CARACTERISATION DE L’EVOLUTION DE LA TENACITE D’UN JOINT SOUDE EN ACIER INOXYDABLE AUSTENITIQUE

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3^ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012,

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CARACTERISATION DE L’EVOLUTION DE LA TENACITE D’UN JOINT SOUDE EN ACIER INOXYDABLE

AUSTENITIQUE

Y. Kambouz¹, F.Z. Messabih¹ ; B. Bouchouicha¹ ; M. Benguediab¹

1- Laboratoire des matériaux et systèmes réactifs-Département de Génie Mécanique- Faculté des Sciences de l'Ingénieur- Université de Sidi Bel Abbes

e-mail : y_kambouz@yahoo.fr

Résumé :

La plupart des conduites d’eau des stations nucléaires sont en acier inoxydable austénitique (type 316L), et comportent des joints soudés. L’aspect extérieur de ces soudures présente le plus souvent un aspect convenable, alors que du côté intérieur on peut rencontrer un certain nombre de défauts.

L’essentiel de ce travail est de rassembler des informations sur le choix judicieux du métal d’apport, selon la qualité de la protection gazeuse intérieure à mettre en œuvre afin de caractériser la tenue à la corrosion des joints soudés, des opérations d’assemblage.

Pour atteindre ce but, les travaux suivants ont été effectues :

 L’étude de l’importance de la composition du matériau d’apport (qui conditionne le taux de ferrite dans la soudure) sur l’évolution des dégâts de corrosion.

 La mise en évidence de l’effet du type de protection gazeuse sur la tenue à la corrosion.

 La mise en œuvre des essais (corrosion – traction – pliage - micrographie et dureté).

Le travail développé s’est avéré bien représenter les résultats d’essais sur l’acier inoxydable austénitique (type 316L). Il a permis de proposer, sur la base des observations effectuées, des lignes directrices permettant d’établir un cahier des charges à respecter lors des opérations de soudage.

Mots-Clés

:

acier, soudage, ferrite, résilience, austénite, corrosion, dureté

1- INTRODUCTION :

Parce qu’elle règle en dernier lieu la qualité d’une construction soudée, conjointement avec le contrôle des défauts, la ténacité des soudures est une propriété mécanique importante, que le constructeur s’efforce de maîtriser. Des travaux récemment menés en France, à IRSID [1] et au CTAS [2][3], montrent que plusieurs facteurs, relevant de la nature même des produits d’apport, devraient être pris en considération pour les soudures sur des aciers inoxydables.

D’après S.Pihan [4] la ténacité des joints soudés des aciers inoxydables austénitiques dépend étroitement du cycle thermique subi localement par le métal de base dans les zones affectées thermiquement (ZAT). Les joints soudés sont toujours des zones privilégiées pour l’apparition des

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 117 défauts. L’exigence en termes de sécurité, pour ce type d’installation, rend donc indispensable l’étude de la rupture dans ces composants.

Le but de ce travail est de rassembler des informations sur le choix judicieux du métal d’apport, selon la qualité de la protection gazeuse intérieure à mettre en œuvre afin de caractériser la tenue à la corrosion des joints soudés, des opérations d’assemblage.

2- ETUDE EXPÉRIMENTALE :

Les différents essais ont été réalisés sur un acier inoxydable austénitique (type 316L). Pour faciliter la manipulation des éprouvettes, nous avons choisi de la tôle plate (220 x 12 x 3 mm) et non des tubes, soudées bout à bout, deux par deux. Avec l’utilisation des différents métaux d’apport (Thermanit 18/17 E/SG - Thermanit GE Si/SG - Thermanit 22/09/SG). Pour le soudage des éprouvettes nous avons utilisé le procédé TIG, et le bain de soudure est protégé uniquement à l’endroit par un courant de gaz Argon sortant de la buse.

2-1- Matériau utilisé :

 Composition chimique du métal de base [5]:

W-Nr DIN AISI %C %Si %Mn %Cr %Ni %Mo

1,4435 X2CrNiMo1812 316L <0,03 <1,0 <2,0 16,5-18,5 12,5-15,0 2,5-3,0

 Caractéristiques mécaniques du métal de base à 20 °C :

AISI Re (N/mm²) Rm (N/mm²) A (%)

316L 235 450 45

 Composition chimique des métaux d’apport :

Thermanit W-Nr ASME DIN %C %Si %Cr %Ni %Mo

18/17E/SG 1,4440 SG-X2CrNiMo 18 16 0,025 0,3 18 17,5 4,5

GE Si/SG 1,4430 ER316LSi SG-X2CrNiMo 19 12 0,025 0,8 19 11,5 2,8

22/09/SG 1,4462 SG-X2CrNiMo 23 93 0,025 0,2 22,5 9 3

 Caractéristiques mécaniques des métaux d’apport à 20 °C :

Thermanit R0,2 (N/mm²) Rm (N/mm²) A (%) (L0=5 d0)

18/17E/SG 320 570 34

GE Si/SG 320 550 35

22/09/SG 480 680 25

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2-2- Essais Réalisés :

Les différents essais réalisés sont :

 Exposition dans un milieu corrosif [6]:

Les éprouvettes séjourneront à trois temps différents dans un banc d’essai corrosion afin de simuler la tenue à la corrosion des soudures.

