Brevet FR2950553A1 — publié le 20110401

L'invention porte sur un fil fourré de soudage à base de chrome pour le soudage à l'arc submergé ou le soudage TIG, automatique ou manuel, présentant de bonnes caractéristiques de résilience et de résistance à la corrosion et/ou à l'érosion. Pour certaines applications industrielles, il est nécessaire de disposer d'un métal d'apport, c'est-à-dire un fil de soudage, qui permet de réaliser une soudure présentant une bonne résistance dans le temps à la corrosion/érosion, ainsi que de bonnes propriétés de résilience, en particulier lorsque les soudures sont réalisées sur des équipements, telles des canalisations ou des cuves, de transport ou de stockage de produits plus ou moins corrosifs. Ajouter du chrome au métal d'apport, c'est-à-dire au fil fusible de soudage, permet d'augmenter la résistance à la corrosion/érosion. Si le métal de base en contient, c'est-à-dire la ou les pièces à souder, il faut également que la zone fondue de la soudure contienne du chrome de manière à ce que la résistance à la corrosion/érosion soit équivalente dans toutes les zones en contact avec le milieu corrosif, c'est-à-dire le métal de base et le joint soudé. Cependant, on constate que l'ajout de chrome dans la zone fondue pour améliorer la résistance à la corrosion/érosion engendre, de façon générale, une diminution des valeurs de résilience. Or, diminuer la résilience d'une soudure n'est souvent pas acceptable au plan industriel, en particulier lorsqu'il s'agit de fabriquer et d'assembler des tubes pour la construction des circuits secondaires, notamment la salle des machines, de centrale de production d'énergie ou analogues, dans lesquels circulent des fluides à haute pression et/ou corrosifs. En effet, réaliser des soudures de moindre résilience pourrait conduire à un problème de rupture lors de la construction ou pendant le fonctionnement de l'équipement ainsi soudé. De là, un problème qui se pose est de disposer de consommables de soudage, tels des fils de soudage, permettant d'obtenir des soudures présentant de bonnes caractéristiques non seulement de résilience mais aussi de résistance à la corrosion/érosion, et qui puissent en outre être utilisés dans différents procédés de soudage, en particulier en soudage automatique à l'arc submergé (AS) ou en soudage TIG automatique ou manuel avec apport de fil fusible. Une solution selon l'invention est alors un fil fourré de soudage formé d'une enveloppe externe en acier, de préférence en acier carbone-manganèse, contenant des éléments de remplissage à base de poudre de fer, lesdits éléments de remplissage représentant de 10 à 30% de la masse totale du fil, caractérisé en ce qu'il contient, par rapport à la masse totale du fil : de 0,01 à 0,09 % de carbone, de 0,10 à 0,60 % de silicium, de 1 à 2 % de manganèse et de 0,1 à 1.2 % de chrome. Selon le cas, le fil fourré de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'enveloppe externe est en acier carbone-manganèse, de préférence la teneur en C est comprise entre 0.01% et 0.09% et la teneur en Mn est comprise entre 0,1 et 0,5 % par rapport à la masse totale de l'enveloppe. - il contient, par rapport à la masse totale du fil, de 0,01 à 0,080% de carbone, de 0,1 à 0,5% de silicium, de 1 à 1,9% de manganèse et/ou de 0,25 à 1% de chrome. - il contient, par rapport à la masse totale du fil, de 0,01 à 0,070% de carbone, de 0,1 à 0,4% de silicium, de 1 à 1,7% de manganèse et de 0,3 à 1% de chrome. - les éléments de remplissage (i.e. le flux) contiennent, par rapport à la masse totale du fil, de 0,001 à 0,08% de carbone, de 0,1 à 0,6% de silicium, de 0,55 à 1,9% de 10 manganèse et de 0,1 à 1,2% de chrome. - les éléments de remplissage contiennent, par rapport à la masse totale du fil, de 0,001 à 0,06% de carbone, de 0,1 à 0,4% de silicium, de 0.7 à 1.7% de manganèse et de 0.15 à 1.15% de chrome. - les éléments de remplissage contiennent, par rapport à la masse