer, des éléments désoxydants tel que le Mn, Fe-Mn, Fe-Si, Si-Mn, Si-Ca, Fe-Si-Zr, Fe-Si-Ti, Fe-Ti, Al, Al-Mg, Mg et /ou le spath fluor, les éléments d'alliage, par exemple 30 du nickel et du molybdène. Les différents éléments de remplissage peuvent se trouver sous forme d'un mélange homogène de poudres sèches ou agglomérés entre eux à l'aide d'un liant, par exemple des silicates alcalins en solution aqueuse du type Na, K et/ou Li. - il contient, en outre, de 0.020 à 0.100% de carbone, de 0.10 à 0.80% de silicium, de 0.5 à 1.5% de manganèse, de 0.001 à 0.150% de chrome, de 0.001 à 0.025 de soufre, de 0.001 à 0.025 de phosphore, de 0.001 à 0.010 d'étain, de 0.001 à 0.010 d'antimoine et/ou de 0.001 à 0.010 d'arsenic. - pour améliorer le transfert de métal et donc réduire la quantité de projections, le fil peut contenir aussi au moins un agent stabilisateur d'arc du type Na, K et Li, par exemple des carbonates ou des fluorures du type Na, K et/ou Li. - le fil est un fil fourré de soudage à l'arc sous flux solide, en particulier de soudage à l'arc submergé (AS), ayant un diamètre externe compris entre 1.6 mm et 5 mm, de 10 préférence entre 2.4 et 3.2 mm. - le fil est un fil fourré de soudage à l'arc sous flux gazeux, en particulier de soudage MIG, MAG ou TIG, ayant un diamètre externe compris entre 0.8 mm et 2.4 mm, de préférence entre 1.2 et 2 mm. - il peut en outre comporter des éléments formateurs de laitier et /ou de gaz de 15 protection comme des carbonates de calcium - il contient du spath-fluor en une quantité suffisante pour assurer à la fois une formation du laitier et un rôle de désoxydant. - le fil est un fil massif ayant un diamètre compris entre 1.2 et 4 mm. - le fil massif est utilisable en soudage à l'arc sous flux solide, notamment en soudage 20 AS, ou sous flux gazeux, en particulier dans les procédés de soudage MIG, MAG et TIG. Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne une électrode enrobée formée d'une âme centrale d'acier de diamètre compris entre 1,6 et 6 mm, et au moins partiellement recouverte d'un enrobage solide, caractérisé en ce l'enrobage contient de 3 à 10% en poids de nickel et de 0.18 à 1.8% en poids de molybdène par rapport au poids total 25 de l'enrobage. Selon le cas, l'électrode enrobée de l'invention comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'enrobage contient plus de 4% en poids de nickel, de préférence plus de 5% en poids de nickel. 30 - l'enrobage contient moins de 9% en poids de nickel, de préférence moins de 8% en poids de nickel. - l'enrobage contient plus de 0.25% en poids de molybdène, de préférence plus de 0.35% en poids de molybdène - l'enrobage contient moins de 1,4% en poids de molybdène, de préférence moins de 1,1% en poids de molybdène - l'enrobage contient au moins un composé de molybdène, par exemple du molybdène métal ou du Fe-Mo. - l'âme centrale est en acier ferritique. - le diamètre de l'âme est compris entre 2 et 5.5 mm, de préférence compris entre 2.5 et 5 mm. - l'enrobage contient des éléments formateurs de laitier, par exemple du spath fluor, un ou des carbonates de calcium, un ou des feldspath de Na et/ou K, un ou des titanates de 10 Na et/ou K. - au moins un agent de filage par exemple des alginates de Na, Ca ou K. - l'enrobage comprend un ou plusieurs éléments métalliques sous forme de ferroalliages ou d'éléments seuls représentant environ de 20 à 55% en poids de l'enrobage. Les éléments métalliques sont choisis parmi le manganèse, le fer, le silicium, le nickel et le 15 molybdène. Le Tableau I ci-après donne une composition possible des principaux éléments contenus dans l'enrobage d'une électrode enrobée selon l'invention (en % en poids dans l'enrobage). Tableau I Eléments % Fe 24.5 Mn 2 Si 2 Ni 6 Mo 0.6 SiO2 9.1 TiO2 1.5 CaO 16 CaF2 20 CO2 12.5 Na2O 0.8 K2O 2.5 Al2O3 1.1 MgO 0.4 Selon un troisième aspect, l'invention porte aussi sur un procédé de soudage à l'arc électrique avec protection sous flux gazeux de type MIG, MAG ou TIG, à l'électrode enrobée ou sous flux solide, c'est-à-dire à arc submergé ou AS. Dit autrement, l'invention porte également sur un procédé de soudage à l'arc d'une ou plusieurs pièces en acier au nickel, dans lequel on opère une fusion d'un fil ou d'une électrode selon l'invention de manière à réaliser un joint de soudure sur la ou lesdites pièces en acier au nickel. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la ou les pièces sont en un acier contenant de 1 à 5% en poids de nickel, en particulier en un acier à environ 3.5% de nickel. - on réalise une soudure en multi-passe et/ou multi-couche. - on réalise une soudure sur un chanfrein de type " joint étroit". - la ou les pièces à souder forment tout ou partie d'un récipient de stockage ou de 15 transport. Plus précisément, en soudage MIG, MAG ou TIG, le flux gazeux de protection utilisé durant le soudage est formé d'un ou plusieurs gaz inertes, tel l'argon, l'azote ou l'hélium, éventuellement additionnés d'un ou plusieurs gaz oxydants, tel que CO2 ou 02, ou réducteurs, tel que H2, et sert à protéger la zone de soudage de l'air ambiant pendant la 20 réalisation du joint de soudure par fusion d'un fil de soudage selon l'invention. Par ailleurs, en soudage AS, on met en oeuvre un flux de soudage solide qui protège le cordon de soudure, favorise le transfert vers la soudure d'éléments du flux et du ou des fils d'apport selon l'invention et/ou engendre des modifications chimiques pour améliorer les propriétés du métal déposé. Un arc électrique s'établit entre un (ou plusieurs) fil massif ou 25 fourré selon l'invention, typiquement de diamètre compris entre 1.6 mm et 5 mm, de préférence entre 2.4 et 3.2 mm, alimenté en courant continu ou alternatif, et la pièce à souder, sous un lit de flux en poudre. Sous l'action de l'arc, une partie du flux fond à la surface du cordon de soudure. L'utilisation d'un flux solide dit « basique » permet de maintenir la teneur en oxygène dans le métal déposé inférieure à 400 ppm. Ce facteur doit 30 être pris en compte pour maintenir un bon niveau de résilience En outre, en soudage à l'arc avec électrode enrobée formée d'une âme métallique et d'un enrobage selon l'invention, la fusion de l'électrode conduit à la formation d'un laitier issu de l'enrobage, qui surnage sur le métal en fusion et protège le cordon jusqu'à son refroidissement complet. L'arc électrique est amorcé par contact entre les pièces à assembler et l'âme métallique de l'électrode. La protection gazeuse du bain de fusion est assurée par l'enrobage fondu. Ce procédé est exclusivement manuel. Dans tous les cas, quels que soient le consommable et le procédé de soudage utilisant ce consommable choisis pour obtenir de bonnes caractéristiques de résilience et de résistance, lors d'un soudage d'un acier à environ 3.5% de nickel par exemple, le joint de soudure ou métal déposé de l'invention obtenu avec lesdits consommables et procédés de soudage, doit contenir de 2 à 4 % de nickel et de 0.2 à 0.6 % de molybdène. Ces plages de valeurs ne sont pas choisies au hasard mais répondent à des exigences techniques précises. Ainsi, la valeur minimale est nécessaire pour atteindre le niveau de propriétés mécaniques requis, tandis que le niveau maximal est fixé pour limiter le risque de fissuration à chaud.

