Brevet FR2391807A1 — publié le 19781222

La présente invention concerne le soudage de l'acier a l'are submergé. On a déja mis au point une grande variété de flux et de fil de soudage permettant d'obtenir, par soudage å l'are submergé une soudure possèdant une bonne résilience, notamment par l'utilisation de flux basiques associés à des fils classiques type : S2 - S3 - Sq, ou éventuellement allés avec du molybdène S2Mo, S3Mo, S4Mo. Toutefois, l'utilisation d'un flux hautement basique, associé b des fils classiques, ne permet d'obtenir un haut niveau de résilience å basse température qu'en utilisant une faible énergie de soudage, rapportée au cm de longueur de cordon de soudure, et au rom d'épaisseur du joint a souder. En pratique, cette énergie doit être inférieure a : Vs 41,5 Kj/cm/mm. Cette énergie est insuffisante pour effectuer des assemblages bipasses. Pour ceux-ci, on utilise des flux "acides" ou "neutres' qui associés a des fils classiques choisis (en général S4 ou S4Mo), apportent de grandes quantités d'éléments trempants (Mn - Si et Mo) au métal de soudure, accroissant sa tenacité.Toutefois, on ne peut augmenter indéfiniment la teneur en ces éléments du métal de soudure, sans augmenter dangereusement la dureté de celui-ci. Pour cette raison, on ne peut garantir avec ces couples classique des résiliences supérieures a 6 DaJ/cm2 a - 200 C. Pour abaisser La température de transition, on peut préconiser l'addition de nickel. en utilisant des fils alliés au nickel (b environ 3 %) mais le prix de la soudure s'en trouve alors fortement augmenté. On a proposé diverses améliorations en utilisant soit des fils fourrés contenant du bore et du titane métalliques, soit des fils pleins contenant du bore et du titane métallises intro duits dans des limites de teneur extrement étroites, soit des flux agglomérés contenant du bore sous forme métallique ou oxydée, et du titane sous forme métallique. Ces techniques apportent des gains appréciables pour les niveaux de résilience, en revanche chacune présente plusieurs inconvénients importants. Dans le cas des fils fourrés au bore, le pourcentage de bore b introduire dans le fil fourré est si faible, en géné raL inférieur å 0,03 %, qu'il est difficile d'éviter une ségréga tion de répartition du bore, le long du fil en cours de fabrica tion. De plus, l'utilisation d'un fil fourré pour le soudage a forte énergie provoque le phénomène bien connu du pompage, caractérisé par un rougissement irrégulier du fil lors de l'opé- ration de soudage. Ces phénomènes ont pour conséquence une hétérogénéité de répartition du bore dans le cordon de soudure. Les fils pleins contenant du bore et du titane sont essentiellement conçus pour être utilisés avec des flux basiques. Ceux-ci permettent de diminuer suffisamment les teneurs en ces deux éléments pour rendre le fil apte x la fabrication. Par contre, les fourchettes imposées pour les teneurs sont si étroi tes, par exemple le bore étant compris entre 0,0030 et 0,0040 %, qu'iL est difficile x l'aciériste de les respecter. De plus les qualités opératoires de ces flux sont limitées surtout lors du soudage a grande vitesse. Dans les flux agglomérés le bore est introduit en si faible quantité, qu'il n'est pas possible de garantir- son homo généité de répartitions dans la masse du flux, lors de l'agglo mération, en raison des différences de densité apparente et de granulométrie des diverses matières premières. D'autre part, le titane est toujours introduit sous forme métallique, ce qui est a l'origine de trois conséquences néfastes. Pour éviter l'oxydation du titane on est contraint de cuire le