Brevet FR2513920A1 — publié le 19830408

" ATMOSPHERE DE PROTECTION POUR SOUDAGE AVEC FIL EN ACIER INOXYDABLE FOI Invention de Michel DAUVERGNE. Au nom de la Société dite : L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE. La présente invention concerne une atmosphère de protection pour soudage avec fil en acier inoxydable fourré. Plusieurs techniques sont actuellement proposées pour le soudage à l'arc manuel des aciers inoxydables d'épaisseur supérieure à 2 millimètres, seulement elles présentent un certain nombre dtin- convénients. La technique de l'électrode enrobée est entièrement satisfaisante au regard des aspects des cordons de soudure, des oaractéristiques métallurgiques du métal déposé, des qualités physiques de la soudure. Toutefois, ce procédé discontinu ne conduit qu'à une faible productivité, et à un bilan économique peu favorable en raison des pertes en alliages de colt onéreux. De plus, la sensibilité à l'humidité nécessite des précautions particulières d'emploi pour éviter les porosités. On connait un procédé continu, donc à bonne productivité représenté par la technique du fil plein avec protection gazeuse. Les gaz de protection utilisés sont constitués de gaz inertes éventuelle- ment additionnés de faibles quantités de gaz actifs, tels oxygène et anhydride carbonique, dont la propriété essentielle consiste en la stabilisation de l'arc. Cependant, ce procédé est d'une maniabilité délicate dûe au fait que les gaz stabilisants tels l'oxygène et l'anhydride carbonique ne peuvent être ajoutés qu'en proportions limitées, en raison de leur réactivité risquant de provoquer une oxydation du chrome et un enrichissement en carbone du métal déposé. On constate une mauvaise qualité du métal transféré notamment présence de soufflures et inclusions liées à la mauvaise maniabilité. Le caractère temporaire de la protection gazeuse donne au cordon de soudure un aspect oxydé. De plus, ce procédé a pour inconvénient un manque de souplesse de composition du métal déposé, car les fils commercialement disponibles correspondent aux nuances courantes. La technique plus récente du fil fourré sans gaz de protection est intéressante, car elle est continue et apporte un certain nombre d'avantages par rapport à la technique fil plein gaz de protection, notamment le cordon de soudure est non oxydé en raison de la présence du laitier protecteur, et par incorporation d'éléments métalliques dans le fourrage il est possible de produire des nuances variées conduisantàula souplesse de composition du métal transféré. Néanmoins, on constate un accroissement de la teneur en azote du métal fondu dans des proportions variables, jouant fortement sur le taux de ferrite et les charges à la rupture, dû à une protection insuffisante de l'action de l'air par le laitier qui est d'un volume moindre qu'en électrode enrobée. On remarque des émissions importantes de fumées contenant notamment des oxydes d'azote particulièrement no cifs. D'autre part, l'aspect du cordon de soudure est moyen, et il y a une sensibilité aux soufflures dans le cas d'utilisation d'un fil humide. La maniabilité moyenne entraine des risques d'inclusions dans le cordon de soudure. On a songé à un couple fil fourré avec atmosphère de protection dite classique, mise en oeuvre dans la technique du fil plein avec protection gazeuse. L'utilisation d'un tel gaz de protection permet d'améliorer le comportement des fils fourrés notamment au point de vue des fumées émises et de la teneur en azote du métal fondu. Cependant, aucune amélioration de maniabilité n'apparait et la sensibilité aux soufflures subsiste. Il résulte des différentes constatations précédemment énumérées que le procédé le plus utilisé actuellement pour le soudage des aciers inoxydables d'épaisseur supérieure à 2 millimètres reste l'électrode enrobée qui seule permet d'obtenir avec certitude une bonne qualité du métal transféré. On a recherché un procédé répondant à la demande du marché relative à une augmentation de la productivité de l'opération de soudage manuel des aciers inoxydables de nuances courantes et aussi de nuances spéciales, tout en déposant un métal dont les caractéristiques correspondent aux normes de qualité requises pour les contructions en acier inoxydable. Le dépôt de métal doit être exempt de porosité, de collage et d'inclusions de laitier, avec un taux de ferrite contrôlé