FR 2570011 A1 19860314 FR 8413909 A 19840911 FLUX SOLIDE POUR SOUDAGE A L'ARC SUBMERGE La présente invention concerne un flux utilisable pour le sou- dage d'acier sous flux solide. Lors du soudage par le procédé arc submergé par exemple, le flux solide doit assurer différentes fonctions: stabilité de l'arc, mor- phologie du cordon, protection lors du transfert des gouttes et lors du refroidissement du cordon. Ces propriétés doivent être alliées à une bonne maniabilité opératoire, ce qui est illustré principalement par le détache- ment du laitier. Ces diverses propriétés sont communément regroupées sous le vocable de "caractéristiques d'emploi". Les flux donnant les meilleures caractéristiques d'emploi sont d'une manière générale du type manganèse- silicate ou alumino-rutile. Ces flux sont souvent dits acides, et sont oxydants ce qui conduit à une teneur élevée en oxygène dans le métal dé-.. posé et à des caractéristiques de résilience faible à basse température. D'autre part, des flux dits basiques du type alumino-basique ou fluoruro- basique sont souvent d'un emploi plus difficile et présentent un détache- ment de laitier nettement moins aisé. Sur le plan métallurgique, le flux conditionne les transferts chimiques par l'intermédiaire des échanges entre les gouttes de métal liquide et l'atmosphère environnante créée par le flux sous l'effet de l'arc électrique. Dans un assemblage multi-passes, on trouve toujours deux types de structure correspondant l'une aux zones recuites par l'exécution des passes suivantes et l'autre non recuite ayant par conséquent conservé une structure brute de solidification. Les caractéristiques de résilience de ces deux zones peuvent être très différentes. Il est clair que du point de vue d'une construction, il est particulièrement important d'obtenir des caractéristiques de ténacité voisines dans ces deux types de zone. Les zones recuites présentent généralement une structure ferri- tique à grains fins, dans ces zones, la résilience dépend du diamètre des grains ferritiques donc des éléments d'alliage ainsi que du taux d'oxygène qui détermine la répartition inclusionnaire ce qui influe sur le niveau ductile. Dans les zones brutes de solidification, la résilience dépend essentiellement de la structure qui, elle, est déterminée par le cycle thermique et l'analyse chimique,qui conditionne entre autre la trempabi- 2 2570011 lité. Toutefois, la simple connaissance du cycle thermique de soudage et de la composition chimique élémentaire telle que l'on peut la détermi- ner par voie chimique ou spectrographique... ne permet pas aujourd'hui de prédire la structure et donc les valeurs de résilience. Il a,en effet, été montré que de bonnes caractéristiques dans ces zones sont liées à une structure de ferrite aciculaire qui apparaît par germination sur certaines inclusions dont la nature n'est pas actuellement bien définie.Ces inclu- sions sont robablement des oxydes qui proviennent de réactions d'oxydo- réductions complexes et résultent donc pour une grande part du flux et des résidus de désoxydation présents dans le fil électrode. Si l'on considère que les inclusions qui permettent la germination de la ferrite aciculaire sont des oxydes, le taux d'oxygène dans la soudure est donc un facteur important. Une augmentation de l'oxygène favorise le développement de la ferrite aciculaire, mais en augmentant le réseau inclusionnaire diminue le niveau ductile de