Le soudage de l'acier inoxydable nécessite la sélection d'un gaz de protection pour maintenir sa composition métallurgique et les propriétés physiques et mécaniques associées. Les éléments de gaz de protection courants pour l'acier inoxydable comprennent l'argon, l'hélium, l'oxygène, le dioxyde de carbone, l'azote et l'hydrogène (voir la figure 1). Ces gaz sont combinés dans différents rapports pour répondre aux besoins des différents modes de distribution, types de fils, alliages de base, profil de cordon souhaité et vitesse de déplacement.
Français En raison de la faible conductivité thermique de l'acier inoxydable et de la nature relativement « froide » du soudage à l'arc sous gaz de transfert de court-circuit (GMAW), le procédé nécessite un gaz « tri-mix » composé de 85 % à 90 % d'hélium (He), jusqu'à 10 % d'argon (Ar) et de 2 % à 5 % de dioxyde de carbone (CO2). Un mélange tri-blend courant contient 90 % d'He, 7-1/2 % d'Ar et 2-1/2 % de CO2. Le potentiel d'ionisation élevé de l'hélium favorise la formation d'arcs après un court-circuit ; couplé à sa conductivité thermique élevée, l'utilisation d'He augmente la fluidité du bain de fusion. Le composant Ar du Trimix assure une protection générale du bain de fusion, tandis que le CO2 agit comme un composant réactif pour stabiliser l'arc (voir la figure 2 pour savoir comment différents gaz de protection affectent le profil du cordon de soudure).
Certains mélanges ternaires peuvent utiliser l'oxygène comme stabilisateur, tandis que d'autres utilisent un mélange He/CO2/N2 pour obtenir le même effet. Certains distributeurs de gaz ont des mélanges de gaz exclusifs qui offrent les avantages promis. Les concessionnaires recommandent également ces mélanges pour d'autres modes de transmission avec le même effet.
La plus grande erreur que font les fabricants est d'essayer de court-circuiter l'acier inoxydable GMAW avec le même mélange de gaz (75 Ar/25 CO2) que l'acier doux, généralement parce qu'ils ne veulent pas gérer un cylindre supplémentaire. Ce mélange contient trop de carbone. En fait, tout gaz de protection utilisé pour le fil solide doit contenir un maximum de 5 % de dioxyde de carbone. L'utilisation de quantités plus importantes entraîne une métallurgie qui n'est plus considérée comme un alliage de qualité L (la qualité L a une teneur en carbone inférieure à 0,03 %). Un excès de carbone dans le gaz de protection peut former des carbures de chrome, qui réduisent la résistance à la corrosion et les propriétés mécaniques. De la suie peut également apparaître sur la surface de la soudure.
À titre indicatif, lors de la sélection des métaux pour le court-circuitage GMAW pour les alliages de base de la série 300 (308, 309, 316, 347), les fabricants doivent sélectionner la nuance LSi. Les charges LSi ont une faible teneur en carbone (0,02 %) et sont donc particulièrement recommandées lorsqu'il existe un risque de corrosion intergranulaire. Une teneur en silicium plus élevée améliore les propriétés de soudure, telles que le mouillage, pour aider à aplatir la couronne de la soudure et favoriser la fusion au niveau du pied.
Les fabricants doivent faire preuve de prudence lorsqu'ils utilisent des procédés de transfert par court-circuit. Une fusion incomplète peut survenir en raison de l'extinction de l'arc, ce qui rend le procédé inférieur aux applications critiques. Dans les situations de volume élevé, si le matériau peut supporter son apport de chaleur (≥ 1/16 pouce est approximativement le matériau le plus fin soudé en utilisant le mode de pulvérisation pulsée), un transfert par pulvérisation pulsée sera un meilleur choix. Lorsque l'épaisseur du matériau et l'emplacement de la soudure le permettent, le transfert par pulvérisation GMAW est préféré car il fournit une fusion plus uniforme.
Ces modes de transfert de chaleur élevés ne nécessitent pas de gaz de protection He. Pour le soudage par transfert par pulvérisation des alliages de la série 300, un choix courant est 98 % d'Ar et 2 % d'éléments réactifs tels que CO2 ou O2. Certains mélanges de gaz peuvent également contenir de petites quantités de N2. Le N2 a un potentiel d'ionisation et une conductivité thermique plus élevés, ce qui favorise le mouillage et permet un déplacement plus rapide ou une perméabilité améliorée ; il réduit également la distorsion.
Pour le soudage par pulvérisation pulsée GMAW, 100 % Ar peut être un choix acceptable. Étant donné que le courant pulsé stabilise l'arc, le gaz ne nécessite pas toujours d'éléments actifs.