totale du fil, de 15 0,001 à 0,05% de carbone et de 0,1 à 0,3% de silicium. - les éléments de remplissage contiennent éventuellement du CaF2 (spathfluor), de préférence en une teneur inférieure à 15 % par rapport à la masse totale de fil. - il est de type à poudres métalliques (metal cored en anglais) ou basique. - il est fabriqué selon la technique dite ChemetronTM (feuillard formé en U, rempli 20 puis formé en O) ou selon la technique dite OerlikonTM (fil tubulaire soudé puis ensuite rempli d'éléments de remplissage). Dans le cadre de la présente invention, les analyses des fils sont faites en utilisant une méthode d'analyse classique, par exemple la méthode ICP (Inductively Coupled Plasma). 25 L'invention porte également sur un procédé de soudage à l'arc électrique, dans lequel on réalise au moins un joint de soudure sur une ou plusieurs pièces en acier contenant du chrome par fusion progressive par l'arc électrique d'un fil fourré, caractérisé en ce que le fil fourré est un fil selon l'invention. Selon le cas, le fil de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des 30 caractéristiques suivantes : - il est un procédé de soudage à l'arc submergé sous flux solide ou il est un procédé de soudage TIG, automatique ou manuel. - il est un procédé de soudage à l'arc submergé sous flux solide basique. - la ou les pièces à souder sont un ou des éléments d'un équipement servant à 35 l'acheminement ou au stockage de fluide contenant des particules ou substances abrasives ou corrosives, en particulier un ou des tubes, cuves, réservoirs.... Par ailleurs, l'invention porte aussi sur un joint de soudure (joint de soudure) porté par au moins une pièce métallique susceptible d'être obtenu par le procédé et/ou par fusion d'un fil selon l'invention, caractérisé en ce qu'il contient par rapport à la masse de joint considérée de 0,001 à 0,10 % de carbone, de 0,1 à 0,8 % de silicium, de 0,9 à 1,9 % de manganèse, de 0.1 à 1.2% de chrome, moins 0.020 % de phosphore, moins 0.020 % de soufre, moins de 0,05 % d'oxygène, moins de 0.0120 % d'azote et majoritairement du fer. De préférence, le joint de soudure contient, par rapport à la masse de joint considérée, de 0,001 à 0,09 % de carbone, de 0,1 à 0,7 % de silicium, de 1 à 1,8 % de manganèse, de 0.15 à 1.15% de chrome, moins de 0,015 % de phosphore, moins de 0,015 % de soufre, moins de 0,045 % d'oxygène et moins de 0.010 % d'azote. L'invention va maintenant être mieux comprise grâce aux explications suivantes données à titre illustratif. Pour se prémunir du risque de corrosion/érosion pendant si possible 60 ans, il faut utiliser un métal de base contenant du chrome. Cette teneur en chrome peut varier suivant l'emplacement et le rôle des pièces en question. Il est donc nécessaire de pouvoir assembler des pièces ayant des teneurs en chrome pouvant être différentes, tout en garantissant la tenue mécanique et la tenue à la corrosion/érosion de la soudure. Le métal de base en question contient entre 0.03 et 0.7% de chrome, entre 0.5 et 1.5% de manganèse, entre 0.1 et 0.5% de silicium, entre 0.01 et 0.2% de carbone, et peut contenir du molybdène, typiquement 0.5%. La soudure doit garantir une teneur en chrome au moins supérieure à environ 0.10% et ce, sur au moins 2 mm d'épaisseur. La présente invention propose à cette fin un fil fourré pour le procédé arc submergé et un fil fourré pour le procédé TIG contenant du chrome, qui présentent une bonne résistance à la corrosion/érosion et des caractéristiques de résilience au moins équivalentes à celles des fils classiques sans chrome. Le fil de l'invention contient certains éléments particuliers, à savoir Cr, Si et Mn, en des teneurs précises (% ci-après donnés par rapport à la masse totale du fil) qui permettent d'obtenir ces bonnes propriétés. Comme susmentionné, le chrome (Cr) permet d'augmenter la résistance à la corrosion/érosion, à l'oxydation, le rapport E/R, la résistance à la fatigue, et