Brevet FR2255990A1 — publié le 19750725

la présente invention concerne les produits employés dans le soudage, notamment les flux pour la protection de la racine du cordon dans le soudage à l'arc des aciers alliés, et les pâtes à base de ces flux L'invention peut être appliquée avec succès au soudage des aciers alliés ayant de hautes caractéristiques de résistance à la chaleur et à la corrosion, par exemple aux aciers austénitiques chrome-nickel et chrome-nickel-molybdène. L'invention peut être appliquée avec une efficacité maximale au soudage des structures en tôles et tubes de diverses épaisseurs. En outre, le flux faisant l'objet de l'invention peut être utilisé dans le brasage et la soudure autogène, car son point de fusion est plus bas que celui des brasures, qui se situe entre 1100 et 1250oC. On connaît un flux pour la protection de la racine du cordon dans le soudage à l'arc des aciers alliés, ayant dans sa composition du silicate de sodium, du bioxyde de titane et du fluorure de calcium. le flux en question contient en outre de l'oxyde de bore, du verre boraté, du fluorure de lithium, du silicate de calcium et du silicate de baryum. On connaît universellement l'influence nuisible du bore sur les caractéristiques mécaniques des soudures, résultant de la fragilité qu'il confère au métal du cordon et de la fissuration qu'il provoque dans les soudures. C'est pourquoi la présence d'oxyde de bore (3203) et de verre boraté (Na23407) dans le flux connu, même en petites quantités (15 à 20 ffi du poids total du flux), peut provoquer le transfert du bore au métal du cordon par suite de la réaction du métal du bain avec le flux. En outre, les recherches effectuées#ont montré que le flux connu présente une série d'inconvénients technologiques. Ainsi, l'utilisation du méthanol ou de l'alcool éthylique à teneur en eau jusqu'à 3% en tant que solvant dans ce flux, abaisse la résistance à la corrosion des soudures et, dans certains cas, provoque la formation de pores dans le#étaÎ du cordon, n'assure pas une bonne adhérence du flux aux pièces à souder et favorise la tombée du flux à la moindre secousse des pièces. Cette dernière circonstance ne permet pas le transport des pièces à souder Jusqu'au poste de soudage, ni leur ajustage réciproque, et ne donne pas la possibilité de les stocker pendant un temps prolongé dans des magasins d'accumulation. De plus, la croûte de scorie se formant lors de la fusion du flux, du fait de la faible différence entre son coefficient de dilatation et celui du métal, reste en général sur le cordon de soudage après soudage, ce qui implique une opération supplémentaire d'élimination de la scorie. L'inconvénient du flux connu consiste aussi en ce qu'il est destiné au soudage des structures en tôles minces. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiquds. Il s'agissait donc de créer un flux et une pâte de flux pour la protection de la racine du cordon dans le soudage à l'arc des aciers alliés, dont les compositions en substances chimique permettraient d'obtenir des soudures à hautes caractéristiques de résistance mécanique, de plasticité et de résistance à la corrosion, n'ayant pas tendance à se fissurer, et assureraient après le soudage l'auto-séparation de la crotte de scorie se formant sur le cordon lors de la fusion. la solution consiste en un flux pour la protection de la racine du cordon dans le soudage à l'arc des aciers alliés, ayant dans sa composition du silicate de sodium, du bioxyde de titane et du fluorure de calcium, ainsi que, d'après l'invention, 28 à 31 % en poids de carbonate de calcium, 9 à 13 %0 en poids de bioxyde de manganèse, les pourcentages pondéraux des autres constituants étant les suivants silicate de sodium 29 à 33fui bioxyde de titane 8 à 12%, fluorure de calcium 13 à 16%. En se fondant sur les recherches bien connues, on a choisi le système de scorie du type Si02-Ca0-Ti02-CaF2, ayant une basicité de 1,4 et caractérisé par son aptitude à conserver dans le métal du cordon les éléments d'alliages, sans lui apporter