flux b basse température, ce qui entraine des risques importants de reprise en humidité. L'oxydation du titane de La partie de poudre non fondue, mais portée x haute température pendant l'opération de soudage, provoque un abaissement de la teneur métallique du flux recyclé.Il se produit également une variation de l'action et du transfert du titane du flux en fonction des modifications ther miques et volumiques de l'arc électrique, dépendant des condi tions de soudage. L'ensemble de ces phénomènes cause l'irrégula rité ou l'hétérogénéité des transferts en titane et bore du flux aggloméré dans le métal déposé. et il ne parait pas possible de garantir la constance des caractéristiques mécaniques dans ces conditions. On a trouvé selon la présente invention un couple filflux apportant du titane et du bore dans le métal fondu tout en supprimant pratiquement les inconvénients précédémment énoncés et en garantissant la constance des caractéristiques mécaniques du métal fondu b haute énergie. Le couple fil-flux est constitué par un flux contenant un composé du bore associé a un fil plein contenant du titant métal. Le couple fil-flux selon l'invention consiste a combiner un apport de titane par le fil qui n'est pas ou peu affecté par les variations de longueur d'arc et un apport de bore par le flux, le bore étant obtenu par réduction du composé du bore, tel l'oxyde de bore contenu dans le flux. La teneur en bore est très régulière car elle résulte d'un équilibre physico-chimique entre le métal et le laitier. Le titane métal apporté par le fil protège la mise en solution du bore dans la matrice du métal de soudure. Dans la pratique, la teneur en bore exprimée en oxyde de bore est comprise entre 0,050 et 0,40 % du-poids total du flux et la teneur en titane métal est comprise entre 0,040 et 0,50 % du poids total du fil plein. Suivant le type d'application du procédé de soudage å grande vitesse ou a vitesse relativement lente on choisira respectivement une variante de l'invention particulièrement adaptée au résultat recherché. Selon une variante de l'invention, la teneur en bore exprime? en oxyde de bore est comprise entre 0,15 et 0,40 % du poids total du flux et la teneur en titane métal est comprise entre 0,10 et 0,50 % du poids total du fil plein. Selon une autre variante, la teneur en bore exprimée en oxyde de bore est comprise entre 0,050 et 0,30 % du poids total du flux et la teneur en titane métal est comprise entre 0,040 et 0,30 7. du poids total du fil plein. Selon un autre objet de l'invention le titane métal d u fil peut être associé x au moins un métal désoxydant. Le métal préféré est l'aluminium métal qui peut lui-même être introduit dans le fil en présence de Zirconium et/ou de cérium sous forme métal. L'association titane-aluminium sous forme métal, comme dans le cas du titane seul représente 0,040 A 0,50 7 du poids total du fil plein, le titane étant présent dans l'association k raison d'au moins 0,020 %. Quand l'association est plus complexe, la teneur globale de l'association est inchangée et il en est de même pour la teneur minimale en titane. Le fil plein z au plus 0,16 % de carbone contient en plus les éléments classiques nécessaires å une bonne soudure, a savoir : silicium inférieur a 0,5 %, manganèse compris entre 0,2 et 3 %, nickel au plus 3,5 X, molybdène au plus 1,5 X par rapport au poids totaL du fil, ainsi que les additions ou impuretés rencontrées normalement dans les fils pleins de soudage a l'arc submergé, telles chrome, cuivre, soufre, phosphore, arsenic, étain. Il pourra en outre contenir des éléments tels vanadium et niobium, sous