Brevet FR2002617A1 — publié le 19691031

Il est bien connu que certains alliages cuivre-nickel souvent appelés des cupro-nickels, par exemple un alliage qui est connu sous le nom de cupro—nickel 70/30 et qui contient nominalement 30$ de nickel, le complément étant sensiblement en totalité du 5 cuivre, possèdent une bonne résistance à la corrosion par de nombreux. milieux, y compris l'eau de mer, les alcalis et les solutions acides aqueuses diluées, ainsi qu'une aptitude satisfaisante à la conformation par laminage, forgeage et étirage, à chaud ou à froid» Les cupro—nickels peuvent également être soudés, mais leur faible 10 résistance mécanique est peu satisfaisante pour certaines applications, par exemple pour les tubes à eau de mer sous pression» La limite élastique d'un cupro—nickel 70/30 à la température ambiante est seulement d'environ 14 kg/mm2 après refroidissement à l'air k la suite d'un laminage à chaud ou d'un recuit* 15 Un progrès récent et important consiste à incorporer 2,4 à 3,8$ de chrome dans des cupro-nickels contenant 24 k 38$ de nickel* Comme il a été décrit dans le brevet français n° l*837*46TJ;il est possible, en contrôlant la composition de façon appropriée, d'augmenter la limite élastique jusqu'il au moins 28 kg/mm2 et, avec des 20 teneurs en chrome plus élevées, jusqu'à. 42 kg/mm2 et plus* Si l'on veut tirer tous les avantages de cette découverte, il est évidemment essentiel de pouvoir sonder les alliages sans produire des soudures qui ne soient pas saines et en particulier des soudures contenant des fissures ou criques* Quand on exécute une soudure entre deux alliages ayant la même composition ou entre deux 25 surfaces d'un alliage unique, par exemple quand on réalise un joint entre deux bords d'un article fait de tôles, la pratique la plus courante consiste à utiliser un métal d'apport ayant la même composition que l'alliage* On a constaté que lorsque la teneur en chrome des alliages cuivre—nickel en question est inférieure à 2,8$, 30 on peut obtenir des soudures saines, exemptes de criques et non poreuses en utilisant un métal d'apport de composition correspondante. Toutefois, quand la teneur en chrome est égale ou supérieure à 2,8$, les soudures obtenues avec des métaux d'apport de composition correspondante sont souvent peu saines* Bien entendu, il est évident 35 que des éléments de construction obtenus à. partir des alliages ne peuvent pas être fabriqués de façon satisfaisante par soudage s'il existe un doute au sujet de la qualité de la soudure et il est donc essentiel de disposer d'un métal d'apport avec lequel on puisse obtenir des soudures saines et exemptes de criques* Par métal d'ap— 69 04812 2 z \j ù 16 i 7 port, la demanderesse entend un métal sous la forme d'un fil, d'une baguette, d'une électrode nue ou sous une autre forme, qu'on utilise dans le soudage à l'arc électrique pour constituer le métal d'apport. L'invention est basée sur la découverte qu'on peut obtenir un 5 métal d'apport satisfaisant si les teneurs en chrome et en silicium de ce métal sont soigneusement réglées. Un métal d'apport conforme à l'invention contient 26 à 37% de nickel, 1,9 à 2,75% de chrome, 0,4 à 2% de manganèse et 0,2% à moins de 0,6% de silicium. Ce métal peut également contenir jusqu'à 1% de fer, jusqu'à 0,1% de carbone, 10 jusqu'à 0,5% de titane et jusqu'à 0,3% de zireoniumo Le complément, à l'exception des impuretés, est du cuivre. La teneur en chrome ne doit pas être inférieure à 1,9%; sinon la résistance mécanique du joint soudé