des éléments altérant ses propriétés physico-chimiques. ledit système contient (en poids) silicate de sodium 29 à 33%, carbonate de calcium 28 à 37, bioxyde de titane 8 à 12%, fluorure de calcium t3 à 16%, ce qui confère au flux des propriétés technologiques optimales (bon mouillage du métal du cordon et de la zone adjacente au cordon, formation d'un film de scorie mince et dense sur toute la surface de la soudure, forte tension superficielle assurant la retenue du métal dans la zone de soudage, ce qui prévient son écoulement en cas de changements accidentels du régime de soudage, et auto-séparation de la scorie couvrant le métal du cordon après soudage). Toutefois, il convient de noter que la particularité de l'action du flux, de même que celle de la ptte de flux, est leur aptitude à la fusion, principalement sous l'effet de la chaleur des bords réchauffés sur les pièees-à souder. Cette circonstance assure la formation, devant le front de fusion du métal, d'un film de scorie liquide mince, mais dense, mouillant bien le métal à souder, protégeant efficacement le métal du bain du côté de la racine du cordon contre l'action nuisible de l'atmosphère. Compte tenu de cette circonstance et des prescriptions auxquelles doivent satisfaire les propriétés physiques de la scorie en ce qui concerne le bon mouillage du métal dans la zone de la soudure à des températures plus basses que le point de fusion du métal, on a ajouté au système de scorie choisi du bioxyde de manganèse assurant la formation, dans la scorie, de protoxyde de manganèse qui abaisse fortement la viscosité de la scorie aux températures comprises entre 1000 et #3000C on obtient ainsi un film mince de scorie liquide devant le front de fusion du métal, ce qui, à son tour, assure uxe protection efficace de la raci#ne du cordon contre l'action nuisible-de l'atmosphère. La scorie sans cet additif n'a la viscosité indiquée qu'aux températures supérieures à 155000, c'est-à-dire à la température de fusion du métal des pièces à souder, ce qui nuit aux propriétés-de la racine du cordon, car, dans nombre de cas, lors de changements des régimes de soudage, le film de scorie n'assure pas la protection complète du dos du cordon, car elle nta pas le temps de s'étaler devant le front de fusion du métal. En outre, l'emploi du flux proposé exclut complètement l'utilisation de l'argon pour la protection de la racine du cordon, surtout dans le soudage des métaux ayant une grande résistance à la corrosion (par- exemple l'acier contenant plus de 17 ffi de Cr, 10 % de ni et d'autres éléments d'alliage). le choix du pourcentage de bioxyde de manganèse est déterminé par la basicité du système de scorie ; une teneur en bioxyde de manganèse inférieure à 90 en poids serait insuffisante pour obtenir la viscosité nécessaire de la scorie (de l'ordre de 5 à 10 poises), et une teneur en bioxyde de manganèse supérieure à-13% lui confèrerait une viscosité excessive. Compte tenu de ce qui vient d'être dit, le flux proposé, ayant la composition indiquée, permet d'obtenir des soudures douées de hautes propriétés mécaniques (Rr 3 55 kg/mm2) et plastiques (A m 30%)- et n'ayant pas de tendance à-la fissuration, car le flux ne contient pas d'éléments nuisibles tels que le bore, dont la mauvaise influence sur la résistance à la fissuration est bien connue. Pour le soudage des aciers alliés stabilisés par le titane, il est avantageux que le flux contienne de l'oxyde de fer (Fe203) à raison de 2 à 6% en poids. Pour le soudage à l'arc avec des électrodes à apport de chaleur spécifique accru, il est avantageux que le flux contienne, à la place du silicate de sodium, du bioxyde de silicium et de l'oxyde de sodium, dont la présence augmente la température de fusion du flux jusqu'à #2000C, tout en lui conservant ses propriétés technologiques optimales. Dans ce cas, le plus avantageux est d'utiliser un flux ayant la composition chimique pondérale suivante carbonate de calcium 25 à 30%, manganèse (dans les oxydes) 4 à 9%, oxyde de sodium 6 à 10%, bioxyde de silicium 