Le soudage de l'acier à basse température exige une connaissance approfondie des propriétés du matériau, car les conditions extrêmes peuvent entraîner des ruptures fragiles. L'article traite des exigences techniques relatives à l'acier à basse température, en soulignant l'importance de la ténacité à basse température et le rôle des différents éléments et traitements thermiques pour l'obtenir. Il traite également des méthodes de soudage, de la sélection des matériaux et des pratiques spécifiques pour le soudage de différents types d'acier à basse température, tels que l'acier A333-GR6. Les lecteurs apprendront à garantir la qualité des soudures et à prévenir les défauts dans ces applications critiques.
1) Les exigences techniques essentielles pour l'acier à basse température comprennent une résistance suffisante, une grande ténacité dans des conditions cryogéniques, une excellente soudabilité, une bonne usinabilité et une résistance supérieure à la corrosion.
Parmi celles-ci, la ténacité à basse température - la capacité à résister à une rupture fragile à des températures inférieures à zéro - est primordiale. Par conséquent, la plupart des normes nationales spécifient des valeurs minimales de résilience aux températures de service les plus basses, généralement mesurées à l'aide d'essais Charpy V-notch.
2) Dans la composition de l'acier à basse température, les éléments tels que le carbone, le silicium, le phosphore, le soufre et l'azote sont généralement nuisibles à la ténacité à basse température, le phosphore étant le plus nuisible.
Pour atténuer ce phénomène, l'élimination du phosphore est une priorité lors des premières étapes de la fabrication de l'acier, souvent par le biais de procédés de métallurgie secondaire tels que le dégazage sous vide. À l'inverse, des éléments comme le manganèse et le nickel améliorent la ténacité à basse température. Chaque augmentation de 1% de la teneur en nickel peut abaisser la température de transition entre la ductilité et la fragilité d'environ 20°C, principalement en stabilisant la phase austénitique et en affinant la structure du grain.
3) Le processus de traitement thermique joue un rôle crucial dans la détermination de la microstructure et de la taille des grains de l'acier à basse température, influençant de manière significative sa ténacité cryogénique. Les traitements de trempe et de revenu, lorsqu'ils sont optimisés, peuvent améliorer sensiblement la ténacité à basse température en produisant une structure martensitique ou bainitique à grain fin avec une précipitation contrôlée des carbures.
4) Sur la base des méthodes de formage primaire, l'acier à basse température peut être classé en acier moulé et en acier corroyé (laminé).
En fonction de leur composition et de leurs caractéristiques microstructurales, les aciers à basse température sont classés comme suit : aciers faiblement alliés (par exemple, ASTM A353, A553), aciers au Ni 3,5%, aciers au Ni 5%, aciers au Ni 6%, aciers au Ni 9%, aciers austénitiques Cr-Mn ou Cr-Mn-Ni, et aciers inoxydables austénitiques Cr-Ni.
Les aciers faiblement alliés sont généralement utilisés dans des applications cryogéniques modérées jusqu'à environ -100°C, pour la fabrication d'équipements de réfrigération, de navires de transport cryogéniques, de réservoirs de stockage d'éthylène en surface et d'équipements de traitement pétrochimique.
Dans des pays comme les États-Unis, le Royaume-Uni et le Japon, l'acier Ni 9% (par exemple, ASTM A353) est largement utilisé dans des structures à basse température plus exigeantes, telles que les réservoirs de stockage et de transport de gaz naturel liquéfié (GNL) à -162°C, le stockage d'oxygène liquide à -183°C, et dans la fabrication d'unités de séparation de l'air pour produire de l'oxygène et de l'azote liquides.
Les aciers inoxydables austénitiques, en particulier les nuances 304L, 316L et 347, sont d'excellents matériaux structurels cryogéniques, offrant une résistance exceptionnelle à basse température, une soudabilité supérieure et une faible conductivité thermique. Ces aciers conservent leur ductilité jusqu'à des températures d'hélium liquide (-269°C) et sont largement utilisés dans des applications à basse température extrême, notamment dans les réservoirs de transport et de stockage d'hydrogène liquide (-253°C) et d'oxygène liquide, ainsi que dans les cryostats à aimants supraconducteurs. Toutefois, leur teneur plus élevée en chrome et en nickel les rend plus coûteux, ce qui nécessite une analyse minutieuse du rapport coût-bénéfice pour chaque application.
Lors du choix des méthodes et des conditions de construction des soudures pour l'acier à basse température, l'accent est mis sur la prévention de la détérioration de la ténacité à basse température au niveau des joints de soudure et sur l'évitement de l'utilisation de l'acier à basse température. fissures de soudure.