par ailleurs de conférer une meilleure résistance à l'abrasion et à l'usure. Dans le cadre de l'invention, la teneur en chrome du fil est comprise entre 0.1 et 1.2%. Par ailleurs, le silicium (Si) est un élément désoxydant qui permet, dans le cadre de l'invention, de baisser la teneur en O en zone fondue, ce qui tend à améliorer les résiliences. Cependant, son effet durcissant tend aussi à diminuer les résiliences. Il a donc fallu trouver un compromis sur la teneur en Si du métal fondu pour que la résilience ne soit pas affectée notablement du fait de la présence de Si dans le fil et donc, par conséquent, dans le métal déposé. De là, dans le cadre de l'invention, la teneur en silicium dans le fil est préférentiellement comprise entre 0,10 et 0,60%. En outre, il est souhaitable d'incorporer du manganèse (Mn) dans le fil car c'est un élément désoxydant qui se combine également avec le soufre, évitant ainsi la formation de composés FeS à bas point de fusion qui peuvent provoquer des phénomènes de fissuration. Le manganèse a également un effet trempant. Toutefois, la teneur en manganèse du métal déposé et donc forcément celle du fil doivent être choisies avec soin de façon à bénéficier des effets favorables du manganèse mais sans toutefois détériorer les résiliences car sa présence excessive peut engendrer une détérioration de la résilience. De là, dans le cadre de l'invention, la teneur en manganèse dans le fil est préférentiellement comprise entre 1 et 2%. L'invention va être illustrée dans les exemples illustratifs suivants. Les exemples ci-dessous portent sur des échantillons soudés en soudage AS et en soudage TIG avec apport de fil et mises en oeuvre des conditions de soudage du métal déposé (hors dilution) donné ci-dessous. Exemple 1 : Essais de soudage à l'arc submergé Un échantillon est soudé en utilisant un fil fourré de diamètre égal à 3.2 mm qui est fondu par mise en oeuvre d'un procédé de soudage à l'arc submergé (AS) avec utilisation d'un flux OP 121 TTW commercialisé par la société OerlikonTM Les paramètres de soudage utilisés à cette fin sont les suivants : 25 L'essai de soudage est réalisé suivant la configuration montrée en figure 1 qui permet d'obtenir un échantillon de métal déposé hors dilution. La soudure est en effet suffisamment large et épaisse pour pouvoir s'affranchir de la dilution avec le métal de base dans la zone centrale de la soudure. Le chanfrein est choisi d'un angle faible (environ 10°) 30 de façon à limiter la dilution des cordons latéraux avec le métal de base. Le chanfrein est rempli en réalisant 3 cordons de soudure par couche, et suffisamment de couches pour arriver à fleur du métal de base. Le métal de base est de type E24, sa composition n'influence pas les caractéristiques mécaniques obtenues dans la soudure puisque les échantillons de résilience, traction et chimie sont prélevés dans la zone hors dilution. Le 35 type d'éprouvette utilisé pour ces caractérisations est conforme à la norme AWS 5.23. Les éprouvettes sont prélevées à mi-épaisseur et dans l'axe central du métal fondu (zone brute pour les éprouvettes de résilience, non réaffectée thermiquement par la zone suivante). Un jeu de résilience est également prélevé dans la zone interpasse du métal fondu (zone Intensité de soudage (DCEP) : 530 A Tension 29 V Distance tube contact pièce : 23 mm Vitesse de soudage 60 cm/min Energie de soudage 15.4 kJ/cm Température entre passes Exemple 2 : Essais de soudage TIG avec apport de fil de soudage Un échantillon est soudé par fusion d'un fil fourré de diamètre égal à 2 mm par mise en oeuvre d'un procédé de soudage TIG avec apport de fil, dans lequel on utilise de l'argon en tant que gaz de protection. Les paramètres de soudage utilisés sont représentatifs d'une application type passe de pénétration pour raboutage de tubes fixes à axe horizontal. Les paramètres de soudage sont les suivants : Intensité de soudage (DCEN) Vitesse de soudage