20 à 32fui bioxyde de titane 6 à 12%, fluorure de calcium 10 à 16%, oxyde de fer 2 à 6%. Pour augmenter les possibilités technologiques du flux en utilisation, il est avantageux de l'employer sous forme de pâtre. En tant que liant, la pâte peut contenir du verre soluble sodique de densité 1,27 à 1,3t, dans un rapport de 1l: relativement au poids du flux. la présence d'un tel liant ne modifie pas la composition chimique du flux, ni sa composition en substances, et la densité choisie de ce liant assure une bonne adhérence du flux à la surface des pièces à souder. Une telle adhérence permet d'effectuer l'ajustage réciproque des pièces et leur transport, ainsi que de les stocker en magasin avec la pâte pré-appliquée. Une densité du liant inférieure à 1,28 n'assure pas les propriétés précitées ; une densité supérieure à 1,31 augmenterait excessivement la teneur du flux en Si02 et Na20, ce qui est indésirable, car la basicité du flux serait modifiée et il s'ensuivrait, comme on l'a déjà dit, un changement de ses propriétés physico-chimiques. En outre, la densité choisie du liant assure le séchage rapide de la pâte, au bout de 10 à t5 mn à 2zoo0, sur les surfaces des pièces préparées au soudage, ce qui est particulièrement important dans les travaux préparatoires. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par la description détaillée d'exemples de réalisation non limitatifs illustrés par les dessins annexés, dans lesquels : - la figure : repré#sente une première variante de préparation au soudage de tôles, dans laquelle du côté de la racine du cordon est appliqué le flux conforme à ltinvention - la figure 2 représente une seconde variante d'application du flux conforme à l'invention sur les tales à souder - la figure 5 représente un joint bout à bout de tubes, préparé au soudage, avec la pâte conforme à l'invention appliquée du c8té de la racine du cordon. - la figure 4 représente un joint bout à bout de tôles préparées pour le soudage avec la pâte conforme à l'invention appliquée du côté de la racine du cordon. le flux conforme à l'invention a la composition chimique pondérale suivante carbonate de calcium 28 à 31 *, bioxyde de manganèse 9 à 13 , silicate de sodium 29 à 33%,, bioxyde de titane 8 à 12 , fluorure de calcium 13 à 16 . Ce flux est destiné à protéger la racine du cordon dans le soudage à l'arc des aciers alliés. Le flux objet de l'invention et la pâte de ce flux réalisée suivant l'invention en lui ajoutant un liant, sont utilisés dans le le soudage de pièces du type tôles ou tubes. Pour le soudage des tubes il est plus pratique d'utiliser la pâte de flux, car l'emploi de dispositifs de retenue et de rubans adhésifs s'avère alors assez compliqué et augmente le coût de la preparation des pièces au soudage Ainsi, par exemple, dans le cas du joint bord à bord de tôles préparé au soudage, montré sur la figure 1, le flux est appliqué sur la surface 2 des tôles à souder 3, le long du joint 4, du côté de la racine du cordon. Pour que le flux~1 contacte bien la surface 2, il est versé dans une augette 5 spéciale. La figure 2 représente une autre variante d'application du flux 1 sur la surface 2 des tôles 3 à souder, le long du joint 4 de ces tôles, du côté de la racine du cordon. le flux 1 est maintenu contre les surfaces 2 par un ruban adhésif 6. Pour le soudage des aciers alliés contenant du titane,par exemple 18,0% @r, 11,0% Ni, 0,55% Tille reste étant du fer,on utilise un flux contenant 2à6 % en poids d'oxyde de fer.Cet oxyde assure la formation , dans la scorie , de protoxyde de fer qui à 1250 - 1300 C , réagit avec le carbure de titane se formant au cours du soudage dans le métal du cordon. Par suite de cette réaction, il se forme de l'oxyde de carbone (oxo) qui s'en va en phasè gazeuse en abaissant jusqu'à la valeur voulue le taux de carbone dans la racine du cordon. On observe un abaissement du taux de carbone de 0,09 à 0,03%, ce qui améliore notablement les propriétés anticorrosives de toute la soudure. l'emploi du flux à la place de l'argon pour la