Selon le cas, le joint de soudure ou métal déposé de l'invention peut comprendre, en outre, l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - il contient de 0.01 % à 0.07 % de carbone, de 0.001 % à 0.015 % de soufre et/ou de 0.001 % à 0.030 % d'aluminium. De préférence, il contient moins de 0.010 % de soufre. - il contient de 0.001 à 0.015% de phosphore, de préférence moins de 0.010% de 20 phosphore. - il contient en outre de 0.10 % à 0.40 % de silicium, de 0.5 % à 0.9 % de manganèse, de 0.001 % à 0.020 % de niobium, de 0.001 % à 0.015 % de vanadium, de 0.001 % à 0.015% de titane et/ou de 1 à 10 ppm de bore. - il contient de préférence moins de 0.010% de vanadium. 25 - il contient majoritairement du fer. - il contient, par ailleurs, de 150 à 500 ppm d'oxygène, de préférence moins de 400 ppm d'02 et avantageusement moins de 350 ppm d'02, et moins de 80 ppm d'azote, de préférence moins de 40 ppm d'azote. - il contient au maximum 0.1% de chrome, de préférence moins de 0.050% de chrome. 30 - il contient au maximum de l'ordre de 150 ppm de titane pour obtenir une bonne ténacité après soudage. - l'étain, l'antimoine, le phosphore et l'arsenic présents dans le joint soudé doivent induire un indice (Z) de Bruscato inférieur à 4.5. En effet, lors du traitement thermique, le phénomène de fragilité de revenu dite "réversible" est d'autant plus marqué que les teneurs en impuretés, notamment en étain, antimoine, phosphore et arsenic, sont élevées. Elles doivent donc être limitées dans le joint soudé, à un maximum donné par la relation de Bruscato pour les aciers à 3.5% de nickel suivante: Z = (4.5 x Sn% + 2.5 x Sb% + 2 x P% + As% ) x 100. Où : Sn%, Sb%, P% et As% sont les proportions d'étain, d'antimoine, de phosphore et d'arsenic dans le joint soudé. - dans tous les cas, la proportion d'étain doit être inférieure à 0.010%, de préférence inférieure à 0.007%, celle d'antimoine inférieure à 0.005%, de préférence inférieure à 0.003%, et celle d'arsenic inférieure à 0.005%, de préférence inférieure à 0.003% - par ailleurs, on a noté que ces impuretés ont un rôle d'autant plus néfaste que les concentrations en manganèse et silicium sont élevées. De là, la somme des teneurs en manganèse et en silicium doit rester inférieure à 1.2% (% en poids de métal fondu). De fait, la proportion de manganèse ne peut excéder 0.9% et celle de silicium doit être comprise entre 0.1 et 0.4 %, la valeur inférieure étant conditionnée par des aspects de mouillage des soudures. - il contient de 0.10 % à 0.40 % de silicium, de 0.5 % à 0.9 % de manganèse, de 0.001 % à 0.020 % de niobium, de 0.001 % à 0.015 % de vanadium, de préférence moins de 0.010% de vanadium et/ou de 1 à 10 ppm de bore.

