Brevet FR2946272A1 — publié le 20101210

L'invention porte sur un procédé pour augmenter le niveau de résilience à très basse température, typiquement à environ -196 °C, des joints soudés en acier à 9% Ni obtenus par soudage à l'arc électrique avec produit d'apport homogène. En soudage à l'arc, obtenir une bonne résilience des assemblages est un souci permanent, en particulier lorsque les assemblages sont destinés être utilisés dans des conditions météorologiques extrêmes, par exemples des pipelines de transport de gaz ou de pétrole utilisés au fond des océans ou dans des régions très froides du globe, ou lorsque les assemblages font partie d'équipements, par exemple des conduits de convoyage de fluides cryogéniques ou des réservoirs de stockage de tels produits. Le document EP-A-1900472 enseigne un fil, un flux et un procédé de soudage des aciers à forte teneur en nickel, typiquement des aciers à environ 9% de nickel (Ni) qui sont de plus en plus utilisés dans des équipements de ce type, en particulier réservoirs de stockage ou tubes pour le transport des fluides cryogéniques. La solution décrite dans ce document permet d'obtenir des joints soudés ayant un niveau de résilience supérieur au minimum requis par les normes, à savoir de l'ordre de 27 Joules mesurée à -196°C. Néanmoins, il apparaît essentiel aujourd'hui d'augmenter ce niveau pour avoir un coefficient de sécurité plus élevé, c'est-à-dire une résilience d'au moins 40 Joules mesurée à -196°C. Le but de l'invention est dès lors de proposer un procédé pour augmenter le niveau de résilience à très basse température, typiquement à environ -196 °C, des joints soudés en aciers à 9% de Ni obtenus par soudage à l'arc électrique avec produit d'apport homogène. En d'autres termes, l'invention vise à proposer un procédé pour augmenter la résilience de joints soudés, c'est-à-dire du métal déposé, portés par des pièces en acier à forte teneur en nickel, c'est-à-dire contenant plus de 6% en poids de nickel, typiquement de l'ordre de 9% en poids de nickel. La solution est alors un procédé de traitement thermique pour augmenter la résilience d'un joint de soudure contenant (% en poids) de 0,010 à 0,07 % de C, de 0,02 à 0,20% de Si, de 0,15 à 0,6% de Mn, de 0,002 à 0,007% de P, de 0,0013 à 0,0050% de S, de 7 à 13% de Ni, de 0,002 à 0,012% de Ti, de 0,005 à 0,018% de Al, et majoritairement du Fe, ledit joint étant porté par au moins une pièce en acier contenant de 6 à 13% de nickel, caractérisé en ce qu'on opère un traitement thermique de revenu sur ledit joint par chauffage et maintien du joint soudé à une température comprise entre 570 et 610°C, pendant une durée comprise entre 30 et 240 minutes, suivi d'un refroidissement. Selon le cas, le procédé de traitement thermique de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - ledit joint est maintenu à une température de l'ordre de 590°C. - ledit joint est maintenu à ladite température entre pendant 90 et 150 minutes, de préférence de l'ordre de 120 minutes. - le refroidissement se fait à l'air libre et jusqu'à température ambiante, par exemple entre 1° et 35°C selon la période de l'année, typiquement de l'ordre de 5 à 25°C. - le joint contient de 0,010 à 0,05% de C. - le joint contient, en outre, moins de 300 ppm d'oxygène. - après refroidissement, le joint traité présente une résilience d'au moins 45 Joules mesurée à -196°C, de préférence d'au moins 50 Joules, avantageusement d'au moins 60 Joules. - le chauffage et maintien en température se fait par séjour de la pièce dans un four à la température et au temps préconisés ou au moyen d'un dispositif de traitement thermique local du joint, par exemple de traitement par induction ou par résistance. L'invention porte aussi sur un procédé de soudage à l'arc, en particulier de soudage à l'arc submergé (AS), d'au moins une pièce en acier contenant de 6 à 13% de nickel (% en poids), dans lequel on fond un fil fourré à enveloppe en acier et éléments de remplissage internes, comprenant, par rapport au poids du fil, de 2 à 15% de fluor, de 8 à 13 % de nickel et du fer de manière à obtenir un joint de soudure, caractérisée en ce qu'on améliore la résilience du joint en lui appliquant le procédé de traitement thermique ci-dessus. Selon le cas, le procédé de soudage de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'acier du fil fourré est un acier carbone-manganèse, de préférence la teneur en carbone de l'enveloppe est inférieure à 0.05%. - le fer provient uniquement de l'enveloppe en acier, les éléments de remplissage étant exempts de fer, en particulier exempts de poudre de fer. - le taux de remplissage du fil fourré en lesdits éléments de remplissage est compris entre 8 et 40%, de préférence de 12 à 30%, par rapport au poids total du fil. - le fil fourré contient, par rapport au poids du fil, de 8 à 15% de fluor et de 9 à 11.75 % de nickel. - il est un procédé de soudage à l'arc submergé mettant en oeuvre un fil fourré et un flux contenant une proportion pondérale de MgO de 25 à 35%, de CaO de 20 à 30%, de SiO2 de 10 à 15%, de Al2O3 de 10 à 30% et de fluor de 5 à 20%. De préférence, le flux comprend, en outre, au moins un constituant choisi parmi Na2O et K2O, la proportion en ledit au moins un constituant étant inférieure à 3% en poids. - on réalise un joint de soudure tel que la densité de passes au niveau du joint soudé soit supérieure à 2 passes par cm 2. Exemples Afin de vérifier la solution de l'invention consistant à réaliser un traitement thermique de revenu après soudage AS sur les joints, c'est-à-dire sur le métal déposé, des essais ont été réalisés en faisant