réserve que la teneur en vanadium n'excède pas 0,2 X et celle en niobium 0,1 % du poids total du fil. La teneur du fil en titane métal est fonction de la teneur en carbone de la tôle k souder et du pouvoir oxydant du flux. La teneur du fil en titane métal est d'autant plus élevée que la teneur de 1s tôle en carbone est plus faible et que le pouvoir oxydant du flux est plus élévé, ctest-å-dire pratiquement que L'indice de basicité est plus faible. De plus, pour l'obten- tion d'un bon niveau de résilience et d'une dureté pas trop élevée du métal déposé, il est avantageux de limiter la teneur en carbone du fil plein. Les fils pleins ayant une teneur normale de 0,L2 b 0,16 % en carbone conviennent particulièrement bien a la réalisation de l'invention. Dans la pratique pour faciliter la fabrication des fils pleins, il est souhaitable de n'introduire que des quantités relativement peu élevées en titane métal éventuellement associé z un ou plusieurs désoxydants. Selon un autre objet de l'invention pour réduire la teneur du fil en titane métal et désoxydants associés le flux contient de l'oxyde de titane sous forme de rutile éventuellement associé 8 de l'alumine. La teneur maximale de l'association rutile-alumine est fonction de l'indice de basicité du flux et pour obtenir une bonne qualité opératoire elle doit être au plus égale a 60 % du poids total du flux. Le flux contient en outre les éléments habituellement présents pendant leur élaboretion, tels les oxydes ou fluorures de Lithium, sodium, potassium, magnésium, baryum, manganèse, fer, zirconium ..., et s'il s'agit de flux agglomérés, il peut contenir des carbonates de lithium, sodium, potassium, magnésium, baryum, manganèse .. et lesdésoxydants conventionnels intro duits sous forme de corps simples, de ferro ou autres alliages, comme le silicium et manganèse sous réserve que la teneur en silicium soit comprise entre 0,3 et 4 % et celle du manganèse entre 0,5 et 6 %.Le flux peut aussi contenir des éléments d'addition comme le nickel, molybdène, vanadium, niobium sous réserve que la teneur en nickel n'excède pas 3,5 X, en molybdène 1,5 %, en vanadium 0s3 Z et on niobium 0,2 %. L'indice de basicité du flux B est déterminé selon la formule Pratiquement, on peut répartir les flux en trois classes en fonction de leur indice de basicité, consignées dans le tableau I ci-dessous Tableau I lasse Indice de basicité Teneur en carbone du fil plein I B > 2 C0,l2 7. Il B# 2 1,2# B 2 o, 12 % III B 1,2 c#0,16 % En fonction de la basicité du flux, la teneur en rutile et/ou alumine doit être au plus égale å 20 % du poids total d'un flux de classe I, a 35 7. d'un flux de classe Il et a 50 % d'un flux de classe III. De plus, on a constaté qu'il existe une bonne corrélation entre la teneur en oxygène du métal déposé et l'indice de basicité du flux. Le flux mis en oeuvre dans l'invention peut être a l'état aggloméré ou préfondu ; chaque forme présentant certains avantages L'emploi d'un flux aggloméré maintient le risque d'hétérogénéité de répartition de l'oxyde de bore dans le flux, mais supprime les fluctuations possibles de l'action et du transfert en titane et éventuellement en aluminium et autre désoxydant. De préférence, on choisit un flux prés tondu qui supprime tout risque d'hétérogénéité de répartition de l'oxyde de bore dans le flux, donc dans le métal déposé. Le flux et le fil plein sont préparés selon des techniques usuelles. Le couple fil-flux trouve son application dans de nombreux domaines techniques, notamment dans les assemblages monopasse et bipasse d'épaisseur de joints comprise entre 5 et 4G rom sur aciers doux et