Selon encore un autre aspect, l'invention porte aussi sur la mise en oeuvre du procédé de soudage pour la fabrication d'une cuve, d'un récipient, d'un conteneur ou d'un tube de stockage ou de transport de produits ou de matières divers, notamment de matières dangereuses ou toxiques, en particulier de conteneurs ou d'emballages conçus pour le transport et/ou le stockage de déchets nucléaires.

L'invention va être illustrée par les exemples suivants, en références aux Figures annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 illustre les zones de prélèvement d'éprouvettes de résilience hors dilution et fait apparaître la zone brute de solidification (ZBS) et la zone recuite (ZR) d'une soudure en multi-passe - et la Figure 2 illustre une soudure d'assemblage en plusieurs couches en multi-passe sur une configuration en chanfrein étroit. Exemple 1 : Effet de l'addition de molybdène en soudage à l'arc submergé Pour valider le procédé de soudage de l'invention, les inventeurs ont réalisé un joint 3 de soudage par mise en oeuvre d'un procédé de soudage à l'arc submergé, en multi passe 5 et plusieurs couches 4 superposées, de deux pièces 1, 2 de forte épaisseur E, c'est-à-dire de l'ordre de 200 mm, en acier à 3.5% de nickel de type A508 Gr4N C1.3 suivant la norme ASTM A508, mise bout à bout jointifs, avec préparation en chanfrein étroit ou «narrow gap » d'environ 20 mm de largeur L, comme illustré sur la Figure 2. Une telle préparation permet de limiter la dilution du métal d'apport avec le métal de base formant les pièces 1, 2 à souder et pour réduire la quantité de métal à déposer dans le chanfrein. On peut éventuellement opérer une inclinaison de l'ordre de 4° de la torche de soudage vers le centre de l'assemblage pour limiter encore davantage la dilution avec le métal de base, c'est-à-dire le métal constitutif des pièces 1, 2. Compte tenu de l'épaisseur de 200 mm des pièces 1, 2 et de la largeur L du chanfrein de 20 mm, le soudage a été réalisé en plusieurs couches superposées à raison de 2 passes 5 par couche 4, jusqu'à comblement total du chanfrein et obtention du joint 3 de soudure. Au fil de soudage de 2.4 mm de diamètre, on a associé un flux solide de protection de type « basique » qui permet d'obtenir une teneur faible en oxygène dans la soudure. Le flux utilisé ici comprend, exprimé en % en poids de flux, de 0.1 à 0.3% de carbone (C), de 0.3 à 1% de manganèse (Mn), moins de 0.006% de soufre (S), moins de à 0.02% de phosphore (P), moins de 0.02% d'antimoine (Sb), moins de 0.02% d'étain (Sn) et moins de 0.02% d'arsenic (As). En fait, le flux est formé de particules agglomérées, composées majoritairement de produits minéraux, par exemple du spath fluor, de l'oxyde d'aluminium, de l'oxyde de silicium, des oxydes de manganèse et éventuellement de composés métalliques sous forme de poudres auxquels on ajoute un (ou des) liant de type silicate inorganique aqueux, par exemple un silicate de sodium. Les produits sont agglomérés entre eux de manière à former les particules de flux. Les essais de soudage ont été réalisés à l'aide d'un générateur de courant STARMATIC 1003 AC/DC commercialisé par AIR LIQUIDE WELDING. Les paramètres de soudage appliqués sont un courant de soudage de 420 A et 32 V, en courant continu avec pôle (+) relié au fil de soudage, une vitesse d'avance de 42 cm/min et une distance tube contact/pièce de 30 mm avec un préchauffage à 150°C et une température inter passe maximale de 200°C.