Le bain de fusion est plus lent pour les aciers inoxydables ferritiques et duplex (rapport ferrite/austénite 50/50). Pour ces alliages, un mélange gazeux tel que ~70 % Ar/~30 % He/2 % CO₂ favorisera un meilleur mouillage et augmentera la vitesse de soudage (voir figure 3). Des mélanges similaires peuvent être utilisés pour souder les alliages de nickel, mais ils entraîneront la formation d'oxydes de nickel à la surface de la soudure (par exemple, l'ajout de 2 % de CO₂ ou d'O₂ suffit à augmenter la teneur en oxydes ; les fabricants doivent donc les éviter ou s'attendre à y consacrer beaucoup de temps). Ces oxydes sont abrasifs, car ils sont si durs qu'une brosse métallique ne suffit généralement pas à les éliminer.
Les fabricants utilisent des fils en acier inoxydable fourrés pour le soudage hors site, car le système de laitier de ces fils fournit une « étagère » qui soutient le bain de soudure pendant qu'il se solidifie. Étant donné que la composition du flux atténue les effets du CO2, le fil en acier inoxydable fourré est conçu pour être utilisé avec des mélanges de gaz 75 % Ar/25 % CO2 et/ou 100 % CO2. Bien que le fil fourré puisse coûter plus cher par livre, il convient de noter que des vitesses de soudage toutes positions et des taux de dépôt plus élevés peuvent réduire les coûts de soudage globaux. De plus, le fil fourré utilise une sortie CC à tension constante conventionnelle, ce qui rend le système de soudage de base moins coûteux et moins complexe que les systèmes GMAW pulsés.
Pour les alliages des séries 300 et 400, 100 % Ar reste le choix standard pour le soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW). Pendant le GTAW de certains alliages de nickel, en particulier avec les procédés mécanisés, de petites quantités d'hydrogène (jusqu'à 5 %) peuvent être ajoutées pour augmenter la vitesse de déplacement (notez que contrairement aux aciers au carbone, les alliages de nickel ne sont pas sujets à la fissuration par l'hydrogène).
Pour le soudage des aciers inoxydables superduplex et superduplex, 98 % Ar/2 % N2 et 98 % Ar/3 % N2 sont respectivement de bons choix. De l'hélium peut également être ajouté pour améliorer la mouillabilité d'environ 30 %. Lors du soudage des aciers inoxydables superduplex ou superduplex, l'objectif est de produire un joint avec une microstructure équilibrée d'environ 50 % de ferrite et 50 % d'austénite. Étant donné que la formation de la microstructure dépend de la vitesse de refroidissement et que le bain de soudure TIG refroidit rapidement, un excès de ferrite reste lorsque 100 % d'Ar est utilisé. Lorsqu'un mélange gazeux contenant du N2 est utilisé, le N2 se mélange au bain de fusion et favorise la formation d'austénite.
L'acier inoxydable doit protéger les deux côtés du joint pour produire une soudure finie avec une résistance maximale à la corrosion. Le fait de ne pas protéger l'arrière peut entraîner une « saccharification » ou une oxydation importante pouvant entraîner une défaillance de la soudure.
Les raccords bout à bout serrés avec un ajustement constamment excellent ou un confinement serré à l'arrière du raccord peuvent ne pas nécessiter de gaz de support. Ici, le problème principal est d'empêcher une décoloration excessive de la zone affectée par la chaleur en raison de l'accumulation d'oxyde, qui nécessite ensuite un retrait mécanique. Techniquement, si la température de l'arrière dépasse 500 degrés Fahrenheit, un gaz de protection est nécessaire. Cependant, une approche plus conservatrice consiste à utiliser 300 degrés Fahrenheit comme seuil. Idéalement, le support doit être inférieur à 30 PPM O2. L'exception est si l'arrière de la soudure doit être gougeé, meulé et soudé pour obtenir une soudure à pénétration complète.
Les deux gaz de support de choix sont N2 (le moins cher) et Ar (le plus cher). Pour les petits assemblages ou lorsque les sources d'Ar sont facilement disponibles, il peut être plus pratique d'utiliser ce gaz et ne pas valoir les économies de N2. Jusqu'à 5 % d'hydrogène peuvent être ajoutés pour réduire l'oxydation. Une variété d'options commerciales sont disponibles, mais les supports faits maison et les barrages de purification sont courants.
L'ajout de 10,5 % ou plus de chrome est ce qui confère à l'acier inoxydable ses propriétés inoxydables. Le maintien de ces propriétés nécessite une bonne technique pour sélectionner le bon gaz de protection de soudage et protéger l'arrière du joint. L'acier inoxydable est cher et il y a de bonnes raisons de l'utiliser. Il ne sert à rien d'essayer de faire des économies en matière de gaz de protection ou de choix de métaux d'apport pour cela. Par conséquent, il est toujours judicieux de travailler avec un distributeur de gaz compétent et un spécialiste des métaux d'apport lors du choix d'un gaz et d'un métal d'apport pour le soudage de l'acier inoxydable.
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