et l'aspect du cordon de soudure doit être convenable. De plus les utilisateurs souhaitent disposer facilement et en faibles quantités de nuances particulières pour des applications spéciales. Il a été trouvé une atmosphère de protection pour soudage avec fil en acier inoxydable fourré,qui procure ces nombreux avantages. Selon ce procédé, la productivité et le rendement sont notablement améliorés par rapport à l'électrode enrobée et le technicien peut réaliser aisément à partir de matières premières couramment disponibles une large gamme de compositions. Dans le cadre de la nouvelle méthode, la fusion s'effectue avec un arc court, facile à diriger; le soudeur pouvant ainsi assurer une bonne pénétration et une excellente qualité du dépôt. Les porosités sont éliminées quelles que soient les conditions d'emploi et de stockage des produits. En particulier la longueur terminale, qui doit être fixée avec les fils fourrés sans gaz de protection ou avec gaz à base d'argon, peut varier dans de larges limites. Ainsi la fabrication et l'emballage des produits sont facilités. De plus, le pouvoir oxydant du mélange gazeux proposé permet de limiter les teneurs en silicium et en carbone du métal transféré, tandis que la protection du cordon par le laitier durant la phase complète de refroidissement permet d'obtenir une surface non oxydée. Et, la teneur en azote du métal déposé, donc sa teneur en ferrite, ne dépend pas des conditions de soudage. L'atmosphère de protection pour soudage avec fil en acier inoxydable fourré est constituée par au moins deux composants hélium et oxygène, avec une teneur prépondérante en hélium, au moins égale à 45 % en volume et une teneur minimale en oxygène de 5 ss en volume. On a constaté que les mélanges binaires contenant 75 à 9# en volume d'hélium et 5 à 25 % en volume d'oxygene, donnent une fusion rendant facile le contrôle du bain et conduisent à des cordons de soudure d'excellente qualité radiographique, ce qui n'est pas le cas sous l'hélium pur ou les mélanges à moins de 5 0 d'oxygène car la stabilité de l'arc est mauvaise. Les mélanges plus riches en oxygène conduisent à une oxydation importante des éléments d'alliage métallique, génératrice de fumées. L'atmosphère de protection peut comporter en outre des additions de gaz inertes tels l'argon, toutefois en quantités limitées à 20 %, de manière à conserver au mélange son aptitude à donner une fusion correcte. Ces mélanges ternaires contiennent de 60 à 95 % en volume d'hélium, 5 à 20 ffi en volume d'oxygène et le complément en argon à une teneur maximale de 20 L'atmosphère de protection peut également comporter de l'anhydride carbonique à teneur au plus égale à 35%, et de préférence 25 fo pour limiter l'enrichissement en carbone du métal déposé, sans risquer le dépassement des normes des aciers inoxydables à bas carbone pour lesquels ces mélanges quaternaires contenant 45 à 95 % en volume d'hélium, 5 à 10 % en volume d'oxygène, l'argon étant présent au plus à 20 % en volume et l'anhydride au plus à 25 % en volume, sont bien adaptés. Les mélanges gazeux sont choisis en fonction de leur aptitude à donner une fusion compatible avec une'bonne maniabilité, tout en assurant une protection complémentaire lu métal en cours de transfert. L'atmosphère de protection peut avantageusement entre couplée avec un fil fourré constitué d'une enveloppe en acier inoxydable, fabriquée à partir d'un ou plusieurs feuillards de base de composition standard. Les nuances de fil spéciales sont obtenues par incorporation de poudres métalliques de carbone ou de carbures dans le fil formé par ce feuillard. Le feuillard constituant l'enveloppe du fil fourré peut être en acier doux de qualité pour emboutissage classique. Cependant, on utilise préférentiellement un acier inoxydable à 13 ou 17 % de chrome, éventuellement en acier inoxydable 18 % de chrome, 8 ffi de nickel. Le formage du feuillard, son remplissage et la réduction de section se font par les moyens connus. Les poudres métalliques remplissant l t enveloppe du fil fourré peuvent comporter des éléments d'alliage incorporés sous forme de poudres de métaux purs, de ferro-alliages ou d'alliages complexes, choisis parmi le chrome métal, le nickel métal, le manganèse, les alumino manganèses, les ferrochromes, les silicomanganèses, les ferrosiliciums etc... On utilise préférentiellement des scorifiants