Il n'y a pas de différence fondamentale entre les formes des sillons des joints de soudure pour l'acier à basse température, l'acier au carbone ordinaire, l'acier faiblement allié ou l'acier inoxydable ; ils peuvent être traités de manière standard. Toutefois, pour les aciers 9Ni En ce qui concerne l'acier, l'angle de la rainure ne devrait pas être inférieur à 70 degrés, et le bord émoussé ne devrait pas être inférieur à 3 mm.
Tous les aciers à basse température peuvent être coupés à l'aide d'une flamme oxyacétylénique. Cependant, lors du découpage au gaz de l'acier 9Ni, la vitesse de découpage doit être légèrement inférieure à celle du découpage au gaz de l'acier de construction ordinaire au carbone. Si l'épaisseur de l'acier dépasse 100 mm, la coupe peut être préchauffée à 150-200℃ avant le découpage au gaz, mais elle ne doit pas dépasser 200℃.
Les coupes de gaz n'ont pas d'effets négatifs sur les zones touchées par la pollution atmosphérique. chaleur de soudage. Toutefois, en raison des propriétés autodurcissantes de l'acier contenant du nickel, la surface de coupe se durcit.
Afin d'assurer une performance satisfaisante de la joint soudéIl est donc préférable d'utiliser une meule pour lisser et nettoyer la surface coupée avant de procéder au soudage.
Pendant la construction de la soudure, s'il est nécessaire d'enlever la cordon de soudure ou le matériau de base, on peut utiliser le gougeage à l'arc et à l'air. Toutefois, la surface de la rainure doit être nettoyée et polie avant d'être retravaillée.
Le gougeage à la flamme oxyacétylénique ne doit pas être utilisé car il risque de surchauffer l'acier.
L'acier à basse température peut être soudé à l'aide de méthodes classiques telles que soudage à l'arcle soudage à l'arc submergé et le soudage à l'arc avec des gaz et des métaux.
Le soudage à l'arc est la méthode la plus couramment utilisée pour l'acier à basse température et peut être appliqué dans différentes positions de soudage. L'apport de chaleur est d'environ 18~30KJ/cm.
L'utilisation d'électrodes à faible teneur en hydrogène permet d'obtenir des joints de soudure tout à fait satisfaisants, qui présentent non seulement de bonnes propriétés mécaniques, mais aussi une excellente résistance à l'entaille.
En outre, le soudage à l'arc présente les avantages de machines de soudage simples et peu coûteuses, d'un investissement moindre dans l'équipement et de l'absence de limitations en termes de position ou de direction.
L'apport de chaleur du soudage à l'arc submergé pour l'acier à basse température est d'environ 10~22KJ/cm. Il est largement utilisé en raison de sa simplicité, de sa grande efficacité de soudage et de sa facilité d'utilisation.
Cependant, en raison de l'effet isolant du flux, il ralentit le refroidissement, ce qui entraîne une plus grande tendance à la formation de fissures chaudes.
En outre, des impuretés et du silicium peuvent pénétrer dans le métal soudé à partir du flux, ce qui peut exacerber cette tendance. Par conséquent, lors de l'utilisation du soudage à l'arc submergé, le choix du fil et du flux doit être soigneusement étudié, et les opérations doivent être effectuées méticuleusement.
LE CO2 Le soudage sous protection gazeuse produit des joints moins résistants et n'est donc pas utilisé pour le soudage de l'acier à basse température.
Le soudage au gaz inerte de tungstène (TIG) est généralement effectué manuellement et son apport de chaleur est limité à une plage de 9~15KJ/cm. Bien que le joint de soudure produit présente des performances satisfaisantes, cette méthode n'est pas applicable lorsque l'épaisseur de l'acier dépasse 12 mm.
Le soudage à l'arc avec électrode en phase gazeuse (MIG) est la méthode de soudage automatique ou semi-automatique la plus utilisée pour l'acier à basse température, avec un apport de chaleur de 23~40KJ/cm.
En fonction de la méthode de transfert des gouttelettes, on peut distinguer le transfert en circuit court (apport de chaleur plus faible), le transfert globulaire (apport de chaleur plus élevé) et le transfert par pulvérisation pulsée (apport de chaleur plus élevé). Le soudage MIG en circuit court peut avoir une profondeur de fusion insuffisante, ce qui peut entraîner des défauts de fusion incomplets.