Les temps ( t0 : Etat brut – t1 : 1 jours – t2 : 2 jours – t3 : 3 jours ).

 Essais destructifs :

Différents essais et contrôles destructifs sont effectués pour le contrôle des soudures.

 Essai de traction sur éprouvettes prismatique : Les éprouvettes sont prélevées en travers de la soudure. Au cours de cet essai, on relève la résistance à la traction Rm (N/mm²), la résistance à la limite d’élasticité Re (N/mm²) et l’allongement relatif à la rupture A (%). On note également le lieu de rupture : dans la soudure ou hors de la soudure.

 Essai de pliage :

Les éprouvettes sont pliées de façon à mettre en tension la soudure. On vérifie la présence des éventuelles fissures et on note l’angle de pliage où elles apparaissent.

 Examen métallographique :

Des examens métallographiques seront effectués sur les éprouvettes pour :

- Déterminer le taux de dilution

- Déterminer le type de corrosion et si possible son taux - Déterminer un profil de dureté dans le cordon de soudure

 Essai de dureté (Hv)

3- RÉSULTATS ET ANALYSE : 3-1- Essai de traction :

Les résultats obtenus nous les présentons sous forme de tableau (Tab 1) et de graphique (Fig1)

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 119 Tableau 1 : Résultats obtenus des essais de traction

Temps d’exposition

Fe (kN) Fm

(kN) Re

(N/mm²) Re

(N/mm²)

A (%) Lieu de rupture

Métal d’apport Thermanit 18/17E/SG

t0 11.4 19.62 307 545 30 H.S

t1 11.40 18.48 317 513 29 H.S

t2 10.20 14.04 340 468 9 S

t3 8.4 14.16 286 482 19 S

Métal d’apport Thermanit GE Si/SG

t0 9.60 17.52 267 487 24 S

t1 10.80 12.24 300 340 4 S

t2 11.40 16.20 380 534 16 S

t3 6.60 9.6 294 428 7 S

Métal d’apport Thermanit 22/09/SG

t0 11.40 20.16 317 560 41 H.S

t1 11.40 18.78 317 522 31 S

t2 11.40 16.44 316 457 13 S

t3 6.60 10.2 353 546 10 S

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

Re-18/17E/SG Rm-18/17E/SG Re-Ge Si/SG Rm-GE Si/SG Re-22/09/SG Rm-22/09/SG

Re et R m ( N/m m

2

)

Temps de corrosion (jours)

Figure 1 : Evolution de Re et Rm en fonction du temps de corrosion

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Synthèse des analyses :

 La ferrite augmente la ductilité et la résistance à la traction des joints soudés.

 Les joints soudés austéno-ferritiques sont peu sensibles à l’effet d’entaille et à la fissuration.

 Les joints soudés entièrement austénitiques sont peu ductiles.

 Les caractéristiques mécaniques des soudures réalisées avec le fil d’apport 22/09/SG chutent moins vite que pour les autres fils d’apport.

A la vue des résultats obtenus lors des essais de traction, nous conseillons l’assemblage soudé suivant : Protection intérieure au Formiergaz – Métal d’apport 22/09/SG.

3-2- Essai de pliage :

Tableau 2 : Essais de pliage

Temps d’exposition Angle de pliage Remarque Métal d’apport Thermanit 18/17E/SG

t0 180° Fissures à cause d’excès de matière

t1 180° Apparition de microfissures sur l’arête 105°

t2 180° Aucune fissure

t3 180° Apparition pores à 135°

Métal d’apport Thermanit GE Si/SG

Métal d’apport Thermanit 22/09/SG

t0 180° Pliage décalé à cause d’excès de matière

t1 180° Apparition de fissures et pores à 120°

t2 180° Apparition de fissures à 110°

Synthèse des analyses :

L’analyse des résultats de pliage montre que la soudure, quel que soit le type de protection ou de métal d’apport, est très peu sensible à la fissuration et à la porosité. A la vue des éprouvettes, nous pouvons dire que la soudure élaborée avec le métal d’apport contenant de 4 à 10% de ferrite, présente un aspect

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 121 plus convenable lors de l’extension de la soudure. En aucun cas, nous n’avons obtenu une rupture des éprouvettes malgré l’état avancé de la corrosion pour le temps t3.