résilience. D'autre part, une diminution de l'oxygène améliore le niveau ductile mais risque de compromettre la formation de ferrite aciculaire. La présente inventiona pour but d'élaborer un flux ayant de bonnes caractéristiques d'emploi comme les flux manganèse-silicate ou aluminorutile mais conduisant à un taux d'oxygène dans le métal déposé beaucoup plus faible comparable à celui obtenu avec des flux alumino- basique ou fluoruro-basique. De bonnes caractéristiques de résilience à basse température déterminées sur moule AFNOR suivant les normes NFA 81. 322 et 81.323 peuvent être obtenues en associant le flux objet de l'invention avec des fils électrodes de nuances très différentes et indépendamment des résidus de désoxydation. D'autres avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description. On propose une composition de flux qui comporte essentiellement en poids: 1,5 à 9 % de Mn O, 3 à 15 % de Ti O2 + Zr 02, 3 à 15 % de Al2 03, 20 à 40 % de Si 02 15 à 35 % de Ca 0: 6 à 30 % de Mg O, 13 à 28 % de Ca F2, B2 03 compris entre 0,4 et 0,9. Suivant le type d'applications du procédé de soudage en cou- rant continu ou alternatif à grande vitesse ou à vitesse relativement 3 25700 1 1 lente, en soudage monoélectrode ou multiélectrodes, en "bipasse" ou multipasse..., on choisit une variante de l'invention particulièrement adaptée au résultat recherché. Selon une variante, la teneur en Mn 0 est comprise entre 2 et 6 % en poids et la teneur en Si 02 est comprise entre 25 et 35 % en poids. Selon une autre variante, la teneur en oxyde de bore est com- prise entre 0,15 et 0,40 % en poids et la teneur en Ti 02 est comprise entre 3 et 9%. Le flux peut 8tre à l'état aggloméré ou préfondu; chaque forme présentant certains avantages. Toutefois, dans certaines conditions, l'em- ploi d'un flux aggloméré peut présenter un risque d'hétérogénéité de la répartition de l'oxyde de bore, risque qui est supprimé par l'utilisation d'un flux préfondu, ce qui est retenu de préférence dans les applications. L'invention trouve son application dans de nombreux domaines techniques tels que soudage bipasse du genre des tubes type pipelines ou soudage multipasse suivi ou non d'un traitement thermique et pour des nuances d'aciers doux et les aciers à haute limite élastique. Pour le soudage type pipeline, on obtient d'excellent' résul- tats à plusieurs électrodes, deux, trois ou quatre, à grande vitesse, jusqu'à 4 mètres par minute avec une dilution élevée de 50 à 75 %. L'indice de basicité du flux B est déterminé selon la formule: %Ca 0 4 % Mg 0 + % Na2 0 + % K2 0 + % Li 02 + %Mn 0 + % Ca F2 B% si 0 + Y2 (% Ti 02 + % A12 0 + % Zr 02) 2 2 2 3 2 Les pourcentages étant exprimés en poids, pratiquement on uti- lisera de préférence un flux correspondant à l'invention dont l'indice de basicité sera compris entre 1,2 et 1,8. Il est donné, ci-après, des exemples qui illustrent l'inven- tion à titre non limitatif. Exemple 1. Les tableaux 1 et 2 permettant de faire une comparaison entre différents flux disponibles sur le marché (flux dits "acides" ou "basi- ques") et des flux expérimentaux correspondant ou non à l'invention. Les flux C1 à C4 sont disponibles sur le marché, les flux E1 à E8 sont expé- rimentaux et E1 à E5 correspondent à l'invention alors que E6 à E8 n'y correspondent pas. 4 2570011 Le tableau 1 présente la composition chimique des flux objet de la comparaison d'emploi et de la teneur en oxygène du métal déposé