protection du dos du cordon (racine du cordon), permet d'assurer une pénétration garantie lors du soudage et d'obtenir un cordon dont la racine est exempte de brûlures, de manques de fusion, grâce à l'influence favorable du film de scorie liquide, qui soutient en quelque sorte le métal liquide du cordon quand son volume augmente en cas de montée fortuite du régime de soudage. Un abaissement fortuit du dégagement de chaleur pendant un temps court n'est pas suivi d'un manque de pénétration, car devant le front de fusion il y a déjà une réserve de calories accumulées dans la zone de soudage grâce å-lteffet d'isolement et d'écran du film de scorie. Cette bonne propriété se manifeste surtout dans le soudage des petites épaisseurs. L'emploi du flux permet d'abaisser dans une mesure notable le coû-t des travaux de soudage grâce à l'économie d'argon. Pour un mètre de cordon, la dépense d'argon est de 20 à 40 litres. Le flux est appliqué sur les surfaces planes Comme son application sur les surfaces courbes s'avère difficile, on l'utilise sous forme de patte, ce qui élargit ses possibilités technologiques. Pour le sondage du joint bout à bout représenté sur la figure 3, on applique la pâte 7 sur les surfaces intérieures 8 des tubes à souder 9, le long de leur joint 10, du c8té de la racine du cordon. Be la même façon on peut aussi appliquer la pâte sur des talès à assembler,-montrées sur la figure 4. La pâte 7 est appliquée sur la surface ft des tôles 1 l# long de leur joint 13,-du côté de la racine du cordon. Le liant de la påte de flux est du verre soluble sodique de densité 1,27 à 1,31 dans un rapport de 1/t relativement au poids du flux. L'utilisation de ce liant ne modifie pas la composition chimique du flux, car le verre sodique ne donne qu'une augmentation insignifiante de la quantité de silicate de sodium, sans changement de la composition chimique totale du flux et, par conséquent, sans changement de ses propriétés physico-chimiques. Non seulement la pâte proposée permet d'obtenir des soudures ayant des propriétés mécaniques, plastiques et anticorrosives élevées, et n'ayant pas de tendance à la fissuration, mais elle est en outre douée d'un bon pouvoir d'adhérence à la surface des pièces à souder, en restant pendant un temps prolongé sur la surface des pièces à souder et en rendant possible les manutentions de ces pièces et leur ajustage réc i. nroque . Outre les avantages indiqués, le flux et la pâte de flux permettent d'obtenir des soudures de qualité quand les bords des-pièces ont un décalage relatif notable (jusqu'à 2 mm) avec, ce qui est important, une pénétration de 100% et la possibilité de régler le renforcement de la racine du cordon. il convient aussi de noter que, tant dans le soudage des tôles minces que dans le soudage des pièces d'épaisseur supérieure à 3 mm, l'application de la couche de flux ou de la pâte de flux s'effectue une seule fois avant le soudage, ce qui est suffisant pour obtenir une soudure de qualité, car le film de scorie se formant lors de la fusion du flux (de la pâte de flux) protège efficacement le métal du cordon et se détache lui-m8me quand la-soudure se refroidit jusqu'à une température inférieure à 10000. Pour une meilleure compréhension de l'inventionj plusieurs exemples de réalisation concrets mais non limitatifs sont décrits ci-après. EXEMPLE 1. Soit à souder à l'aide de la pâte un joint bout à bout sur tubes sans rotation des tubes. les tubes sont en acier chrome-nickel contenant (en poids) chrome 17,7%, nickel 10,5%, titane 0,55%, carbone 0,09s, manganèse 1,29%, silicium 0,57%, fer le reste. L'épaisseur des tubes est de 5 mm, leur diamètre de 8,5 mm. le soudage est exécuté sous argon avec une élactrode réfractaire ss 3,0 mm et avec un fil d'apport pour la réalisation de la seconde couche, l'intensité du courant soudage étant de 100 à 120 A- et la tension de l'arc étant de 10 à t5 V. On emploie une p te conforme à l'invention, contenant un flux de composition pondérale suivante carbonate de calcium 27%, manganèse (dans les oxydes) 