les aciers a haute limite élastique. L'invention est utilisable dans deux grands domaines d'application, en particulier elle convient au soudage des tubes type pipelines et en chaudronnerie moyenne et lourde pour la construction de réservoirs de stockage, de cuves, platef ormes marines ... et dans la construction de la grosse charpente métallique. On obtient d'excellents résultats dans le aoudage type pipeline a plusieurs électrodes, deux, trois ou quatre, å grande vitesse, jusqu'a 4 mètres par minute avec une dilution élevée de 50 a 75 %, et des flux de basicité relativement faible jusqu'a acides, en général inférieur x 1,2. Avec des flux particulièrement adaptés on peut travailler avec un indice de basicité compris entre 1,2 et 2. Par dilution métallique on désigne la proportion du métal de tôle fondu par rapport a l'ensemble du métal fondu. Pour ce type d'application en soudage b grande vîtes- se, un couple fil-flux, dans lequel la teneur en bore exprimée en oxyde de bore est comprise entre 0,15 et 0,40 % du poids total du flux et la teneur en titane métal comprise entre 0,10 et 0,40% du poids total du fil plein, conduit a de très bons résultats. L'intérêt du couple fil-flux est notable lors du soudage des épaisseurs supérieures b 20 rom, en grosse chaudronnerie par exemple, a un ou deux, trois électrodes et a vitesse relativement lente-inférieure a 1,20 - 1,30 mètre par minute avec deux électrodes et a 50 cm avec une seule électrodeavec une dilution métallique moyenne de 20 a 70 %, pratiquement 50 % - 60 %, et des flux basiques d'indice supérieur b 2. Dans de nombreux cas d'application les flux d'indice de basicité compris entre 1,2 et 2 conviennent au soudage des fortes épaisseurs. Et un couple fil-flux, dans lequel la teneur en bore exprimée en oxyde de bore est comprise entre 0,050 et 0,30 % du poids total du flux et la teneur en titane métal comprise entre 0,040 et 0,30 % du poids total du fil, est avantageux dans ce type de soudague. Il est donné ci-après des exemples qui illustrent l'invention å titre non limitatif. ExemPle 1. Couple fil-flux pour le soudage monopasse ou bipasse å une électrode pour des épaisseurs de 5 a 25 mm, avec une dilution métallique de 50 a 60 % et une vitesse de soudage c 1,30 mètre par minute. 1) Flux fondu très basique, donnant un très haut niveau ductile (classe I) Tableau Il Basicité % SiO2 % MnO % Al2O3 % Tio2 %CaO % CaF2 % B2O3 2,9-3,1 6-9 1-3 20-23 3-6 10-13 19-22 0,10-0,20 2) Fil plein type S3-S4 Tableau III % Mo % C % Mn 7. Si % Ti Al+Ti % S % P 0,20-0,40 0,05-0,10 1,5-2,0 0,2-0,4 #0,020 #0,100 #0,015 #0,025 Al + Ti sont simplement utilisés comme désoxydants complémentaires dans l'élaboration du fil0 On peut envisager une addition de molybdène et de nickel pour obtenir des charges a la rupture plus élevées. Pour des épaisseurs supérieures a 25 mm on prévoit des passes supplémentaires, et la dilution métallique est dans ce cas de 20 a 40 % Exemple 2 Couple fil-flux pour le soudage monopasso ou bipasse b 1 ou 2 électrodes pour des épaisseurs de 5 a 35 mm, avec une dilution de 50 a 60 a, et une vitesse de soudage de l'ordre de 1,20 mètre par minute. Pour des épaisseurs plus élevées, on prévoit des passes supplémentaires. 