qui sont présentés dans le tableau 2. Les paramètres de soudage sont: 550 A - 28 V - V = 45 cm/mn. Le métal d'apport est un fil type S4, c'est-à-dire un fil plein de composition pondérale %; dans l'exemple,C = 0,122, Mn = 1, 95, Si = 0,045, S = 0,009, P = 0,014, B = 13 p.p.m. Tableau 1 - Les valeurs sont données en pourcentage en poids. C1 1 C2 2C3 1C4 lE1 |E2 lE3 | E4 JE5 lE6 1E7 1E8 I 'l Ic l o! I I Iacideacid#asi-t asi. I i i î î que I que1 I I 1 I I I I I II I Mn O 42 114 2 2 1 40 22,51 A12 03 I02 2 61 l _1 I I I I Si O2 39 1 21 115,5141129 1 271 211 281 291 271 161 221 Ca 2 7 I - 1 44121 1 201 231 211 201 221 231 201 Mg 0 - 1 4 128,51 BO I I I I 1 1031I I I B23 01 I 1|'3 B indice I I I Il I I de basicité, 0,810,4811,8 11,2811,8011,5911,6711, 6811,51 1,71 2;24 1,51 I I I I I I I I I I I! t! ' 1 1 I 1 I I I Tableau 2: Pour chaque flux, il est indiqué la teneur en oxy- gène du métal déposé et des observations sur les caractéristiques d'emploi: +: bon; =:moyen; O: mauvais; s5 E2570011 C C C 1 C4 lE1 lE2 lE3 lE4 lE5 lE6 lE7 E8 8 t- f- c 1 F +I I - 2Odans eleI I I I I I I J I I I I I 02 dans le I II I métal déposée en ppm 1875 111501450 I 450 4031533 1533 1560 514 1338 1310 1569 | mouillage I I I I I I I I i I I mouillage 1 + = = + 1+ = + + =+ = aspect de I I I I t I I I cordon - - cordon 1+ + = = + 1 + = + 1 + O adhérence sur cordon pleine tôle + | + 0 + + |+ | = = 0 détachement I de laitier = + I= 10 = += 0= I II I I I I I I I = en fond de chanfrein i Il apparaît clairement que seuls les flux correspondants à l'invention permettent d'obtenir simultanément de bonnes propriétés d'em- ploi et une basse teneur en oxygène. -Exemple 2: Etude de différents flux pour le soudage multipasse. On réa- lise des moules AFNOR suivant la norme NFA 81.322 en 2 passes par couche sauf pour la dernière couche qui est réalisée en 3 passes avec la dernière passe au centre du moule. Cette disposition des cordons de soudure permet de prélever des éprouvettes de résilience, CHARPY V 10 x lO x 55 mm soit en zones recuites, soit en zones brutes de solidification. Pour les zones recuites, les éprouvettes sont prélevées au coeur du moule axe soudure, pour la zone brute de solidification, elles sont prélevées en haut du moule, "sous peau" axe soudure, c'est-à-dire dans la dernière passe de soudage. Les paramètres utilisés sont: fil de diamètre 4 mm, partie terminale de 28 mm, vitesse d'avance 45 cm/mn,tension 28 V et intensité 550 A. On utilise les flux El, E5, E6. 6 2 2570011 Composition chimique du fil et du métal déposé avec chaque flux. Il l métal déposé Fil:S 4/E1 S4/E 5 S4/E6 I I I I.1 C % 0,122 0,086 0,077 0,109 Si % 0,045 0,24 0,20 0,19 Mn % 1,95 1,46 1,54 1,83 S % 0,009 0,017 0,015 0,017 P % 0,014 0,020 0,020 0,021 B ppm 13 6 17 9 2I 9M I 403 514 338 02 l On prélève des éprouvettes Charpy avec l'entaille située en zone recuite et en zone brute de solidification et on détermine la rési- lience Charpy KCV en décajoules par cm2 à -20 C et - 40 C. S4/E S4/E5 S4/E6 l 1 1 I I KCV en Izone zone zone zone zone zone da J/cm recuit cuite brute recuite brute Irecuite brute brue I I II - 20oC 17 8 15 13 O 10 3 - 40C 9 3 9 3 9 I 7 3 i 1 _ _ _ _ _i I _ _ _ _ _ _ _ _ Un examen micrographique montre pour le moule S4/E6 une structure composée de constituants lamellaires, de bainite granulaire et de ferrite proéutectoide, une structure de même type pour le moule S4/E 4 1 mais avec un peu de ferrite aciculaire et pour le moule S4/E5 une structure de ferrite aciculaire et de ferrite proéutectoide. Les résultats de résilience montrent clairement l'intérêt d'une structure de ferrite aciculaire qui permet d'assurer des caractéris- tiques de ténacité voisines dans l'ensemble d'une construction. 