Un post-chauffage de 4h à 280-320°C est réalisé après soudage, ainsi qu'un traitement thermique de 4h à 600°C. Le fil fourré mis en oeuvre a une enveloppe en acier ferritique et, outre du fer, contient également les éléments donnés pour exemple dans le Tableau 2 suivant. Tableau 2 Eléments C Si Mn P S Ni Cr Mo Sn As Sb dans le fil Teneur 0.088 0.25 0.95 0.010 0.010 3.3 0.035 0.37 0.005 0.004 0.003 (% en poids) 10 Il est apparu lors de ces essais que l'addition de l'élément molybdène dans le métal d'apport, c'est-à-dire le fil utilisé pour souder l'acier à 3.5% de nickel, et qui est donc transféré dans le métal fondu, lors de la fusion du fil, conduit à une amélioration notable des valeurs de résiliences à basse température (jusqu'à -105°C) tout en maintenant le niveau de caractéristiques mécaniques comme détaillé dans l'Exemple 4 ci-après. 15 Par ailleurs, il a été constaté que l'ajout de molybdène agit également sur le phénomène de décarburation après traitement thermique. Plus précisément, le phénomène de décarburation après traitement thermique est dû à la présence de chrome dans la zone affectée thermiquement de l'acier, engendrant des propriétés mécaniques insuffisantes près de la ligne de fusion. Cette décarburation se produit lors du traitement thermique car le 20 chrome est très avide de carbone et le traitement thermique engendre la précipitation de carbures de chrome. Or, la présence de chrome dans la zone affectée thermiquement (ZAT) et la précipitation de ces carbures entraînent la migration du carbone présent dans le métal fondu au voisinage de la zone de liaison vers la ZAT et donc une décarburation très marquée du voisinage immédiat de la zone de liaison du coté du métal fondu. Cette 25 décarburation provoque un adoucissement de ces zones si bien que localement les propriétés mécaniques deviennent inférieures aux minimums exigés. En fait, il semblerait qu'un gradient rapide de la teneur en chrome, c'est-à-dire un passage du niveau le plus haut dans le métal de base au niveau le plus bas dans le métal fondu, dans la zone de liaison de5 l'assemblage favorise le phénomène de décarburation, étant donné que l'assemblage présentant de la décarburation est celui qui présente la variation en chrome la plus rapide. On pourrait éviter ce phénomène en introduisant dans le métal fondu un élément aussi avide de carbone que le chrome, par exemple en ajoutant du chrome dans le fil mais l'effet sur la ténacité serait alors très négatif si bien que l'on ne pourrait plus garantir des caractéristiques de ténacité qui satisfasse aux exigences techniques en la matière. Il donc recommandé de supprimer toute addition de chrome dans le métal d'apport, c'est à dire le fil ou l'électrode, pour bénéficier de cet effet. Par contre, il a été mis en évidence que la faible addition de molybdène dans le fil 10 selon l'invention supprime le phénomène de décarburation , tout en ayant un effet plutôt positif sur la ténacité à basse température. Afin de confirmer les observations précédentes les exemples comparatifs complémentaires suivants ont été réalisés et ont eux aussi démontrés l'influence notable de la teneur en molybdène sur le joint de soudure. 15 Exemple 2 : Effet de l'addition de molybdène sur les propriétés mécaniques lors du soudage avec un fil fourré sous protection gazeuse.

On a réalisé un soudage sous protection gazeuse en utilisant un fil fourré selon l'état 20 de la technique (Fil A) et, à titre comparatif, un fil fourré selon l'invention (Fil B). Dans les deux cas, les cordons de soudure ont été obtenus à l'aide de fils de diamètre égal à 1.2 mm. Les essais ont été réalisés par dépôt, hors dilution, de métal fondu en plusieurs couches à raison de 2 passes par couche, selon la norme européenne AFNOR NF A 81-351 1 à l'aide d'un générateur de courant STARMATIC type 502 TRA commercialisé par AIR 25 LIQUIDE WELDING, en courant continu avec pôle (+) relié au fil de soudage, pour une intensité de courant de 250 A, une tension de 26 à 28 V (selon le produit), une vitesse de soudage de 40 cm/min et avec un gaz de protection constitué de 82% d'argon et 18% de CO2 (% en volume) délivré à un débit de 20 1/min, avec un préchauffage à 150°C et une température inter passe maximale de 200°C. 30 Un post-chauffage de 4h à une température de 280 à 320°C a été réalisé après soudage, ainsi qu'un traitement thermique de 4h à 600°C. Le Tableau 3 ci-après donne les compositions chimiques des fils A et B testés.