Vitesse d'apport du fil fourré Energie de soudage : Tension : Température entre passes140 A environ 10 cm/min environ 22 cm/min environ 10 kJ/cm de l'ordre de 12-13 V Caractérisations obtenues sur métal déposé (hors dilution) L'analyse chimique du métal déposé obtenu suite aux essais des Exemples 1 et 2 est présentée dans le Tableau 1 suivant, ainsi qu' à titre comparatif, l'analyse typique obtenue avec un fil sans chrome. Tableau 1 Procédé Exemple Exemple 1 Exemple 2 Elements comparatif Arc Submergé TIG Arc Submergé Invention Invention Sans Cr Formule 1 Formule 2 Formule A Formule B C (%) 0.031 0.032 0.031 0.021 0.018 Si (%) 0.28 0.28 0.24 0.28 0.27 Mn (%) 1.22 1.25 1.16 1.35 1.36 P (%) 0.009 0.009 0.009 0.007 0.009 S (%) 0.003 0.004 0.004 0.007 0.008 Cr (%) 0.036 0.330 1.134 0.390 0.153 O (%) 0.044 0.043 0.042 0.016 0.016 N (%) 0.0050 0.0037 0.0052 0.0062 0.0032 Les deux versions du fil fourré pour soudage à l'arc submergé avec (invention) et sans chrome (exemple comparatif) présentent la même analyse de métal déposé hors dilution pour tous les éléments chimiques, sauf le chrome. Leur comparaison permet donc de déterminer l'influence du chrome. Les caractéristiques mécaniques sont données dans le Tableau 2. Tableau 2 Procédé Exemple comparatif Exemple Arc Submergé Exemple TIG Propriéte Arc Submergé Invention Invention mécaniques 1 2 Sans Cr Formule 1 Formule 2 Formule A Formule B Rm (MPa) 449 467 492 514 462 Rp 0.2 (MPa) 389 404 416 470 404 Elongation (%) 30 30 34 25 32 Kv Zone brute 232-241-236 246-234-238 264-230-280 255-254-255 298-298-280 (-20°C)J 236 239 258 255 292 Kv zone recuite 241-249-225 242-248-231 261-282-262 249-273-267 270-272-264 (-20°C) J 238 240 268 263 269 Kv Zone brute 194-248-229 198-240-231 250-247-250 244-255-251 - (-30°C)J 224 223 249 250 - Kv zone recuite 206-245-242 212-170-241 274-260-271 284-250-244 - (-30°C)J 231 208 268 259 - On constate que les valeurs de résiliences, obtenues sur le métal déposé en soudage Arc Submergé et TIG selon l'invention (Ex. 1 et 2) ne sont pas détériorées par l'ajout de 0.15 à 1.13% de chrome dans le métal déposé. En effet, les valeurs de résiliences obtenues dans les différents zones de la soudure (zone recuite et zone brute) sont supérieures en moyenne à celles obtenues dans l'exemple de l'art antérieur. Les valeurs de charge à la rupture (Rm) et limite élastique (RpO.2) sont elles aussi supérieures à celles de l'exemple de fil sans chrome. Les propriétés de traction et de résiliences, habituellement antagonistes, sont dans le cadre de cette invention conjointement maintenues voir même légèrement améliorées. En outre, la résistance à la corrosion/érosion est quant à elle améliorée du fait de cet ajout de chrome. En effet, le chrome stabilise la ferrite, et de plus, il se combine avec le carbone pour former des carbures en se substituant aux atomes de fer dans Fe3C pour former (Fe,Cr)3C. Dans le tableau 3 ci-après, sont données les analyses des fils des Exemples 1 et 2 selon l'invention. Tableau 3 : Analyses des fils Procédé Exemple 1 Exemple 2 Elements Arc Submergé TIG Invention Invention Formule 1 Formule A C (%) 0.026 0.043 Si (%) 0.23 0.35 Mn (%) 1.44 1.50 Cr (%) 0.35 0.40 L'analyse du fil est différente de celle du métal déposé car l'opération de soudage résulte en la perte ou le gain de certains éléments. La perte d'éléments résulte principalement de la formation d'un laitier sur le cordon de soudure. En effet, les éléments ayant de l'affinité pour l'oxygène, comme le silicium ou le manganèse par exemple, forment des oxydes qui surnage sur le bain de métal fondu et constitue une croûte sur le cordon de soudure lors du refroidissement. Dans une moindre mesure pour les procédés de soudage utilisés dans les exemples 1 et 2, les projections et les fumées participent également à la perte d'éléments lors de l'opération de soudage. Le gain d'éléments, par exemple le carbone et le silicium, se fait par l'intermédiaire