Brevet FR2489730A1 — publié le 19820312

PROCEDE DE SOUDAGE A L'AKC SOUS FLUX SOLIDE D'ACIERS DE CONSTRUCTION L'invention se situe dans le domaine du soudage des aciers de construction et concerne plus précisément un procédé de soudage à l'arc sous flux solide de tôles d'aciers contenant du carbone et du manganèse, calmes à l'aluminium. On a déjà étudié différentes solutions (choix de l'énergie de soudage, du flux de soudage, du fil électrode) pour obtenir des soudures de bonnes caractéristiques, c'est-à-dire des propriétés métallurgiques du métal fondu adéquates, à savoir : bonne ténacité, niveau ductile élevé, température de transition de la résilience basse, haute limite d'élasticité. Le but de la présente invention est précisément de fournir un procédé de soudage de tôles d'acier permettant d'abaisser considérablement la température de transition de la résilience du métal fondu, et également d'augmenter sa limite d'élasticité. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de soudage d'aciers de construction selon lequel on crée un arc électrique entre les pièces à souder et un ou plusieurs fils électrodes et on amène un flux solide sur le bain de fusion. Le procédé se caractérise en ce que l'on choisit la composition du flux de soudage en silice SiO2 et oxyde de manganèse MnO en fonction de la teneur de l'acier à souder en élément(s) désoxydant(s) tels que l'aluminium, selon la relation teneur en SiO2 en % + teneur en MnO en % = ri0,76 (teneur en Al en 10 %) - 6, 7 13, de façon à ce que la teneur en oxygène du métal fondu soit fonction de la teneur en aluminium de l'acier à souder selon la relation teneur en oxygène en 10 3 % = 00,56 (teneur en Al en 10 3 %) + 13,83 + 10. Selon une variante du procédé suivant l'invention, on additionne du bore au flux de soudage. Cette addition de bore au flux de soudage peut se faire sous forme d'un oxyde de bore ou d'un borate ; dans ce cas, on choisit la proportion dans laquelle on ajoute le bore en fonction de la composition du flux en SiO2 et MnO, selon la relation teneur en bore en % = C4.1U 3 (teneur en SiO2 en % + teneur en MnO en %) + 0,023 + 0,05. L'addition de bore au flux de soudage peut également se faire sous forme de ferro-bore ; dans ce cas, on choisit la proportion dans laquelle on ajoute le bore en fonction de la composition du flux en SiO2 et MnO, selon la relation teneur en bore en % = F0,8.103 (teneur en SiO2 en % + teneur en MnO en %) + 0,004J + 0,01. Dans le cas de cette variante du procédé, le flux de soudage doit contenir, en plus du bore, de 10 % à 30 % d'oxyde de titane Ti02. I1 est à noter que tous les pourcentages indiqués sont des pourcentages en poids. On sait que le choix du flux de soudage a un rôle déterminant sur la microstructure et les propriétés métallurgiques du métal fondu. En effet, on rappelle que les flux de soudage utilisés généralement sont, soit des flux "fondus" qui ne contiennent que des oxydes, soit des flux "agglomérés" qui contiennent essentiellement des oxydes mais également de faibles quan tités d'éléments métalliques ajoutés volontairement (ferro-bore, aluminium, ferro-niobium, etc...). Ces oxydes constituant le flux peuvent se décomposer lors du soudage d'autant plus facilement qu'ils sont moins stables à haute température. Le soudage permet donc de nombreux échanges entre le métal fondu et le laitier liquide qui le recouvre.Lors des échanges métal-laitier qui se produisent à cette occasion, on peut penser que les oxydes les moins stables du flux (ctest- -dire plus particulièrement SiO2 et MnO) vont se décomposer partiellement en apportant au métal fondu une quantité non négligeable d'oxygène et aussi une certaine quantité de l'élément correspondant réduit. Réciproquement, les éléments les plus oxydables présents dans le métal fondu (en provenance de la tôle ou du fil) peuvent se combiner en partie avec l'oxygène apporté par le flux. C'est en particulier le cas d'éléments désoxydants tels que l'aluminium ou le silicium. En définitive, le métal fondu reçoit donc une forte quantité d'oxygène et gagne ou perd divers éléments métalliques lors des échanges avec le flux liquida. Ainsi, la teneur en oxygène du métal fondu, qui détermine ses propriétés mécaniques, est fonction de la composition du flux de soudage. Compte tenu de ces considérations, les travaux du demandeur lui ont permis d'établir la relation précise entre la teneur en aluminium de l'acier a souder et la composition en SiO2 et MnO du flux de soudage ; et, de façon complémentaire, la relation entre la teneur en oxygène du métal fondu et la composition en SiO2 et MnO du flux de soudage. Sur la figure 1 jointe, on a représenté le domaine I des droites (faisceau de droites parallèles centré sur la droite 1 et