Tableau 3 : Compositions des fils fourrés testés (% en poids) Eléments C Si Mn P S Ni Cr Mo Sn As Sb V Teneurs dans 0.086 0.48 1.1 0.012 0.013 3.1 0.060 0.005 0.007 0.005 0.004 0.015 le fil A Teneurs dans 0.080 0.45 1.05 0.010 0.011 3.2 0.050 0.38 0.006 0.004 0.004 0.010 le fil B (invention) Le reste de la composition des fils A et B est essentiellement du fer. Le Tableau 4 suivant donne les compositions chimiques (pour les fils A et B) du métal déposé (joint de soudure) pour chaque fil testé. Tableau 4 : Compositions (hors dilution) des joints obtenus (% en poids) Eléments C Si Mn P S Ni Cr Mo Sn As Sb V O N Avec 0.063 0.17 0.79 0.010 0.009 2.95 0.051 0.003 0.0037 0.0031 0.003 0.012 0.042 0.00 Fil A Avec 0.060 0.24 0.77 0.008 0.007 3.0 0.042 0.33 0.003 0.0020 0.002 0.008 0.043 0.00 Fil B Le reste de la composition des joints est essentiellement du fer. Les valeurs en proportion pondérale (% en poids) de chaque élément données dans le Tableau 4 sont exprimées par rapport au poids du métal déposé hors dilution, c'est-à-dire 10 que la valeur indiquée correspond à la quantité en grammes de l'élément considéré contenu dans 100 g de métal déposé non dilué avec du métal de base provenant des pièces. Des éprouvettes de résilience ont été prélevées sur le métal déposé (pour les fils A et B) en réalisant, comme illustré en Figure 1, une entaille dans deux positions différentes, à savoir dans des zones à microstructure brutes de solidification (cf. Tableau 5) et zones à 15 microstructure recuites (cf. Tableau 6) ; ces deux positions étant connues en métallurgie.

Tableau 5 : Résiliences obtenues à l'état brut de soudage Etat brut de soudage Kv (Joules) à une température de -105°C Zones recuites (ZR) Zones brutes de Solidification (ZBS) mini Moyenne mini Moyenne Fil A 100 113 14 215 Fil B 93 110 58 69 Tableau 6 : Résiliences obtenues après traitement thermique (4h à 600°C) Etat traité Kv (Joules) à une température de -105°C Zones recuites Zones brutes de solidification mini Moyenne mini Moyenne Fil A 33 75 25 63 Fil B 48 62 32 42 Par ailleurs, des éprouvettes de traction ont été prélevées dans le métal fondu obtenu avec les fils A et B, conformément à la norme européenne AFNOR NF A 81û351 et soumises à des tests d'évaluation classiques, à savoir résistance à la rupture, limite d'élasticité et allongement, à l'état brut de soudage (Tableau 7) et après traitement thermique (Tableau 8).

Tableau 7 : Mesures à l'état brut de soudage Fil Fil B Etat brut de soudage A Résistance à la rupture Rm (MPa) 558 657 Limite d'élasticité Rp 0.2 (MPa) 463 575 Allongement (%) 26.9 22 Tableau 8 : Mesures après traitement thermique Fil Fil B Etat traité 4h à 600°C A Résistance à la rupture Rm (MPa) 533 641 Limite d'élasticité Rp 0.2 (MPa) 430 556 Allongement (%) 30 26 Les résultats obtenus et donnés dans les Tableaux 5 à 8 montrent l'effet positif de 15 l'addition de Mo sur les résiliences et fraction. En effet, le fil B selon l'invention conduit à un niveau de propriétés de résistance à la rupture et de limite d'élasticité bien supérieures aussi bien à l'état brut de soudage que traité thermiquement que le fil A, mais aussi avec une amélioration des propriétés de résilience par une moins grande dispersion des résultats comme on peut le voir sur les valeurs mini et moyenne des Tableaux 5 et 6. Exemple 3 : Effet de l'addition de Molybdène sur les propriétés mécaniques lors du soudage d'électrodes enrobées.