du flux arc submergé. Les fils fourrés selon l'invention sont particulièrement adaptés au soudage d'éléments, servant à l'acheminement ou au stockage de fluides contenant des particules ou substances abrasives ou corrosives, en particulier des tubes, des canalisations, des conduites, des pipelines, des tuyaux... mais aussi des cuves, des réservoirs... Revendications1. Fil fourré de soudage formé d'une enveloppe externe en acier contenant des éléments de remplissage à base de poudre de fer, lesdits éléments de remplissage représentant de 10 à 30 % de la masse totale du fil, caractérisé en ce qu'il contient, par rapport à la masse totale du fil, de 0,01 à 0,09 % de carbone, de 0,10 à 0,60 % de silicium, de 1 à 2 % de manganèse et de 0,1 à 1.2 % de chrome. 2. Fil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe externe est en acier carbone-manganèse, de préférence la teneur en C est comprise entre 0.01% et 0.09% et la teneur en Mn est comprise entre 0,1 et 0,5 % par rapport à la masse totale de l'enveloppe. 3. Fil selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il contient, par rapport à la masse totale du fil, de 0,01 à 0,080% de carbone, de 0,1 à 0,5% de silicium, de 1 à 1,9% de manganèse et/ou de 0,25 à 1% de chrome. 4. Fil selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il contient, par rapport à la masse totale du fil, de 0,01 à 0,07% de carbone, de 0,1 à 0,4% de silicium, de 1 20 à 1,7% de manganèse et de 0,3 à 1% de chrome. 5. Fil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les éléments de remplissage contiennent, par rapport à la masse totale du fil, de 0,001 à 0,080% de carbone, de 0,1 à 0,6% de silicium, de 0,55 à 1,9% de manganèse et de 0,1 à 1,2% de chrome. 6. Fil selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les éléments de remplissage contiennent, par rapport à la masse totale du fil, de 0,001 à 0,06% de carbone, de 0,1 à 0,4% de silicium, de 0,7 à 1,7% de manganèse et de 0.15 à 1.15% de chrome. 30 7. Fil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les éléments de remplissage contiennent, par rapport à la masse totale du fil, de 0,001 à 0,05% de carbone et de 0,1 à 0,3% de silicium. 8. Procédé de soudage à l'arc électrique, dans lequel on réalise au moins un 35 joint de soudure sur une ou plusieurs pièces en acier contenant du chrome par fusion progressive par l'arc électrique d'un fil fourré, caractérisé en ce que le fil fourré est un fil selon l'une des revendications 1 à 7. 25 9. Procédé de soudage selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est un procédé de soudage à l'arc submergé sous flux solide ou qu'il est un procédé de soudage TIG. 10. Procédé de soudage selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est un procédé de soudage à l'arc submergé sous flux solide basique. 11. Procédé de soudage selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la ou les pièces à souder sont un ou des éléments d'un équipement servant à l'acheminement ou au stockage de fluide contenant des particules ou substances abrasives ou corrosives. 12. Joint de soudure porté par au moins une pièce métallique susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'une des revendications 8 à 11 et/ou par fusion d'un fil selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il contient par rapport à la masse de joint considérée de 0,001 à 0,10 % de carbone, de 0,1 à 0,8 % de silicium, de 0,9 à 1,9 % de manganèse, de 0.1 à 1.2% de chrome, moins 0.020 % de phosphore, moins 0.020 % de soufre, moins de 0,05 % d'oxygène, moins de 0.0120 % d'azote et majoritairement du fer. 13. Joint selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il contient par rapport à la masse de joint considérée, de 0,001 à 0,09 % de carbone, de 0,1 à 0,7 % de silicium, de 1 à 1,8 % de manganèse, de 0.15 à 1.15% de chrome, moins de 0,015 % de phosphore, moins de 0,015 % de soufre, moins de 0,045 % d'oxygène et moins de 0.010 % d'azote.25