limité par les droites 1' et 1") qui donnent la teneur en aluminium (en 10 %) du métal de base (MB), constituant l'acier à souder, en fonction de la somme des teneurs du flux en SiO2 et MnO (en %). De façon complémentaire, sur cette même figure 1, on a représenté le domaine II des droites (faisceau de droites parallèles centré sur la droite 2 et limité par les droites 2' et 2") qui donnent la teneur en oxygène (en 10-3 %) du métal fondu (MF) en fonction de la somme des teneurs du flux en SiO2 et MnO (en %). On voit donc que, selon l'invention, on peut, pour une teneur donnée en aluminium du métal de base, choisir la composition optimale en SiO2 et MnO du flux de soudage, et en déduire la teneur en oxygène du métal fondu que l'on obtiendra lors du soudage. Les caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention ressortiront de façon claire au vu des exemples suivants. Dans tous ces exemples, on réalise la soudure par soudage automatique bipasse à l'arc tandem sous flux solide, dans les conditions suivantes Energie de soudage : 40 kJ/cm Arc continu Arc alternatif Tension 32 V 36 V Intensité 900 A 930 A Vitesse 1 m/min. 1 m/min. 700 130 sec. 130 sec. 300 Exemple 1 On soude deux tôles d'acier E 355 R, de 20 mm d'épaisseur et de compo sition : 173.10-3 % C ; 1415.10-3 % Mn ; 268.10-3 % Si ; 11,7.10-3 % S ; 13.10-3 % P ; 53.10-3 % Al ;9,2.10-3 % N ; 2,2.10-3 % O ; 37.10-3 % Nb. On utilise deux fils S2Mo, de 4 mm de diamètre et de composition 70.10-3 % C ; 1 000.10-3 % Mn ; 20.10-3 % Si ; 20.10-3 % S ; 10.10-3% P ; 500.10-3 % Mo. Tenant compte du fait que la tôle contient 53.10-3 % d'aluminium, on utilise un flux contenant environ 35 % de SiO2 + MnO (voir figure 1) ; ce qui correspond à une teneur en oxygène du metal fondu d'environ 45.10-3 %. Sur la figure 2, en annexe, on a représenté la courbe donnant la variation de la température de transition de la résilience au niveau 28J (TK 28J) du métal fondu en fonction de sa teneur en oxygène, dans les conditions de soudage décrites ci-dessus, mais avec différents flux de soudage F1, F2, F3, F4 (F4 étant le flux utilisé conformément au procédé de l'invention). Ces flux ont la composition suivante F1 : 39 X SiO2 ; 42 % MnO ; 6 % Al203 ; Il % CaO ; 2 % MgO. F2 : 40 X SiO2 ; 20 % MnO ; 3 % Al203; 21 % CaO ; 10 % CaF2 ; 4 % MgO 2 % TiO2. F3 : 15 % SiO2 ; 19 % Al2O3 ; 10 % CaO; 24 % CaF2 ; 31 % MgO ; 1 % TiO2. F4 : 20 % SiO2; 12 MnO ; 10 % Al2O3 ; 4 % CaO; 10 % CaF2 ; 14 % MgO; 30 % TiO2. On voit, d'après cette courbe, que c'esteffectivement pour une teneur enoxygène de 45.10-3 % que la température de transition de la résilience présente unminimum. Exemple 2 On soude deux tôles d'acierE 440 FP, de18 mm d'épaisseuret de composition :103.10-3 % C ;1585.10-3 % Mn ; 320.10-3 % Si ; 10-3% S ; 19.10-3 % P ;29.10-3 % Al ; 59.10-3 % Nb. On utilise les mêmes fils que ceux de l'exemple1. Tenant compte du fait que la tôle contient29.10-3 % d'aluminium, on utiliseun flux contenant environ 20 % de SiO2+ MnO (voir figure 1) ;ce qui correspond àune teneur en oxygène du métalfondu d'environ 35.10-3 %. Sur la figure3, en annexe, on a représentéla courbe donnant la variation de la température de transition de la résilience TK 28Jdu métal fondu en fonction de sa teneur en oxygène, dans les conditions de soudage décrites ci-dessus, mais avec différent flux de soudage F1, F2, F3, F4 (qui ont la même composition que ceux mentionnés dans l'exemple 1). On voit, d'après cette courbe, que c'est effectivement pour une teneur en oxygène de 35.10 % que la température de transition de la résilience presente un minimum. Exemple 3 On soudedeux tôles d'acier E 355 R, de 25 mmd'épaisseur et de compo sition : 151.10-3% C ; 1350.10-3 Mn ; 310.10-3 % Si ;17.10-3 % S ; 21.10-3 % P ; 67.10-3 % Al ;25.10-3 % Nb. On utilise les mêmes fils que ceux de l'exemple 1. Tenant compte du fait que la tôle contient 67.10 3 % d'aluminium, on utilise un flux contenant environ 45 Z de SiO2+ MnO (voir figure 1) ; ce qui correspond àune teneur en oxygène du métalfondu d'environ 55.10-3 %. Sur lafigure 4, en annexe, on a représentéla courbe donnant les variations de la température de transition de la résilience TK 28Jdu métal fondu en fonction de sa teneur en oxygène, dans les conditions de soudage décrites ci-dessus, mais avec différents flux de soudage F1, F2, F3, F4 (qui ont la même composition que ceux mentionnés dans l'exemple 1). On voit, d'après cette courbe, que c'est effectivement pour une teneur en oxygène de 55.10 3 % que la température de transition de la résilience présente un minimum. Pour ces trois exemples, on a étudié la limite d'élasticité du métal fondu obtenu dans des conditions de soudage identiques, mais avec des flux différents (dont celui utilisé