On a réalisé un soudage, comme précédemment, en utilisant une électrode enrobée 10 selon l'art antérieur (Fil C) et, à titre comparatif, une électrode enrobée selon l'invention (Fil D). Les essais ont été réalisés par dépôt de métal fondu en deux passes par couche selon la norme européenne AFNOR NF A 81-351 1 à l'aide d'un générateur de courant de type MEGA-ARC 5 commercialisé par la société OERLIKON, en courant continu avec pôle (+) 15 relié au fil de soudage, pour une intensité de courant de 125A, une tension de 23 V, une vitesse de soudage de 20 cm/min et une énergie de soudage de 9 kJ/cm. avec un préchauffage à 150°C et une température inter passe maximale de 200°C. Un post-chauffage de 4h à 280-320°C est réalisé après soudage, ainsi qu'un traitement thermique de 4h à 600°C. 20 Les cordons de soudure ont été réalisés à l'aide d'électrodes de soudage de diamètre égal à 3.2 mm. Le Tableau 8 suivant donne les compositions chimiques des électrode enrobées testées.

25 Tableau 8 : Compositions des électrodes testées (% en poids) Eléments C Si Mn Ni Mo (*) Electrode C 0.10 0.45 1.05 3.8 0.005 Electrode D 0.10 0.65 1.20 3.8 0.38 (*) : Les électrodes comprennent en outre d'autres éléments non essentiels comme le fer, le chrome, du soufre.... Le Tableau 9 suivant donne les compositions chimiques du métal déposé obtenu pour chacune des électrodes C et D testées. 30 Tableau 9 : Compositions du métal déposé obtenu (% en poids) Eléments C Si Mn P S Ni Cr Mo Electrode C 0.05 0.22 0.74 0.010 0.008 3.6 0.02 0.004 Electrode D 0.0420.3 0.84 0.008 0.006 3.65 0.05 0.33 Des éprouvettes de résilience ont été prélevées sur le métal déposé obtenu avec les électrodes C et D, en plaçant l'entaille en zones à microstructure brutes de solidification et en zones à microstructure recuites, comme dans l'Exemple 2. Les résultats sont donnés en Tableau 10. Tableau 10 : Mesures de résilience Etat traité (4h à 600°C avec montée et descente de 50°C /h) Kv (Joules) à une température de -105°C Electrodes Zones recuites Zones brutes de solidification mini Moyenne mini Moyenne C 111 121 49 55 D 132 141 83 89 Par ailleurs, des éprouvettes de fraction ont été prélevées dans le métal fondu conformément à la norme européenne AFNOR NF A 81û351 et soumises à des tests d'évaluation classiques : résistance à la rupture, limite d'élasticité et allongement. Les résultats sont donnés en Tableau 11.

Tableau 11 : Mesures après traitement thermique (4h à 600°C ; montée/descente 50°C/h) Etat traité* C D Résistance à la rupture Rm (MPa) 590 652 Limite d'élasticité Rp 0.2 (MPa) 490 575 Allongement (%) 26 26.9 Là encore, ces résultats montrent l'effet bénéfique de l'ajout de molybdène sur le niveau de résilience et de traction après traitement thermique.15 Les valeurs de résilience obtenues avec l'électrode de l'invention sont améliorées ainsi que les valeurs de résistance à la rupture et de limite d'élasticité en comparaison avec l'art antérieur Exemple 4 : Effet de l'addition de molybdène sur les propriétés mécaniques lors du soudage à l'arc submergé avec un flux dit « basique » d'un acier du type A508 grade 4N c13.

On a réalisé un soudage AS de pièces en acier à 3.5% de nickel du type A508 grade 4N c13 en utilisant un fil selon l'art antérieur (Fil E) et un fil selon l'invention (Fil F) de diamètre égal à 2.4 mm. Les essais ont été réalisés par dépôt de métal fondu en deux passes par couche, selon la Fig.2, qui consiste à joindre ces deux pièces, c'est-à-dire à réaliser un joint ou un assemblage entre elles, à l'aide d'un générateur SUBARC type 1000 DC commercialisé par AIR LIQUIDE WELDING, en courant continu avec pôle (+) relié au fil de soudage, pour une intensité de courant de 420 A, une tension de 32 V (selon le produit), une vitesse de soudage de 42 cm/min et une distance tube contact pièce de 30 mm, selon les conditions décrites précédemment, avec un préchauffage à 150°C et une température inter passe maximale de 200°C.

Un post-chauffage de 4h entre 280 et 320°C est réalisé après soudage, ainsi qu'un traitement thermique de 4h à 600°C. Le Tableau 12 suivant donne les compositions chimiques de chaque échantillon de fil testé (Fils E, F et G).

Tableau 12 : Compositions chimiques des fils testés (% en poids) Eléments C Si Mn P S Ni Cr Mo Fil E 0.13 0.21 0.59 0.014 0.011 3.7 0.28 0.033 Fil F 0.093 0.131 0.97 0.013 0.011 3.25 0.053 0.015 Fil G(invention)0.075 0.161 0.85 0.010 0.009 3.6 0.060 0.35 Le Tableau 13 suivant donne, pour exemple, la composition chimique du métal de base A508 grade 4N c13.