incorporés sous forme de poudre dans le fil fourré et constituant ensuite un laitier protecteur du métal transféré, puis du bain d'acier liquide en donnant un aspect de cordon de soudure non oxydé, comparable à celui obtenu avec électrode enrobée. Les scorifiants sont composés de mélanges d'oxydes ou de fluorures de métaux, tels magnésie, oxyde de titane, alumine, fluorine, silice. Ces éléments sont avantageusement incorporés sous forme de mélange préfondu. La présence des scorifiants favorise une fusion plus rapide au cours du soudage et assure un effet protecteur amélioré. On élimine également par l'utilisation de ce mélange le phénomène de retard à la fusion du fourrage préjudiciable à une bonne maniabilité du produit. Il est aussi avantageux d'incorporer dans le fil fourré des éléments stabilisateurs d'arc, choisis parmi les composés des métaux alcalins et alcalino-terreux, tels les oxydes de potassium et de sodium Ces éléments stabilisateurs sont préférentiellement introduits dans le mélange préfondu des scorifiants, ce qugassure une meilleure répartition d'où un effet stabilisant plus marqué. Le domaine d'utilisation du couple fil fourré-gaz est fonction du diamètre du fil utilisé. Le fil de diamètre 1,6 millimètres facile à fabriquer industriellement, permet d'utiliser des intensités de courant de sou dage, comprises entre 150 et 350 ampères, ce qui correspond au soudage de tales d'épaisseurs supérieures à 2 millimètres. Les fils de diamètre supérieur à 1,6 (2,2,4 2,8) millimètres rendent possible les intensités élevées, permettant le remplissage de chanfreins sur des tôles de forte épaisseur. Les fils de diamètre inférieur à 1,6 millimètres permettent des intensités de l'ordre de 100 ampères, autorisant le soudage de tales d'environ 1,5mm d'épaisseur. Cependant, dans l'état actuel de la technologie de production ces fils fourrés sont difficiles à réaliser. Les fils fourrés sont destinés au soudage semi-automatique mais ils peuvent également être utilisés avec succès sur des installations automatiques. Dans les exemples qui illustrent l'invention à titre non limitatif, le fil est utilisé avec une installation de soudage semiautomatique classique comprenant un générateur de courant continu à caractéristique horizontale ou plongeante, un dévidoir à vitesse constante ou asservie à la tension d'arc, un pistolet ou une torche avec protection gazeuse. Les générateurs à courant pulsé qui apportent des avantages dans le soudage semi-automatique, des aciers doux, conviennent également dans le cas du fil fourré inoxydable - atmosphère gazeuse de protection. Exemple 1. gaz de protection / fil fourré destiné au soudage des aciers 304 L. Le gaz de protection est constitué d'un mélange en volume de 85 % d'hélium et 15 ip d'oxygène. Le fil fourré est constitué d'une enveloppe en acier à 17% de chrome et à taux de carbone au plus égal à 0,03 %, remplie d'un mélange de poudres de composition suivante nickel en poudre 250 chrome en poudre 200 manganèse électrolytique 35 alliage aluminium-magnésium 25 flux fondu de composition Au203 6,6 ) SiO2 15,6 ) CaO 20,4 ) 407 TiO2 44,5 ) Na20 7,4 ) CaF 8,7 ) poudre de fer 195 17112 Le taux de remplissage, c'est-à-dire le rapport du poids de mélange de poudres, au poids total du fil est de 38 %. Le fil est fabriqué en diamètre 1,6 mm. On utilise le couple atmosphère de protection-fil fourré dans les conditions précédemment décrites pour le soudage des aciers inoxydables de 3 millimètres d'épaisseur, à plat et en angle à plat, à une vitesse de dépôt de 4 kg/h, soit environ deux fois plus que dans le procédé à l'électrode enrobée. Les cordons de soudure obtenus sont de bonne qualité radiographique. Les caractéristiques mécaniques du métal déposé en moule multipasse sont les suivantes Limite élastique : 28 hb Charge à la rupture : 54,7 hb Allongements % : 37,8 % Striction : 42,2 % Résilience Kv à + 20 OC : 12 D a J / cm2 La composition du métal déposé est la suivante Carbone : 0, 025 % Silicium : 0,4 % Manganèse : 1,4 % Chrome : 20,3 % Nickel : 11,0 % Le taux de ferrite est d'environ 9 %. Exemple 2. Gaz de protection / fil fourré destiné au soudage des aciers 316 L. Le gaz de protection est constitué d'un mélange d'hélium et d'oxygène renfermant 15 % en volume d'oxygène. Le fil fourré est constitué d'une enveloppe en acier à 17 % de chrome et à taux de carbone inférieur à 