en souffrirait et, pour obtenir une combinaison extrêmement satisfaisante de la résistance 15 mécanique et de la ductilité, cette teneur est comprise entre 2,3 et 2,7%o Il faut du manganèse pour empêcher le métal d'apport de fondre d'une manière trop lente et pour l'empêcher de se combiner avec le soufre et de se comporter comme un désoxydant. La teneur en man-20 ganèse est de préférence d'au moins 0,5% et, mieux encore d'au moins 0,8%, bien qu'un intervalle approprié soit compris entre 0,6 et 1,5%> Il ne faut p&v plus de 2% de manganèse. Du silicium en une quantité d'au moins 0,2% est nécessaire pour la désoxydation et pour conférer la fluidité au bain ou à la 25 petite masse de soudure. Lorsque les teneurs en silicium sont plus basses, la soudure à tendance à se fissurer, même si la quantité de chrome dans le métal de base (c'est-à-dire l'alliage soudé) est inférieure à 2,8%. Une quantité de silicium supérieure à 0,6% est nuisible pour la ténacité et la ductilité du métal déposé. Âvanta— 30 geusement, la teneur en silicium est comprise entre 0,25 et 0,5%. Parmi les impuretés possibles, le cobalt et le zinc peuvent être présents en des quantités atteignant 1% chacun. En ce qui concerne le travail à chaud du métal d'apport, par exemple son étirage sous forme d'un fil, il est extrêmement dési— 35 rable que le titane et le zirconium soient tous deux présents, et de préférence en une quantité comprise entre 0,02 et 0,2% pour le titane et entre 0,02 et 0,3% pour le zireoniumo Le titane est également un désoxydant et contribue à l'obtention d'une aptitude satisfaisante à la conformation par écrouissage, mais une quantité 40 supérieure à 0,5% de titane n'est pas plus avantageuse qu'une pe— 69 04812 3 Z v_/ U /. C I / tite quantitéo Quand on prépare le métal d'apport, le titane et le zirconium ne sont pas récupérés en totalité; par exemple, la teneur réelle en zirconium retenue peut être aussi faible que 0,05$, même si une quantité de 0,2$ a été ajoutée (environ 75$ de l'élément 5 d'addition étant perdus)» Par conséquent, en cours de fabrication, on doit prendre soin d'assurer la présence de quantités de titane et de zirconium comprises dans l'intervalle de pourcentages désiré» Bien que la teneur en carbone puisse atteindre 0,1$, elle est de préférence maintenue aussi faible que possible, par exemple 10 à une valeur inférieure k 0,03$, pour empêcher sa combinaison avec le chrome sous forme de carbure de chrome, oe qui entraînerait une réduction de la teneur en chrome libre» Quand on exécute des soudures avec le métal d'apport conforme à l'invention, il est important de faire en sorte que la somme des 15 teneurs en chrome de l'alliage de base, c'est-k-dire de l'alliage soudé, et du métal d'apport, ne dépasse pas 6,4$ et de préférence 6$» Le mécanisme selon lequel le métal d'apport conforme k l'invention permet d'obtenir des résultats satisfaisants n'a pas été 20 complètement élucidé» Toutefois, on suppose que ce résultat est en rapport avec la formation d'eutectiques» Il semble que la tendance au criquage k chaud soit plus élevée dans des alliages qui contiennent des impuretés telles que le phosphore et le soufre, parce que ces impuretés forment des eute.ctiques k bas point de fu-sion» Ce mode de criquage est en rapport, au moins partiellement avec la différence des températures de solidification du premier solide qui se forme et du dernier liquide qui est présent, la tendance au criquage étant d'autant plus grande que la différence des températures est