conformément au procédé de l'invention). On a constaté, dans les trois cas, que la limite d'élasticité présentait un maximum pour le flux de composition choisie conformément à l'invention. Selon une variante de l'invention, on ajoute du bore au flux de soudage. En effet, certains flux de soudage contiennent du bore, soit sous forme d'oxyde ou de borate, soit sous forme de ferro-bore ; ce qui permet le transfert du bore dans le métal fondu. Les études du demandeur l'ont amené a constater que le transfert du bore pouvait amener une amélioration supplémentaire de la température de transition de la résilience du métal fondu. Compte tenu de ces considérations, les travaux du demandeur lui ont permis d'établir la relation précise entre la teneur optimale en bore du flux et sa composition en SiO2 et MnO. Sur la figure 1, on a représenté le domaine III des droites (faisceau de droites parallèles centré sur la droite 3 et limité par les droites 3' et 3") correspondant à cette relation ; ces droites donnent la teneur du flux en bore (en %) en fonction de la somme des teneurs du flux en SiO2 + MnO (en %), dans le cas où le bore est sous forme d'oxyde ou de borate. On voit donc que, selon l'invention, à partir de la composition en SiO2 et MnO du flux de soudage que l'on a choisie, on peut déterminer la quantité optimale de bore à ajouter à ce flux pour obtenir une amélioration supplémentaire des caractéristiques du métal fondu. Ce transfert du bore à partir du flux est efficace si le flux contient également de l'oxyda de titane TiO2, dans une proportion allant de 10 Z à 30 %. En effet, l'oxyda de titane joue alors un rôle "protecteur" pour le transfert du bore. Les caractéristiques et avantages de cette variante de l'invention ressortiront de façon claire au vu de l'exemple suivant. Exemple 4 On effectue le soudage de deux tôles dans les mêmes conditions que celles decrites dans l'exemple 1 (même tôle, même fil). On utilise, comme dans l'exemple 1, un flux contenant environ 35 Z de SiO2 + MnO. Tenant compta de cette composition du flux en SiO2 et MnO, on détermine (voir figure 1) la gamme de quantités dans lesquelles il peut être intéressant d'additionner du bore au flux de soudage. Ainsi, dans cet exemple, on utilise un flux de même composition que le flux F4 de l'exemple 1, mais auquel on a additionné 0,1 Z de bore sous forme d'oxyde de bore B203 ; ce qui correspond à une teneur en bore dans le metal fondu de 3,3.10 %. On mesure alors la température de transition de la résilience TK 28J du métal fondu. On a représenté, sur la figure 2, le point (FB4) correspondant à cette température en fonction de la teneur en oxygène du métal fondu. On remarque ainsi une diminution notable (-50 C) de la température de transition de la résilience quand on passe du flux F4 (sans bore) au flux FB4 (avec bore). Il va de soi que le procédé décrit peut présenter de nombreuses variantes sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. En particulier, les exemples donnés n'ont aucun caractère limitatif, et le procédé peut être mis en oeuvre avec des tôles, fils, flux et conditions de soudage autres que ceux mentionnés dans ces exemples. REVENDICATIONS 1) Procédé de soudage d'aciers de construction selon lequel on crée un arc électrique entre les pièces à souder et un ou plusieurs fils électrodes et on amène un flux solide sur le bain de fusion, procédé caractérisé en ce que l'on choisit la composition du flux de soudage en silice SiO2 et oxyde de manganèse MnO en fonction de la teneur de l'acier à souder en élément(s) désoxydant(s) tels que l'aluminium, selon la relation teneur en SiO2 en Z + teneur enMnO en Z = [0,76 (teneur en Al en 10-3 %) - 6,1] + 13, de façon à ce que la teneur en oxygène du métal fondu soit fonction de la teneur en aluminium de l'acier à souder selon la relation teneur en oxygène en 10 3 % = 00,56 (teneur en Al en 10 %) + 13,8 + 10. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on additionne du bore au flux de soudage, ledit flux contenant 10 à 30 % d'oxyde de titane Ti02. 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on additionne le bore au flux de soudage sous forme d'un borate ou d'un oxyde de bore et on choisit la proportion dans laquelle on ajoute le bore en fonction de la composition du flux en SiO2 et MnO, selon la relation teneur en bore en % = [4.10-3 (teneur en SiO2 en % + teneur en MnO en %) + 0,02 + 0,05. 4) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on additionne le bore au flux de soudage sous forme de ferro-bore et on choisit la proportion dans laquelle on ajoute le bore en fonction de la composition du flux en SiO2 et MnO, selon la relation teneur en bore en % = [0,8.10-3 (teneur en SiO2 en % + teneur en MnO en %) + 0,004] + 0,01.