D'autres modes de soudage MIG peuvent également présenter des problèmes similaires, mais à des degrés divers. Pour obtenir une profondeur de fusion satisfaisante en rendant l'arc plus concentré, quelques dizaines de pour cent de CO2 ou d'O2 peuvent être introduits dans l'argon pur utilisé comme gaz d'apport. gaz de protection.
Le pourcentage approprié doit être déterminé expérimentalement, sur la base des caractéristiques spécifiques du produit. type d'acier en cours de soudage.
Matériaux de soudage (y compris les électrodes, les fils de soudure et les flux), doivent généralement être sélectionnés en fonction de la méthode de soudage adoptée, de la forme du joint, de la forme de la rainure et d'autres caractéristiques nécessaires.
Pour l'acier à basse température, le plus important est de s'assurer que le métal soudé présente une ténacité à basse température équivalente à celle du métal de base et de minimiser la quantité d'hydrogène diffusée.
(1) Acier aluminé
L'acier aluminé est très sensible à la vitesse de refroidissement après soudage. Les électrodes utilisées pour le soudage manuel à l'arc de l'acier aluminé sont généralement de type Si-Mn à faible teneur en hydrogène ou de type Ni 1,5%, Ni 2,0%.
Pour réduire l'apport de chaleur du soudage, l'acier tué par l'aluminium adopte généralement le soudage multicouche avec des électrodes minces de 3~3,2 mm. Cela permet d'utiliser le cycle de chaleur secondaire de la passe de soudage supérieure pour affiner les grains.
La ténacité du métal soudé avec des électrodes Si-Mn à 50℃ diminue fortement lorsque l'apport de chaleur augmente. Par exemple, lorsque l'apport de chaleur passe de 18KJ/cm à 30KJ/cm, la ténacité perd plus de 60%. Les électrodes de type Ni 1.5% et Ni 2.5% ne sont pas sensibles à ce phénomène et constituent donc le meilleur choix pour le soudage.
Le soudage à l'arc submergé est une méthode de soudage automatique courante pour l'acier traité à l'aluminium. La meilleure composition pour le fil de soudure utilisé dans le soudage à l'arc submergé contient 1,5~3,5% de nickel et 0,5~1,0% de molybdène.
Selon la littérature, avec l'utilisation d'un fil de soudure 2.5%Ni-0.8%Cr-0.5%Mo ou 2%Ni et le flux approprié, la valeur de ténacité moyenne du métal soudé à -55℃ peut atteindre 56-70J (5.7~7.1Kg/fm). Même avec un fil de soudure 0.5%Mo et un flux alcalin en alliage de manganèse, tant que l'apport de chaleur est contrôlé en dessous de 26KJ/cm, un métal soudé avec 55J (5.6Kg/f.m) peut encore être réalisé.
Lors du choix du flux, il convient de veiller à la correspondance entre Si et Mn dans le métal soudé. Les tests ont montré que des teneurs différentes en Si et en Mn dans le métal soudé peuvent affecter considérablement sa ténacité. La ténacité optimale est obtenue avec 0,1~0,2% Si et 0,7~1,1% Mn. Il convient d'en tenir compte lors de la sélection des fils de soudage et des flux.
Le soudage au gaz inerte de tungstène (TIG) et le soudage au gaz inerte métallique (MIG) sont moins couramment utilisés dans l'acier traité à l'aluminium. Les fils de soudage susmentionnés pour le soudage à l'arc submergé peuvent également être utilisés pour le soudage à l'arc submergé. Soudage TIG.
(2) Acier 2,5Ni et acier 3,5Ni
Pour le soudage à l'arc submergé ou le soudage MIG des aciers 2,5Ni et 3,5Ni, on peut généralement utiliser des fils de soudage du même matériau que le métal de base. Cependant, comme le montre la formule de Wilkinson, le Mn est un inhibiteur de fissuration à chaud pour les aciers à basse température à faible teneur en nickel.
Le maintien de la teneur en manganèse du métal soudé autour de 1,2% est bénéfique pour la prévention des fissures d'arc et autres fissures à chaud. Il convient d'en faire une priorité lors du choix de la combinaison du fil de soudage et du flux.
La tendance à la fragilisation par revenu de l'acier 3.5Ni est élevée, c'est pourquoi, après le traitement thermique post-soudure pour contrainte résiduelle (par exemple, 620℃×1 heure, puis refroidissement du four), la ténacité diminuera considérablement de 3,8Kg/f.m à 2,1Kg/f.m et ne répondra pas à la spécification.
La tendance à la fragilisation du métal soudé par le fil de soudure 4.5%Ni-0.2%Mo est beaucoup plus faible, et l'utilisation de ce fil permet d'éviter les difficultés susmentionnées.