plus grande» 0rf des additions de chrome dans un système cuivre—nickel augmentent la température du liquiânsyÔ-e façon nette, la température du solidus restant sensiblement constante» Cette augmentation nette de la température détermine une différence notable entre les températures du solidus et du liqui— dus» Il n'est donc pas déraisonnable de supposer que, dans des 35 conditions de soudage spécifiques, il existe line teneur en chrome déterminante au-dessus de laquelle un criquage est susceptible de se produire» En utilisant le métal d'apport conforme k l'invention il est possible d'obtenir des soudures qui sont caractérisées par l'ab— 40 sence de criques nuisibles, d'une porosité médiocr-e et d'autres.dé*» J 69 04812 4 2002617 fauts, et qui présentent une limite élastique élevée à l'état brut de soudage, par exemple une limite élastique supérieure à 35 kg/mm2 quand l'alliage soudé est sous la forme d'une plaque et supérieure à 28 kg/mm2 quand l'alliage soudé est sous la forme 5 d'une tôle (environ 3,17 mm d'épaisseur ou moins), une bonne résistance aux chocs, une ductilité excellente et une bonne résistance à la corrosion par l'eau de mer. On va maintenant donner les résultats de plusieurs essais. Dans ces essais, des soudures bout à bout ont été réalisées entre 10 des plaques de 12,7 mm d'épaisseur dont les bords ont été chanfrei— nés sur un angle de 30° et qui ont été assemblées avec un méplat ou talon de 1,587 mm et un écartement de 2,381 mm à la base du ta— lon<> On a exécuté un soudage à l'arc de tungstène en atmosphère d'argon, d'une manière classique, et les plaques qui ont été sou-15 dées ensemble étaient maintenues fermement en position.» Dans un premier essai, la composition des plaques comprenait 30fô de nickel, 3,5$ de chrome, 0,5% de manganèse, 0,12$ de silicium, 0,1$ de titane et 0,7$ de fer, le complément étant du cuivre, et le métal d'apport avait la même composition. Dans cet essai, 20 la première passe de soudure a été entièrement satisfaisante, bien qu'on ait rencontré des difficultés en raison de la fluidité peu adéquate du métal d'apport. Toutefois, pendant la seconde passe, on a constaté un criquage sévère. Ce criquage s'est étendu dans le métal de la première passe et a été si sévère que la soudure a été 25 interrompue» Ceci démontre qu'un métal d'apport de composition correspondante est peu satisfaisant avec une teneur en chrome aussi élevéeo Lors de l'essai suivant, l'alliage soudé contenait plus de chrome (3,75$) mais le métal d'apport contenait moins de chrome 30 (2,8$). Les compositions des plaques qui ont été soudées, du métal d'apport et du métal déposé sont données dans le tableau I ci-dessouso TABLEAU I 35 Ni Cr Mn Si Ti Zr Fe Cu $ $.$$ $ $ $ $ Plaque de base 29,1 3,75 0,43 0,05 0,1 0,2 0,82 complément Métal d'apport 28,8 2,8 0,66 0,1 0,04 0,01 0,69 .* Métal déposé 29 2,98 0,66 0,13 0,048 0,019 0,82 » 40 69 04812 5 2002617 Le métal déposé a été obtenu en 9 passes et il n'y avait pas d'apparence de criquage pendant ou après le soudage, bien que ce soudage ait eu lieu assez lentement* Toutefois, lors de l'examen radiographique, on a découvert une crique, qui partait à environ 5 19,05 mm de l'une des extrémités et qui avait 12,5 mm de longueur. On peut voir que le métal d'apport contenait seulement 2,8$ de chrome et que la somme des teneurs en chrome des plaques et du métal d'apport était de 6,55$. Sans un troisième essai, les plaques contenaient moins de 10 chrome et le métal d'apport en contenait légèrement plus (2,88$) que dans le second essai. Les compositions sont données dans le tableau II. TABLEAU II 15 20 25 30 35 Ni Cr Mn Si Ti Fe Zr Cu $ $ $ $ $ $ $ $ Plaques de base 30,1 2,80 0,78 0,045 0,08 0,81 0,15 Complément Métal d'apport 29,6 lv> 00 00 0,67 0,33 0,01 0,73 H Métal déposé 29,6 2,82 0,66 0,26 0,024 0,77 0,06 M 40 Sans ce cas, l'examen radiographique du métal déposé et de tranches polies et attaquées à l'acide prises transversalement ne révèle pas de criquage. Toutefois, l'examen de barres de traction utilisées pour déterminer la résistance mécanique et la ductilité du dépôt montre des défauts sur les surfaces de cassure des barres. Ce8 défauts ne sont pas du type fibreux, nais feraient plutôt penser à des solutions de continuité. Le métal déposé ne peut pas être classé comme complètement acceptable. On va maintenant donner quelques exemples du soudage conformément à l'invention, les conditions étant les mêmes que dans les essais ci—dessuso EXEMPLE I Les compositions des métaux et du métal déposé sont données dans le tableau III. TABLEAU III Ni Cr Mn Si Ti Fe Zr Cu * * * * $ $ $ $ Plaques de base 29,1 3,75 0,43 0,05 0,10 0,82 0,20 Complément Métal d'apport 30j3 2,60 0,56 0,36 0,05 0,67 0,04 " Métal déposé 29.6 2.80 0.56 0.28 0.04 0.83 0,06 » 69 04812 6 2002617 La lenteur préalablement constatée n'a pas été rencontrée et l'aspect général du métal déposé solidifié semble amélioré à la vue, aucune crique visible n'étant décelée. Lors de l'examen radiographique, le joint soudé ne montre pas de criques, de poro— 5 sité ou d'autres défauts# L'examen de tranches découpées transversalement dans le métal déposé, puis polies et attaquées a l'acide, confirme l'observation radiographique selon laquelle le joint est de qualité élevée. Le métal déposé a une limite élastique (E) de 39,05 kg/mm2 (à|0,02$), un allongement (A) pour 25,4 mm de 18,2$, 10 une striction ( S ) de 56$ et une résistance aux chocs Charpy (éprouvette entaillée en V) de 8,3 kgm. On n'observe pas de défauts dans la surface rompue de l'éprouvette de traction. Une éprouvette d'essai de pliage sur le côté, de 6,35 mm d'épaisseur, du métal déposé, a été pliée sur 180°C autour d'un axe de 25,4 mm. Même après 15 une telle déformation, l'examen ne montre que deux criques minuscules, d'une longueur inférieure à 1,587 mm EXEMPLE II 20 On obtient des résultats aussi satisfaisants dans les mêmes conditions quand on utilise des plaques de base et des fils d'apport ayant les compositions données dans le tableau IV, les propriétés des soudures étant données dans le tableau V. TABLEAU IV" Exemple Elément constitutif soudé Ni 9S Cr * Mn * Si io Ti * NI Pe f Cu f 2 Plaque de base 29,1 3,75 0,43 0,05 0,10 0,20 0,82 Complément Métal d'apport 30,3 2,60 0,56 0,36 0,05 0,04 0,67 M Métal déposé 29,6 2,80 0,56 0,28 0,04 0,06 0,83 M 3 Plaque de base 30,1 2,80 0,78 0,045 0,08 0,15 0,81 Complément Métal d'apport 30,3 2,60 0,56 0,36 0,05 0,04 0,67 M Métal déposé 30,3 2,60 0,58 0,28 0,034 0,09 0,80 II 4 Plaque de base 30,1 2,80 0,78 0,045 0,08 0,15 0,81 Complément Métal d*apport 30,7 1,95 0,57 0,37 0,047 0,71 M Métal déposé 30,3 2,38 0,64 0,23 0,033 0,08 0,79 u 5 Plaque de base Métal d'apport Métal déposé 29,1 30,7 30,6 3,75 1,95 2,25 0,43 0,57 0,57 0,05 0,37 0,18 0,10 0,047 0,05 0,20 0,82 0,71 0,88 Complément H u 6 ! Plaque de base Métal d'apport Métal déposé 30,1 29.7 29.8 2,80 2,75 2,53 0,78 1,00 1,00 0,045 0,23 0,26 0,08 0,05 0,06 0,15 0,09 0,08 0,81 0,72 0,75 Complément H " ! ! 