7 25700 11 Exemple 3: Avec le flux E5, des moules ont été réalisés avec différentes nuances de fils d'apport. Les paramètres de soudage sont 550 A - 28 V - cm/mn température entre passe 150 C, et les fils ont tous un diamètre de 4 mm. Composition des fils: F 1 F2 F3 F4 I F 5 II I I I I % C 0,122 j 0,112 0,119 0,094 0,095 % Si 0,045 0,41 0,060 0,15 0,035 % Mn 1,95 1,10 1,89 0,90 1,70 % S 0,009 0,017 0,011 0,017 0,020 % P 0,014 0,010 0,018 0,010 I 0,017 % Mo 0,014 j 0,55 0,49 0,53 0,51 % Ni 0,028 0,067 0,020 0,081 0,52 % Cr 0, 028 0,071 0,030 1,1 0031 %TiI 0,031 I0,01716,3 % Ti 0,031 0,17 0,013 0, 006 0,011 Composition du métal déposé avec les fils F1 à F5 et le flux E5. Fl F1 |F22 F3 F 4 F 5 % C | 0,077 I 0,056 I 0,062 0,064 0,045 % Si 0,20 0,5 % i j02 0,57 1 0,31 1 0,24 0,22 % Mn 1,54 I 1,04 I 1,51 0, 87 1,13 00% I I 0,01510,0117 0,018 0,015 % P 0,020 1 0,024 0,024 0,014 0,020 %Mo 0,013 0,49 0,39 0,41 - 0,41 % Ni 0,034 1 0,073 0,026 0,084 042 % Cr 10,029 0,0 6 3 0,029 0,061 0,031 1,17 | 0,035 0/ Ti 00 O 0, 3 %/0 Ti 0,010 0,030 0,011 0,008 0,010 B pp 7 0!81 B ppm I7 1 j18 1 15 18 02ppm 514 503 557 518 537 8 2570011 Sur chaque moule, des éprouvettes de résilience Charpy V x 10 x 55 mm ont été prélevées "à coeur" ainsi qu'une traction cylin- drique. Sur le moule F 1/E 5, un traitement thermique de 2 heures à 6200C avec une montée et descente en température de 50 C/heure a été ef- fectué et sur le moule F 4/E 5 le même traitement mais avec une tempéra- ture de maintien de 640 C. Sur les moules ayant subi un traitement ther- mique, les mêmes essais mécaniques sont réalisés. On détermine la résilien- ce en décajoules par cm aà -20 C et -40 C et sur la traction la limite élastique et la charge à la rupture en MegaPascal, l'allongement et la striction en pourcentage. F 1 F2 F 3 F4 IF 5 KCVen brut après brut après - KCV en d c2 | de traite-I I de traite-I da J/cm2l l l l IsoudageIment soudage ment - 20 C 15_ 16 9 11 8,5 7 13,5 - 40 C 9 10 7,5 6,81 5 5,5 7,5 E (M pa) 433 393 1618 I 583 614 589 R (M pa) | 532 499 1685 673 678 665 A % l 30,6 32,8 l 24,2 23,81 21,4 I 23 E % t69,7 72,9 1 67,5 1 66,91 65,1 60,3 Les résultats ci-dessus montrent que le flux E 5 permet d'ob- tenir un bon niveau de résilience à basse température avec des fils d'ap- port de nuances très différentes. Exemple 4: Le flux E 5 correspondant à la présenteinvention peut être utilisé aussi à grande vitesse avec le procédé multi-électrodes. Des tôles pour les pipelines en acier X 60 et X 70 ont été assemblées. 9 2570011 Compositions chimiques des tôles et des fils utilisés. I | X60 X70 F6 F7 F 8 % C 0,110 0,083 0,112 0,095 0,090 % Si 0,26 0,37 0,41 0,035 0,066 I% Mn 0,91 1;44 1,10 1,70 0,93 % S 0,014 0,015 0,017 0,020 0,011 % P 0,021 0,019 0,010 0,017 0,014 1 % Ni 0,31 0,020 0,067 0,52 0,027 % Mo 0,007 0,006 0,55 0,51 0,47 % Cu 0, 29 0 015 0,055 0,14 0,055 % Al 0,036 0,029 0,016 0,010 0,003 INb 0,028 10,035 10,013 1%Nb ' î i î' î'-- % Ti 0,003 0,003 0,17 0,011 0,0022 % V 0,060 0,053 0,006 0,010 0010 On réalise le soudage mspasse de chaque côté des tôles pour pipelines de nuance X 60 épaisseur 22,2 mm et X 70 épaisseur 15,4 mm par le procédé à l'arc submergé