1) Flux aggloméré basique, donnant un haut niveau ductile Tableau IV Basicité % SiO2 % MnO % Al2O3 % Tio2 % MgO % Na2O + k2O 1,7-1,9 10-13 3-6 21-25 6-10 27-30 1,5-3,5 %Si % Mn % B2O3 1-2 204 0,015 0,030 2) Fil plein type S2 - S3 Tableau V % Mo % C % Mn % Si % Ti % Ti + Al % S % P 0,20- 0,06- 1,0-1,5 #0,30 #0,020 0,050#%0,150 #0,015 #0,025 0,40 0,11 Al + Ti sont utilisés comme désoxydants complémentaires et le molybdène et le nickel peuvent être ajoutés au fil pour accroître la charge å la rupture. Exemple 3 Couple fil-flux pour le soudage monopasse ou bipasse, a grande vitesse, de l'ordre de 2 mètres par mn, a plusieurs électrodes pour des épaisseurs comprises entre 5 et 30 mm, avec une dilution élevée de l'ordre de 60 %, avec des flux de basicité faible. Pour des épaisseurs plus élevées la vitesse de soudage est réduite. 1) Flux fondu neutre, donnant un bon niveau ductile Tableau VI Basicité % SiO2 % Al2O3 % TiO2 % CaO % CaF2 %MgO %B2O3 0,9-1,1 31-34 2-3 10-14 17-20 11-14 3-5 0,20-0,40 2) Fil plein type S4 Tableau VII Z Mo Z C % Mn 7 Si 7 Ti Ti + Al 0,40-0,60 0,10-0,16 1,7-2,2 0,20-0,40 #0 % P O,020 0,020 Dans l'association Ti + Al le Ti est présent b raison de 0,10 à 0,40% le titane pouvant être seul. On peut ajouter du molybdène et du nickel pour obtenir des charges a la rupture plus élevées. Exemple 4 Couple fil-flux pour le soudage monopasse ou bipasse x très grande vitesse jusqu'a environ 4 m par minute, a trois électrodes ou plus, pour des épaisseurs comprises entre 8 et 35 mm. 1) Flux fondu acide Tableau VIII Basicité % SiO2 %MnO %Al2O3 % TiO2 % CaO %CaF2 %B2O3 0,5-0,7 36-39 11-13 4-6 14-17 20-24 4-7 0,20-0,40 2) Fil plein type S2 Tableau Ix %Mo 7.C 7. Mn % Si % Ti Ti+Al+Zr % S 0,40- 0,07- 1,0-1,5 #0,10 0,15-0,35 0,15-0,40 #0,020 % P 0F60 0,13 I Exemple 5 Etude des couples fil-flux sur des tôles pour les pi peines en acier X 65 et X 70 I Composition chimique des flux utilisés Tableau X tF ux Analyse F.1 F.2 F.3 F.4 F.5 F.6 #0,025 % SLO, 32,5 32,5 39,8 40,0 38,2 38,5 % Al2O3 3,0 3,1 3,0 3,0 5,0 5,0 % TiO2 12,0 12,0 3,0 :3,0 16,0 16,0 % MnO 18,0 18,0 20,0 20,0 12,5 12,5 X CaO 18,0 18,0 18,0 18,0 22,5 22,5 % MgO 4,2 4,2 4,0 4,0 / % CaF2 12,0 12,0 12,0 12,0 5,5 5,5 % B2O3- 0,30 0,20 0,20 0,01 0,30 $lt; 0,01 Bssicité 1,1 1,1 1,0 1,0 0,7 0,7 Il-Composition chimique des fils pleins utilisés Tableau XI Fil W.1 W.2 W.3 W.4 W.5 Analyse Z C 0,121 0,080 0,040 0,040 0,040 Z Mn 1,82 L,80 2,05 2,05 2,05 Z Si 0,19 0,10 0,10 0,10 O, 10 % Mo 0,52 0,45 0*48 0,48 0,48 % Ti / 0,23 0,35 0,25 % S 0,020 0,015 0,015 0,015 0,015 P 0,025 0,023 0,023 0,023 0,023 On réalise le soudage monopasse de chaque côté de tôles pour pipeline de nuance X 65 et X 70, par le procédé a l'arc submergé a 2 électrodes, en courant alternatif Les paramètres de soudage sont Les suivants Tableau XII X 70 X 65 1ère passe 2ème passe lère passe 2ème passe Il 800 A 900 A 950 A 950 A Vl 32 V 32 V 34 V 34 V 1 2 700 A 700 A I2 750 A 750 A V 2 36 V 36 V 2 38 V 38 V V S 1,05 m/mn 1,40 m/mr Vs 0,77 m/mn 1,10 m/mn Les intensités et voltages appliqués a chaque électrode sont désignés par Il et 12 et Vl et V2, exprimés on ampères et volts. La vitesse de soudage représentée par Vs est exprimée en mètre par minute. On prélève des éprouvettes Charpy au centre de la soudure. On procède à l'analyse chimique du métal déposé et on détermine la résilience charpy Kc exprimée en décajoules par cm Daj/cm à - 20 C et - 40 C. Essais 5 A Soudage des aciers X 70 épaisseur éprouvette Charpy = 16,8 mm Tableau XIII Couple fil-flux Fl - Wl F1 - W2 Analyse chimique du métal déposé % C 0,100 0,083 % Mn 1,56 1,46 % Si 0,35 0,39 % Mo 0,32 0,28 % Ti 0,009 0,023 X B 0,0028 0,0028 % S 0,009 0,008 % P 0,025 0,023 Kb en Daj/cm - 20 C 11 12 - 400 C 5,5 9,5 Essais 5 B - Soudage des aciers X 65 - épaisseur éprouvette Charpy = 19 mm Tableau SIV Couple fil-flux F2-W3 F3-W4 F4 -W4 F4-W5 F5-W4 F6-WI Analyse Z C 0,074 0,069 0,065 0,068 0,067 0,061 chimique Z Mn 1,56 1,64 1,56 1,60 1,46 1,32 du metal Z Si 0,26 0,27 0,34 0,25 0,36 0,23 déposé