varier le temps de traitement thermique sur des joints portés par des pièces en acier à 9% de nickel (A553 type I) de 12 mm d'épaisseur sur deux assemblages en X (assemblage 1 = Al ; assemblage 2 = A2). Les joints on été obtenus par mise en oeuvre d'un procédé de soudage à l'arc submergé (AS) mettant en oeuvre : - un fil fourré à enveloppe en acier et éléments de remplissage, tels que spath fluor, cryolithe et/ou des fluores métalliques, des éléments métalliques et/ou des ferro-alliages 5 métalliques, et contenant en outre environ 12% de fluor, 11% de nickel et du fer, et - un flux de protection de composition donnée dans le Tableau 1 suivant : Tableau 1 Compo sés MgO O Fe203 2 MnO Ca O SiO2 K20 P205 A1 F Al203 % 31 1.1 0.4 0.05 0.8 24 13 1.2 0.03 18 11 (% en masse par rapport à la masse du flux) 10 - et les paramètres de soudage suivants : énergie de soudage de 2.1 kJ/mm et vitesse de soudage de 90 cm/min. On a d'abord mesuré la résilience des joints des assemblages Al et A2 obtenues après soudage mais avant traitement thermique (sans TT), puis après traitement thermique (après TT). A chaque fois, 3 mesures sont réalisées. 15 Le traitement thermique a consisté en un maintien à une température de l'ordre de 590°C, pendant une durée d'environ 2 heures, suivi d'un refroidissement à l'air libre jusqu'à la température ambiante, à savoir ici environ 20°C. Les premiers résultats obtenus sont donnés dans le Tableau 2 suivant. 20 Tableau 2 Al A 2 Résiliences à -196°C (en J) 58-48-52 32-30-30 Sans TT post-soudage Résiliences à -196°C (en J) 66-68-68 54-56-52 Avec TT post-soudage Comme on le voit, les résultats obtenus montrent qu'appliquer un traitement thermique post-soudage selon l'invention permet d'obtenir des valeurs de résilience fortement améliorées (de l'ordre d'au moins 25%) par rapport à une absence de traitement thermique post-soudage. 25 Par ailleurs, la figure ci-annexée représente le niveau de résilience (KV) mesurée à environ -196°C en fonction de la durée du traitement thermique appliqué à un joint donné pour un assemblage de 12 mm d'épaisseur avec chanfrein en Y. On a utilisé le même fil et le même flux que précédemment. L'énergie de soudage est de 1.2 kJ/mm et la vitesse de soudage de 60 cm/min. Comme on peut le voir, l'augmentation de la durée du traitement thermique permet d'augmenter considérablement le niveau de résilience (KV) dudit joint considéré, puisqu'avant traitement thermique, un joint présentant une résilience de l'ordre de 32 Joules, présente une résilience d'environ 50 Joules après 50 min de traitement thermique mais de près de 65 Joules après 2 heures de traitement selon l'invention. Revendications1. Procédé de traitement thermique pour augmenter la résilience d'un joint de soudure contenant (% en poids) de 0,010 à 0,070 % de C, de 0,02 à 0,20% de Si, de 0,15 à 0,60% de Mn, de 0,002 à 0,007% de P, de 0,0013 à 0,0050% de S, de 7 à 13% de Ni, de 0,002 à 0,012% de Ti, de 0,005 à 0,018% de Al, et majoritairement du Fe, ledit joint étant porté par au moins une pièce en acier contenant de 6 à 13% de nickel, caractérisé en ce qu'on opère un traitement thermique de revenu post-soudage sur ledit joint par chauffage et maintien du joint soudé à une température comprise entre 570 et 610°C, pendant une durée comprise entre 30 et 240 minutes, suivi d'un refroidissement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le joint est maintenu à une température de l'ordre de 590°C. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le joint est maintenu à ladite température entre pendant 90 et 150 minutes, de préférence de l'ordre de 120 minutes. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le 20 refroidissement se fait à l'air libre et jusqu'à température ambiante, typiquement de l'ordre de 15 à 25°C. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'après refroidissement, le joint traité présente une résilience d'au moins 45 Joules mesurée à -196°C, de préférence une 25 résilience d'au moins 50 Joules mesurée à -196°C. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage et maintien en température se fait au moyen d'un four. 30 7. Procédé de soudage à l'arc d'au moins une pièce en acier contenant de 6 à 13% de nickel (% en poids), dans lequel on fond un fil fourré à enveloppe en acier et éléments de remplissage internes, comprenant, par rapport au poids du fil, de 2 à 15% de fluor, de 8 à 13 % de nickel et du fer de manière à obtenir un joint de soudure, caractérisée en ce qu'on améliore la résilience du joint en lui appliquant le procédé selon l'une des revendications 1 à 6. 35 8. Procédé de soudage selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'acier du fil fourré est un acier carbone-manganèse, de préférence la teneur en carbone de l'enveloppe estinférieure à 0.05%, et/ou en ce que le fer provient uniquement de l'enveloppe en acier, les éléments de remplissage étant exempts de fer, en particulier exempts de poudre de fer. 9. Procédé de soudage selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le taux de remplissage du fil fourré en lesdits éléments de remplissage est compris entre 8 et 40%, de préférence de 12 à 30%, par rapport au poids total du fil et/ou en ce que le fil fourré contient, par rapport au poids du fil, de 8 à 15% de fluor et de 9 à 11.75 % de nickel. 10. Procédé de soudage selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il est un procédé de soudage à l'arc submergé mettant en oeuvre un fil fourré et un flux contenant une proportion pondérale de MgO de 25 à 35%, de CaO de 20 à 30%, de SiO2 de 10 à 15%, de Al2O3 de 10 à 30% et de fluor de 5 à 20%.