à 3 électrodes en courant alternatif. Les paramètres de soudage sont les suivants: X 60 épaisseur 22,2 mm " X 70 épaisseur 15,4 mm II lère passe 2ème passe " lère passe 2ème passe t! + II \ I1 | 960 A 970 A " 940 A 800 A I V 32 V 31 V " 30 V 34 V i I I 960 A 970 A " 1050 A 980 A 301 2 f! V2 41 V 39 V " 40 V 39 V j 2 le I3 650 A 575 A " 800 A 625 A V 43 V 39 V " 42 V 42 V i 3 I I " I VS 11,2 m/mn I 1,2 m/mn " 1,6 m/mn 1,6 m/mn I 1.1I I I I ______________ _____________________________ I ____________! l! 2570011 Les intensités et voltages appliqués à chaque électrode sont désignés par Il, I2, 13 et V1, V2, V3 exprimés en ampères et volts. La vitesse soudage représentée par VS est exprimée en mètre par minute. En fonction de l'analyse chimique du métal de base, différents couplages de fils ont été utilisés: pour l'acier X 60: ler fil F 6 2ème et 3ème fils F 7 pour l'acier X 70: ler fil F 6 2ème et 3ème fils F 8 On prélève des éprouvettes Charpy V 10 x 10 x 55 mm à 1,6 mm sous peau côté 2ème passe. On procède à l'analyse chimique du métal dépo- sé et on détermine la résilience Charpy KCV exprimée en décajoules par cm à + 20 C, - 20 C; - 40 C et - 60 C. Analyse chimique du métal déposé: | |I F 6-F 7- F 7/E 5 F 6- F 8- F 8/E 51 i1 | acier X 60 acier X 70 1 11 % C 0,102 0,084 % Si 0,34 0,44 % Mn 1,08 1,26 % S 0,017 0,010 % P 0,018 0,019 % Ni 0,18 0,037 % Mo 0,18 0,18 % Cu 0,10 0,052 % Al 0,026 0,021 % Nb 0, 019 0,021 % Ti 0,023 0,022 % V 0,016 C 0,038 Bppm 11 16 | 02pPm t 366 355 11 2570011 Résultats de résilience: I IKCV en Ida J/cm2 X 60 X70 + 20 C 19,8 18 - 20 C 17,1 17 - 400 C 14,5 14,5 - 600 C 8,5 8,5 Les résultats ci-dessus montrent que l'utilisation d'un flux correspondant à l'invention associé à des fils choisis en fonction de l'a- nalyse de la tôle permet d'obtenir une soudure présentant une très bonne ténacité et un taux d'oxygène assez bas. 12 2570011 REVENDICATIONS 1. Flux pour soudage à l'arc submerge, caractérisé en ce qu'il contient essentiellement en poids 1,5 à 9 % en MnO, 3 à 15 % de TiO2 + Zr02, 3 à 15 % de A1203, 20 à 40 % de Si02, 15 à 35 % de CaO, 6 à 30 % de MgO, 13 à 28 % de CaF2, la teneur en oxyde de bore B203 étant inférieure à 0,5 % et les teneurs en CaO et MgO satisfaisant la condition du rapport % MgO/%CaO compris entre 0,4 et 9. 2. Flux selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en manganèse exprimée en oxyde de manganèse MnO est comprise entre 2 et 6 % en poids total du flux. 3. Flux selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en silicium exprimée en oxyde de silicium SiO2 est comprise entre et 35 % en poids total du flux. 4. Flux selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en titane exprimée en oxyde de titane Ti 02 est comprise entre 3 et 9 % en poids total du flux. 5. Flux selon une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que la teneur en bore exprimée en oxyde de bore B203 est com- prise entre 0,15 et 0,40 % en poids total du flux. 6. Flux selon une quelconque des revendications 1 à 5, carac- térisé en ce que le flux est à l'état fondu. 7. Application du flux selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'on procède au soudage à l'arc submergé en courant continu ou alternatif à une ou plusieurs électrodes, en bi-passe ou multipasse.. 8. Application selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'on procède au soudage de tubes, type pipelines, à grande vitesse, à plusieurs électrodes.