A la vue des résultats obtenus, nous conseillons l’utilisation du produit d’apport GE Si/SG avec une protection intérieure au Formiergaz car il présente de meilleurs résultats à l’extension de la soudure.

3-3- Essai de dureté (Hv) :

Tableau 3 : Essais de dureté (Hv) pour différentes zones en fonction du temps d’exposition dans le milieu corrosif

Temps d’exposition M.B Z.A.T Z.F Z.A.T M.B

Métal d’apport Thermanit 18/17E/SG

t₀ 201 210 266 260 212 276 279 229 237 214 214

t₁ 195 203 242 269 254 251 263 245 251 251 257

t₂ 229 197 224 251 224 260 242 239 260 245 254

t₃ 168 189 175 185 189 182 178 197 201 187 178

Métal d’apport Thermanit GE Si/SG

t₀ 224 224 221 154 248 239 239 221 182 187 156

t₁ 231 239 251 231 272 251 279 239 226 234 237

t₂ 212 214 219 219 219 276 251 219 205 224 224

t₃ 175 197 203 203 203 237 229 217 197 205 214

Métal d’apport Thermanit 22/09/SG

t₀ 221 248 305 283 286 384 266 272 266 229 234

t₁ 205 199 199 219 242 293 269 239 239 203 185

t₂ 189 199 201 219 212 239 263 217 231 210 203

t₃ 156 182 182 175 185 237 201 175 163 160 159

Synthèse des analyses :

Les essais de dureté avaient pour but de déterminer si la filiation de dureté dans les joints soudée était régulière ou au contraire ils présentaient un durcissement. Malheureusement les trop grandes variations de nos mesures ne nous permettent pas de proposer un assemblage métal d’apport – protection gazeuse, car les structures sont hétérogènes.

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3-4- Calcul du taux de ferrite dans nos soudures :

Le taux de ferrite dans le joint soudé étant pratiquement impossible à calculer par la micrographie, nous nous proposons de le calculer au moyen du diagramme de Schaeffler. Le taux de dilution moyen pour chaque fil est obtenu par le calcul des surfaces du profil soudé. Pour ceci connaissant la distance entre les plaques avant soudage nous reproduirons les micrographies des échantillons à l’état brut (t0).

Tableau 4: Récapitulatif des taux de dilution

Métal d’apport Taux de dilution (%)

Thermanit 18/17E/SG 48

Thermanit GE Si/SG 64

Thermanit 22/09/SG 27

Nous utilisons les taux de dilution pour déterminer le taux de ferrite dans les soudures après refroidissement à l’air. Après la détermination des zones figuratives de chaque métal d’apport sur les diagrammes de Schaeffler, nous avons pu trouver le taux de ferrite effectif dans les soudures pour chaque métal d’apport.

Tableau 5 : Taux de ferrite effectif dans les soudures

Métal d’apport Taux de ferrite effectif (%)

Thermanit 18/17E/SG 0

Thermanit GE Si/SG 5 7

Thermanit 22/09/SG 15 19

4-CONCLUSION :

Nous avions pour objectif durant ce travail de déterminer des lignes directrices permettant d’établir un cahier des charges à respecter lors des opérations de soudage d’un Acier de type AISI 316L.

 Les essais de tractions ont permis d’établir que les meilleures résistances à la traction et présentant une bonne ductilité sont obtenues en associant : (le métal d’apport contenant 35 à 60 % de ferrite et une protection gazeuse intérieure au Formiegaz).

 Les essais de pliage ont permis d’établir que les joint soudés présentant une bonne extension et n’ayant pas de fissures importantes sont obtenus en associant : (Le métal d’apport contenant de 4 à 10% de ferrite et une protection gazeuse intérieure au Formiegaz).

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 Les contrôles métallographiques ont permis d’établir que les joints soudés les plus résistant à la corrosion sont obtenus en associant : (Le métal d’apport contenant de 4 à 10% de ferrite et une protection gazeuse intérieure au Formiegaz).

Références bibliographique:

[1] DEVELLERS.I : « Métallurgie et propriétés mécaniques du métal fondu en soudage » Rapport IRSID 4730. Rapport final CECA. Convention 7210 KA 304.

[2] BONNET.C: « Relation structure résilience des Aciers inoxydables » Soudage et techniques connexes 7 8 1980 pp. 209 à 230.

[3] ANTUNES.M et BONNET.C : « Application d’un essai de trempabilité à la recherche des facteurs ayant une influence sur la formation de la ferrite » Journées d’information sur la métallurgie de la zone fondue. Marseille 1981. PSA.

[4] PIHAN.S : « Amélioration de la ténacité d’aciers austénitiques par contrôle de la germination » Thèse professionnelle, Mastère, Ecole Nationale supérieure des Mines de Paris, 2001

[5] DAVID.G : Soudage des Aciers inoxydables (Collection RMP).

[6] J.J.LAMOUREUX : « Précis de corrosion »