5%, oxyde de sodium 7%, bioxyde de silicium 31%, bioxyde de titans 9%, fluorure de calcium 13%, exyde de fer 5%, et, en tant que liant, du verre soluble sodique de densité 1,30, dans un rapport de 1/1 relativement au poids total du flux. On applique une couche de p#te de 0,5 mm d'épaisseur et de 5 mm de largeur sur la surface des tubes, le long de leur joint, du côté de la racine du cordon. la durée de séchage à 250C est de 10 mn. On exécute ensuite le soudage en deux couches. On obtient en définitive une soudure ayant les caractéristiques suivantes. Composition chimique pondérale du métal dans la racine du cordon chreme 17,9%, nickel 10,4%, titane 0,56%, carbone 0, 08%oS manganèse 1,31%, silicium 0,52% fer le reste. Caractéristiques mécaniques de la soudure charge de rupture Rr = 66,3 kg/mm2, allongement relatif A = 40,010. L'examen de la soudure pour la détection de la cerrosion intercristalline n'a fait apparaître aucune fissure. l'étude métallographique de la soudure a fait apparaître la structure cristallinè fine désorientée d'une austénite à taux de phase &alpha; ne dépassant pas 2%, uniformément répartie dans la section du cordon. Lors du refroidissement de la soudure au-dessous de 10000, la crotte de scorie se détache du métal spontanément. EXEMPLE 2. Soit à souder, à l'aide d'un flux conforme à l'invention, un joint bord à bord de tole de 5 mm d'épaisseur en acier contenant (en poids) chrome 17,88%, nickel 15,9 %, molybdène 3,34%, titane 0,52%, manganèse 1,66%, silicium 0,80%, carbone fer le reste. On exécute le soudage sous argon en deux passes, avec une électrode de ~3mm et avec un fil d'apport pour la seconde couche, de composition analogue à celle du métal à souder, l'intensité du courant de soudage étant de 100 à t60 A et la tension de l'arc de 12 à t5 V. On emploie un flux de composition pondérale suivante : carbonate de calcium 30%, manganèse (dans les oxydes) 4,6%, bioxyde de silicium 28,0%, bioxyde de titane 11,5%, fluorure de calcium t5,0%, oxyde de fer 3,5%. On applique ce flux et on le fixe avec un ruban adhésif sur les surfaces des pièces à souder, le long de leur joint, du côté de la racine du cordon. On exécute le soudage en deux passes. Eh définitive on obtient une soudure ayant les caractéristiques suivantes. Composition chimique pondérale du métal du cordon chrome 17,50%, nickel 15,6%, molybdène 3,30g titane 0,48%, manganèse 1,554k, silicium 0,76%, carbone 0,07%, fer le reste. Caractéristiques mécaniques de la soudure Rr = 56,0 kg/mm2, A = 35,0%. l'étude métallographique de la section transversale du métal du cordon a fait apparaître une structure inoculée à distribution uniforme de la phase ÛC dans toute la section. L'examen pour la détection de la corrosion intercristalline n'a fait apparaître aucune fissure. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituants des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Flux pour la protection de la racine d'un cordon de soudure lors du soudage à l'arc des aciers alliés, du type comprenant dans sa composition du silicate de sodium, du bioxyde de titane et du fluorure de calcium, caractérisé en ce que, outre ces constituants introduits dans les proportions pondérales suivantes silicate de sodium 29 à 33%, bioxyde de titane 8 à 12, fluorure de calcium 13 à 160,', il contient les constituants suivants (en poids) : carbonate de calcium 28 à 31%, bioxyde de manganèse 9 à 13%, 2. Flux selon la revendication t, caractérisé en ce qu'il contient de l'oxyde de fer à raison de 2 à 6 en poids. 3. Flux selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il a la composition chimique pondérale suivante carbonate de calcium 25 à 300 manganèse (dans les oxydes) 4 à 9 , -oxyde de sodium 6 à 10%, bioxyde de silicium 20 à 32%, bioxyde de titane 6 à 12%, fluorure de calcium 10 à 16%, oxyde de fer 2 à 6 4. Pâte à base du flux faisant l'objet de la revendication 3 avec un liant, caractérisé en ce qutil contient du verre soluble sodique de densité #,27 à 1,3t dans un rapport de 1/1 relativement au poids du flux.