Tableau 13 : Composition du métal de base (% en poids) C Si Mn P S Ni Cr Mo 0.22 0.12 0.27 0.003 0.004 3.16 1.64 0.42 Le Tableau 14 suivant donne les compositions chimiques (E, F et G) du métal déposé pour chaque échantillon de fil testé. Tableau 14 : Composition du métal déposé (% en poids sauf si ppm) C Si Mn P S Ni Cr Mo Sn As Sb V O N ppm ppm il 0.07 0.45 0.54 0.011 0.009 3.48 0.26 0.028 0.004 0.005 0.004 0.012450 81 il 0.052 0.27 0.92 0.011 0.008 3.1 0.059 0.012 0.003 0.003 0.003 0.011430 79 G il 0.044 0.33 0.8 0.009 0.005 3.38 0.054 0.32 0.003 0.002 0.002 0.007340 50 Des éprouvettes de résilience ont été prélevées sur le métal déposé (pour fils E, F et G) en plaçant l'entaille dans les deux positions des Exemples précédents. Les résultats sont 10 donnés en Tableau 15.

Tableau 15 : Mesures de résilience après traitement thermique pendant 4 h à 600°C (avec montée et descente 50°C /h) Etat traité* Kv (Joules) à une température de - 105°C Fil Zones recuites Zones brutes de solidification mini Moyenne mini Moyenne E 24 55 12 15 F 35 37 28 29 G 70 81 65 79 (invention) 15 Par ailleurs, des éprouvettes de fraction ont été prélevées dans le métal fondu conformément à la norme européenne AFNOR NF A 81û351 et soumises à des tests5 d'évaluation classiques : résistance à la rupture, limite d'élasticité, allongement. Les résultats sont donnés en Tableau 16.

Tableau 16 : Mesures de résistance à la rupture, de limite d'élasticité et d'allongement E F G Etat traité* (invention) Résistance à la rupture Rm 670 523 635 (MPa) Limite d'élasticité Rp 0.2 598 425 561 (MPa) Allongement 25 28 27 (%) Traitement thermique : 4h à 600°C (montée, descente 50°C /h)

Le traitement thermique a été mis au point pour cette application en fixant les températures de palier et temps de maintien par expérience afin d'obtenir l'effet maximal en terme de niveau de résilience et de caractéristiques mecamques.

Aucune décarburation en zone de liaison n'est observée sur l'assemblage soudé avec le fil G alors que l'on rencontre le problème sur les l'assemblages soudés avec les fils E et F. Les caractéristiques mécaniques obtenues sont nettement supérieures, tant du point de vue des résiliences que du point de vue de la traction pour l'assemblage du fil G.

De manière générale, il apparaît que l'addition de molybdène supprime le phénomène de décarburation. De plus, le niveau de propriétés mécaniques est amélioré et la dispersion des valeurs de résilience est réduite, comme le montre les tableaux 4 et 5. Pour garantir ce résultat, la fourchette de la teneur en molybdène doit être maîtrisée. C'est à dire qu'une valeur minimale dans le métal déposé de 0.2% est nécessaire pour obtenir l'effet sur la suppression du phénomène de décarburation. Au-delà de la valeur maximale de 0.6% dans le métal déposé, les valeurs de résilience obtenues sont alors trop basses et les valeurs de résistance mécanique et de limite d'élasticité trop élevées. La quantité de nickel dans le produit d'apport, et donc dans le métal déposé, doit être aussi respectée afin de préserver le niveau de propriétés mécaniques pour la valeur minimum de la fourchette indiquée. La valeur maximum de 4% de nickel ne doit pas être dépassée pour éviter le risque de fissuration à chaud qui augmente considérablement lorsque la teneur en nickel du dépôt croît au-delà de quelques %. La valeur de chrome doit être inférieure à 0.10% pour supprimer l'effet de décarburation, allié à l'addition de molybdène. D'autre part, sa présence en quantité supérieure à 0.10% nuit au résultat de résilience comme le montrent les tableaux 12, 14 et 15. La valeur du carbone dans le métal déposé doit être aussi faible pour limiter la précipitation des carbures Les impuretés dans le dépôt doivent être maintenues au niveau le plus faible, comme le soufre et l'oxygène. Les élément contenus dans le relation Z doivent être maîtrisés, grâce à un choix judicieux de matières constitutives du produit d'apport et du flux de protection, lors du soudage en arc submergé. De très faibles valeurs sont obtenues et un effet positif sur les valeurs de résilience après le traitement thermique est observé, comme le montrent les Tableaux 4, 9 et 14 d'analyses chimiques du métal déposé et les résultats mécaniques présentés dans les Tableaux 5, à 7, 10, 1l, 15 et 16. Les fils de soudage à l'arc de types fourrés ou massifs selon la présente invention sont particulièrement bien adaptés au soudage à l'arc des aciers contenant du nickel, typiquement des aciers au nickel faiblement alliés contenant moins de 5% en poids de nickel, notamment une cuve, un récipient, un conteneur ou un tube.