7 Plaque de base Métal d'apport Métal déposé 29.5 30,0 29.6 3,15 2,70 2,70 0,66 0,68 0,69 0,15 0,32 0,33 0,09 0,04 0,038 0,73 0,74 0,74 Complément u " î I -4 69 04812 8 2002617 TABLEAU Y Exemple E , kg/mm2 H, kg/mm2 A, $ £ s 1" Résistance aux chocs CSarpy, kgm 2 8,65 12,50 18,2 56,0 8,3 3 8,80 12,45 21,0 53,2 10,5 4 8,05 11,7 18,0 53,2 9,8 5 7,80 11,8 17,0 53,2 12,5 6 9,10 12,95 20,0 43,0 9,1 7 8,85 12,35 14,5 30,5 8,85 ! . . ■ ■ 1 10 15 20 25 Toutes les soudures auxquelles se rapporte le tableau IV ont une qualité excellente* De plus, les propriétés mécaniques données dans le tableau Y ont été obtenues sans aucun traitement thermique après soudage* Ceci constitue un avantage net car, dans le soudage de nombreuses structures, par exemple des récipients résistant à la pression, un traitement thermique après soudage est virtuellement impossible* Cependant, la limite élastique des joints soudés obtenus conformément à l'invention/^tre augmentée par un chauffage dans l'intervalle de températures de 315 a 425°C pendant une demi-heure à deux heureso Un essai bien connu de soudage dans les conditions très sévères est l'essai de fissuration d'une soudure en X, dont une description complète accompagnée d'illustrations est donnée dans nTHB WELDING J0UENAL, Toi» 24, nov» 1946, pages 769S-775S« Un exemple de soudage satisfaisant dans les conditions de cet essai et un exemple comparatif de soudure peu satisfaisante sont donnés dans le tableau rv» TABLEAU VI 35 Exemple Ni $ Cr f Mn Si Ti Zr Fe Cu 8 Flatpe de 29 , 3 base 2,95 0,71 Métal d^ç>-30,l port 2,70 0,69 0,24 0,05 0,06 0,74 » Métal dé- 29,6 2,75 0,78 0,22 0,05 0,05 n.d. « pose 9 Plaque de 29,3 base 2,95 0,71 Métal d'ap- 30,2 port 2,75 0,69 0,65 0,06 0^1 0,73 " 69 04812 9 TABLEAU VI (Suite) 2002617 Exemple Ni Cr Mn Si Ti Zr î?e Cu * $ f° & $ 4, 5 9 Métal dé- 29, i "3 2,15 0,79 0,57 0,06 0,11 n,d. Comjlément pose n»d. = non déterminéo Lors de l'examen des soudures, la soudure de ltexempie 8 n'a pas montré de criques, mais on a décelé environ 5,8 criques par ^ face examinée dans la soudure de l'exemple 9® Cette défaillance psut être attribuée a. la teneur en silicium du métal d'apport, qui est de 0,65$. Dans les essais et les exemples donnés ci—dessus, on a fait appel à un procédé de soudage à l'arc au tungstène en atmosphère T 5 y de gaz, mais on peut également obtenir d'excellents résultats par le procédé de soudage à l'arc métallique dans lequel on utilise une électrode consommable nue« Dans un procédé de ce genre, un fil d'apport, de 1,57 mm de diamètre qui constitue l'électrode, est amené a un chalumeau à une vitesse d'environ 5 mètres/minute. Les 20 compositions de l'alliage soudé, du fil et du métal déposé sont données dans le tableau VII, TABLEAU VII Ni Cr Mn Si Ti Zr Pe Cu 1° 1» f" $ $ f° $ Flaque de base 29,5 3,15 0,66 0,15 0,09 0,73 Complément Electrode 30,3 2,60 0,56 0,36 0,05 0,04 0,67 N Métal déposé 30,5 2,65 0,58 0,28 0,05 0,051- 0,73 M 2q —L'examen de la soudure ne fait apparaître aucun défaut et sa limite élastique est de 40,90 kg/mm2, son allongement à la traction de 19,5$, sa striction de 49,5$ et sa résistance aux chocs Charpy sur éprouvette en V d'environ 9,540 kgm. La résistance à la corrosion des métaux déposés par le procé-dé conforme à l'invention soutient très favorablement la comparaison avec celle des matériaux de base 70-30. Ce fait est mis en évidence par les résultats obtenus avec des soudures qu'on a soumises aux essais pendant 6 mois dans de l'eau de mer pour >déter-miner leur résistance à la fissuration par corrosion