0,03 %, remplie d'un mélange de poudres de composition suivante : nickel en poudre 320 chrome en pou ire 185 manganèse électrolytique 35 alliage Al-Mg 25 flux fondu de composition Al2O3 6,6 ) SiO2 15,6 ) CaO 20,4 ) 407 TiO2 445 ) Na2O 7,4 ) CaF2 8,7 ) ferro molybdène 100 poudre de fer 40 1.112 Le taux de remplissage est de 38 %, et le fil est fabriqué en diamètre 1,6mm. On utilise le couple mélange de gaz-fil fourré dans les conditions précédemment décrites pour le soudage d'acier inoxydable de la nuance 316 à plat et en angle à plat à une vitesse de dépôt de 4 kg/h. Les cordons de soudure sont de bonne qualité radiographi- que. Les caractéristiques mécaniques du métal déposé en moule multipasse sont les suivantes : Limite élastique : 31,8 hb charge à la rupture : 53,2 hb allongement % : 38,4 % striction : 57,7 % résilience Kv à + 200C : 10 D a J / cm2 La composition du métal déposé est la suivante C 0,025 %- Si 0,4 % - Mn 1,3 % - Cr 19% - Ni 12% - Mo 2,5% Le taux de ferrite est d'environ 8%. REVENDICATIONS 1. Atmosphère de protection pour soudage avec fil en acier inoxydable fourré constituée par-au moins deux composants, caractérisée en ce qu'elle est à teneur élevée et prépondérante en hélium, au moins égale à 45 % en volume et contient de ltoxygène à teneur minimale de 5 % en volume. 2. Atmosphère de protection pour soudage avec fil en acier inoxydable fourré constituée par un mélange binaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur en hélium est comprise entre 75 à 95 % en volume et celle de l'oxygène est comprise entre 5 et 25 % en volume. 3. Atmosphère de protection pour soudage avec fil en acier inoxydable fourré selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle contient en outre de l'argon, la teneur en hélium étant comprise entre 60 et 95 % en volume, celle en oxygène étant comprise entre 5 et 20 % en volume et la teneur maximale en argon de 20 % en volume. 4. Atmosphère de protection pour soudage avec fil en acier inoxydable fourré selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle contient en outre de l'argon et de l'anhydride carbonique, la teneur en hélium étant comprise entre 45 et 95 % en volume, celle en oxygène étant comprise entre 5 et 10 % en volume, l'argon étant présent au plus à 20-% en volume et l'anhydride carbonique au plus à 25 % en volume. 5. Atmosphère de pr#otection pour soudage avec fil en acier inoxydable fourré selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite atmosphère est couplée avec un fil fourré constitué d'une enveloppe en acier inoxydable remplie d'un mélange de poudres métalliques comportant des éléments d'alliages introduits sous forme de poudres de métaux purs, de ferro-alliages ou d'autres alliages complexes, ainsi que des scorifiants composés d'oxydes ou de fluorures de métaux, utilisés de préférence sous forme de mélange préfondu et des éléments stabilisateurs d'arc choisis parmi les composés des métaux alcalins ou alcalino-terreux. 6. Atmosphère de protection de soudage couplée avec un fil en acier inoxydable fourré selon la revendication 5, caractérisée en ce que le feuillard formant l'enveloppe du fil fourré est choisi parmi les aciers inoxydables à 13 ou 17 % de chrome, et 18 % chrome, 8 % de nickel. 7. Atmosphère de protection de soudage couplée avec un fil en acier inoxydable fourré selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que les éléments d'alliages introduits sous forme de poudre sont choisis parmi le chrome métal, le nickel métal, le manganèse, les aluminomanganèse, les ferrochromes, les silicomanganèses, les ferrosiliciums. 8. Atmosphère de protection de soudage couplée avec un fil en acier inoxydable fourré selon une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que les scorifiants peuvent être choisis parmi la magnésie, l'oxyde de titane, l'alumine, la fluorine et la silice. 9. Atmosphère de protection de soudage couplée avec un fil en acier inoxydable fourré selon une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que les éléments stabilisateurs d'arc sont choisis parmi les oxydes de potassium et de sodium et les fluorures de potassium et sodium. 10. Procédé de soudage semi-automatique et automatique des aciers inoxydables, carïctérisé en ce que l'on utilise dans l'opération de soudage une atmosphère de protection et un fil fourré selon une quelconque des revendications 1 à 9.