Z Mo 0,28 0,29 0,26 0,26 o,29 0,27 Z Ti 0,034 0,027 0,029 0,006 0,036 0,002 % B 0,0023 0,0020 0,0028 Z S 0,008 0,003 0,008 0,008 0,008 0,008 % P 0,024 0,023 0,024 0,024 0,025 0,024 DC en -20 C 11 8 5,5 4,5 8 5,5 Daj/cm 400 C 9 6 3,5 2,5 5,5 3,5 Les résultats ci-dessus mettent en évidence 1'influ- once très nette de l'addition conjuguée du titane et de bore dans le métal de soudure, lorsque ces éléments sont apportés par le couple fil-flux dans les conditions de L'invention. REVENDICATIONS 1 Couple fil-flux pour le soudage a l'arc submergé dans lequel le flux contenant un composé du bore est associé & BR 7e du poids total du flux et la teneur en titane métal est comprise entre 0,040 et 0,50 Z du poids total du fil plein. 2. Couple fil-flux selon la revendication 1, caractérise en ce que la teneur en bore exprimée en oxyde de bore est comprise entre 0,15 et 0,40 7* du poids total du flux et la teneur en titane métal est comprise entre 0,10 et 0,50 % du poids total du fil plein. 3. Couple fil-flux selon la revendication 1, caractéri- se en ce que la teneur en bore exprimée en oxyde de bore est comprise entre 0,050 et 0,30 Z du poids total du flux et la teneur en titane métal est comprise entre 0,040 et 0,30 Z du poids total du fil plein. 4. Couple fil-flux selon la revendication 1, caractérisé en ce que le titane métal est associé å de l'aluminium métal, cette association correspondant a 0,040 a 0,50 % du poids total du fil plein, le titane métal étant présent dans l'association å raison d'au moins 0,020 r 5. Couple fil-rlux selon la revendication 1, caractérisé en ce que le titane métal est associé å au moins un membre du groupe constitué par l'aluminium, le zirconium et le cérium, la teneur de l'association correspondant a 0,040 a 0,50 Z du poids total du fil plein, le titane métal étant présent å raison d'au moins 0,020 %. 6. Couple fil-flux selon une quelconque des revendications L a 5, caractérisé en ce que le fil possède en outre les éléments suivants a des teneurs exprimées par rapport au poids total du fil : carbone au plus 0,16 Z, silicium au plus 0,5 Z, manganèse compris entre 0,20 et 3 Z, nickel au plus 3,5 %, molybdène au plus 1,5 Z, vanadium au plus 0,2 Z, niobium au plus 0 > 1 %. 7. Couple fil-flux seLon une quelconque des revendications 1 x 6 caractérisé en ce que le flux est a l'état préfondu. 8. Couple fil-flux selon une quelconque des revendications 1 a 7 caractérisé en ce que le flux contient de l'oxyde de titane sous forme de rutile éventuellement associé a de l'alumine. La teneur maximale de l'association rutile-alumine étant fonction de l'indice de basicité du flux et au plus égale å 60 % du poids total du flux. 9. Application du couple fil-flux selon une quelconque des revendications 1 a 8, caractérisé en ce que l'on procède au soudage en monopasse et bipasse des assemblages d'épaisseur de joints comprise entre 5 et 40 mm sur aciers doux et faiblement alliés a dispersoides ou non et les aciers a haute limite élastique. 10. Application du couple fil-flux selon une quelconque des revendicationsl et 2 et 4 a 9, caractérisé en ce que l'on procède au soudage de tubes, type pipelines, 3t grande vitesse, å plusieurs électrodes avec des flux de basicité relativement faible jusqu'a acides et une dilution élevée de 50 a 75 11. Application du couple fil-flux selon une quelconque des revendications 1 et 3 a 9, caractérisé en ce que l'on procède au soudage de fortes épaisseurs, en soudage mono-passe, bipasse ou multipasse, å vitesse relativement lente, avec au plus deux électrodes, des flux basiques ou neutres et une dilution moyenne de 20 a 70 %.