Claims (14)

1. Revendications1. Fil de soudage à l'arc choisi parmi les fils fourrés et les fils massifs, ayant un diamètre externe compris entre 0.8 mm et 5 mm, caractérisé en ce qu'il contient de 1.5 à 6% 5 en poids de nickel et de 0.10 à 1% en poids de molybdène, par rapport au poids total du fil.
2. 2. Fil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est un fil fourré comprenant une enveloppe externe en acier contenant des éléments de remplissage, le molybdène et le nickel étant contenus dans l'enveloppe ou les éléments de remplissage.
3. 3. Fil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est un fil massif formé d'un corps en acier contenant le nickel et le molybdène.
4. 4. Fil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il contient 15 au moins 2% en poids de nickel et/ou au plus 5% en poids de nickel, de préférence au moins 2,5% en poids de nickel et/ou au plus 4% en poids de nickel.
5. 5. Fil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il contient au moins 0,15% en poids de molybdène et/ou au plus 0,80% en poids de molybdène, de 20 préférence au moins 0,2% en poids de molybdène et/ou au plus 0,65% en poids de molybdène.
6. 6. Fil selon l'une des revendications 1, 2, 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il est formé d'une enveloppe en acier ferritique contenant des éléments de remplissage, lesdits 25 éléments de remplissage représentant de 9 à 22 % de la masse totale du fil, de préférence de 10 à 20%.
7. 7. Fil selon l'une des revendications 1, 2 et 4 à 6, caractérisé en ce qu'il est un fil fourré, contenant, en outre, de 0.020 à 0.100% de carbone, de 0.10 à 0.80% de silicium, 30 de 0.2 à 1.5% de manganèse, de 0.001 à 0.10% de chrome, de 0.001 à 0.020%de soufre, de 0.001 à 0.020% de phosphore, de 0.001 à 0.010% d'étain, de 0.001 à 0.010% d'antimoine et/ou de 0.001 à 0.010% d'arsenic. 10
8. 8. Electrode enrobée formée d'une âme centrale d'acier ayant un diamètre compris entre 1,6 et 6 mm, et au moins partiellement recouverte d'un enrobage solide, caractérisé en ce que l'enrobage contient de 3 à 10% en poids de nickel et de 0.18 à 1.8% en poids de molybdène par rapport au poids total de l'enrobage.
9. 9. Electrode selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'enrobage contient de 4 à 9% en poids de nickel ou de 0.25 à 1.4% en poids de molybdène, de préférence de 5 à 8 % de nickel ou de 0.35 à 1.1% molybdène.
10. 10 10 Electrode selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que l'âme centrale est en acier ferritique et/ou le diamètre de l'âme est compris entre 2 et 5,5 mm, de préférence compris entre 2.5 et 5 mm.
11. 11. Procédé de soudage à l'arc d'une ou plusieurs pièces en acier contenant de 1 à 15 5% en poids de nickel, dans lequel on opère une fusion d'un fil ou d'une électrode selon l'une des revendications 1 à 10 de manière à réaliser un joint de soudure sur la ou lesdites pièces en acier au nickel.
12. 12. Procédé de soudage selon la revendication 1l, caractérisé en ce que la ou les 20 pièces sont en un acier contenant de 2 à 4% de nickel, en particulier en un acier à environ 3.5% de nickel.
13. 13. Joint de soudure ou métal déposé susceptible d'être obtenu par un procédé de soudage selon l'une des revendications 11 à 12, et/ou par fusion d'un fil ou d'une électrode 25 selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il contient de 2 à 4 % de nickel et de 0.2 à 0.6 % de molybdène.
14. 14. Joint de soudure ou métal déposé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il contient de 0.01 % à 0.07 % de carbone, de 0.001 % à 0.015 % de soufre, de 0.001 à 30 0.015% de phosphore, de 0.001 % à 0.030 % d'aluminium, de 0.10 % à 0.40 % de silicium, de 0.5 % à 0.9 % de manganèse, de 0.001 % à 0.020 % de niobium, de 0.001 % à 0.015 % de vanadium, de 0.001 % à 0.015% de titane et/ou de 1 à 10 ppm de bore.515. Structure en acier au nickel, en particulier en acier allié contenant moins de 5% en poids de nickel, comportant un joint de soudure selon l'une des revendications 13 ou 14, ladite structure étant une cuve, un récipient, un conteneur ou un tube.