sous eon-4Q trainte. On a effectué ces soudures entre des plaques de 12,7 mm 69 04812 10 2002617 d'épaisseur, dont la composition comprend 30sl$ do nickel, 2,8$ de chrome, 0,78$ de manganèse^ 0,05$ de silicium, 0,08$ de titane, 0,15$ de zirconium et 0,81$ de fer, le complément étant essentiellement du cuivre, las soudures ayant été formées à l'aide de quatre 5 métaux d'apport différents qui ne différaient essentiellement que par leur teneur en chrome» Les quatre métaux d'apport contenaient respectivement 1,95$, 2,60$, 2,88$ et 3,30$ de chrome. Les métaux déposés correspondants contenaient 2,4$, 2,6$, 2,8$ et 3,2$ de chrome. On a plié en U chacune des pièces soudées, on les a 10 boulonnées a leurs extrémités et on les a immergées dans de l'eau de mer tranquille pendant 6 mois. Après les avoir retirées de l'eau de mer, leur examen visuel n'a pas montré de traces de fissuration par corrosion sous contrainte, mais les joints contenant moin:> de chrome que le métal soudé étaient apparemment cathodiques par 15 rapport au métal de base. Ceci est une caractéristique désirable» Au contraire, le métal déposé contenant 3,2$ de chrome (obtenu à partir du matériau d'apport contenant 3,3$ de chrome) était légèrement anodique. Etant donné qu'un métal déposé anodique se corrode préférentiellement au métal soudé, l'importance du maintien de 20 la teneur en chrome dans le métal d'apport au-dessous de 2,8$ est de nouveau soulignée« Les alliages qu'on peut facilement souder en utilisant les métaux d'apport conformes à l'invention peuvent itre définis comme ceux qui contiennent 24 à 30$ de nickel, au moins 2,8 à 3,8$ de 25 chrome, 0 à 2,5$ de fer, 0 à 2,5$ de cobalt, 0 à 6$ de zinc, 0 à 3$ de manganèse, 0 à 0,8$ de zirconium, 0 à 0,5$ de silicium, O à 0,5$ de chacun des éléments titane, aluminium, niobium et glucinium, 0 à 0,1$ de carbone et 0 à 0,1$ de magnésium, le complément,à . l'exception des impuretés, étant du duivreo 69 04812 ii 2002617 REVENDICATIONS 1°) Métal d'apport utilisé dans le soudage et caractérisé par le fait qu'il contient 26 à 37% de nickel, 1,9 à, 2j75% de chrome, 0,4 à 2% de manganèse, 0,2 à moins de 0,6% de silicium, 0 à 1% 5 de fer, 0 à 0,1% de carbone, 0 à 0,5% de titane et 0 à 0,3% de zirconium, le complément, k l'exception des impuretés, étant du cuivre.o 2°) Métal d'apport conforme à la revendication 1, contenant au moins 0,5% de manganèse» 3°) Métal d'apport conforme aux revendications 1 ou 2, conte-10 nant 2,3 à 2,7% de chrome. 4°) Métal d'apport conforme à la revendication 1, contenant 2,3 à 2,7% de chrome, 0,6 à 1,5% de manganèse, 0,25 à 0,5% de silicium, 0,02 à 0,2% de titane et 0,02 à 0,3% de zirconium» 5°) Métal d'apport conforme à l'une quelconque des revendica— 15 tions précédentes, qui contient 28 à 32% de nickel» 6°) Métal d'apport conforme è- l'une quelconque des revendications précédentes, qui contient au moins 0,8% de manganèse» 7°) Procédé dans lequel un alliage de base cuivre-nickel, contenant 24 à 38% de nickel et 2,8 à 3,8% de chrome, est soudé 20 à l'arc à un alliage ayant la même composition, en atmosphère de gaz inerte, à l'aide d'un métal d'apport conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, la somme des teneurs en chrome de l'alliage soudé et du métal d'apport ne dépassant pas 6,4%. 8°) Procédé conforme à la revendication 7, dans lequel la 25 somme des teneurs en chrome de l'alliage soudé et du métal d'appor ne dépasse pas 6%. 9°) Structure soudée obtenue par un procédé conforme aux revendications 7 ou 8.