(3) Acier 9Ni
L'acier 9Ni est généralement soumis à un traitement thermique de trempe et revenu ou de double normalisation et revenu pour maximiser sa ténacité à basse température. Cependant, le métal soudé de cet acier ne peut pas subir le traitement thermique susmentionné.
Par conséquent, l'utilisation de matériaux de soudage à base de ferrite rend difficile l'obtention d'un métal soudé présentant une ténacité à basse température comparable à celle du métal de base. Les matériaux de soudage à haute teneur en nickel sont les plus couramment utilisés.
Le métal soudé de ces matériaux de soudage est une structure austénitique complète. Malgré les inconvénients d'une résistance moindre par rapport au métal de base de l'acier 9Ni et d'un coût élevé, la rupture fragile n'est plus un problème sérieux pour ces matériaux.
D'après ce qui précède, nous savons que
Le métal soudé étant entièrement austénitique, la ténacité à basse température du métal soudé avec les électrodes et les fils de soudage utilisés peut rivaliser pleinement avec le métal de base, bien que sa résistance à la traction et sa limite d'élasticité soient inférieures à celles du métal de base.
L'acier contenant du nickel présente des caractéristiques d'autodurcissement, c'est pourquoi la plupart des électrodes et des fils de soudure ont pris des mesures pour limiter l'impact de l'acier sur l'environnement. teneur en carbone pour obtenir une bonne soudabilité.
Dans les matériaux de soudage, le Mo est un élément de renforcement important, tandis que le Nb, le Ta, le Ti et le W sont des éléments de durcissement importants. Leur importance a été pleinement reconnue dans la sélection et la configuration des matériaux de soudage.
Lorsque le même fil de soudage est utilisé, la résistance et la ténacité du métal soudé à l'arc submergé sont quelque peu inférieures à celles du soudage MIG. Cela peut être dû à la vitesse de refroidissement plus lente de la soudure et aux éventuelles impuretés ou infiltrations de Si dans le flux.
L'acier A333-GR6 est un acier à basse température, dont la température d'utilisation la plus basse est de -70℃, généralement livré à l'état normalisé ou normalisé plus trempé. L'acier A333-GR6 a une faible teneur en carbone, il a donc une faible tendance au durcissement et à la fissuration à froid, une bonne ténacité et une bonne plasticité.
Il ne produit généralement pas facilement de défauts de durcissement et de fissuration et présente de bonnes caractéristiques de résistance à la corrosion. soudabilité.
ER80S-Ni1 soudage à l'arc sous argon avec des électrodes W707Ni peut être utilisé, en appliquant le soudage combiné argon-électrique, ou le fil de soudage à l'arc sous argon ER80S-Ni1 peut être utilisé pour le soudage à l'arc sous argon complet afin d'assurer une bonne ténacité du joint de soudure.
La marque du fil et de l'électrode de soudage à l'arc sous argon peut être choisie parmi des produits ayant les mêmes performances, mais l'approbation du propriétaire doit être obtenue avant l'utilisation.
Lors du soudage, pour les tuyaux d'un diamètre inférieur à 76,2 mm, on utilise un joint bout à bout de type I et un soudage à l'arc sous argon complet ; pour les tuyaux d'un diamètre supérieur à 76,2 mm, on ouvre une rainure de type V et on utilise la méthode de la racine de l'arc sous argon et du soudage électrique sous argon à remplissage multicouche ou du soudage à l'arc sous argon complet.
Les pratiques spécifiques dépendent du diamètre du tuyau et de l'épaisseur de la paroi approuvés par le propriétaire.
(1) Préchauffage avant le soudage
Lorsque la température ambiante est inférieure à 5℃, un préchauffage de la pièce soudée est nécessaire.
Les température de préchauffage est de 100~150℃ ; la plage de préchauffage est de 100 mm des deux côtés de la soudure ; la flamme oxyacétylénique (flamme neutre) est utilisée pour le chauffage, et la température est mesurée à 50~100 mm du centre de la soudure par un stylo détecteur de température, avec des points de température uniformément répartis pour un meilleur contrôle de la température.
(2) Traitement thermique post-soudure
Afin d'améliorer la résistance à l'entaille de l'acier à basse température, les matériaux généralement utilisés ont déjà subi une trempe et un revenu. Un traitement thermique post-soudage inadéquat détériore souvent ses performances à basse température et doit faire l'objet d'une attention particulière.
Par conséquent, à l'exception des cas où l'épaisseur de la pièce soudée est plus importante ou des cas où les conditions de contrainte sont très strictes, l'acier à basse température ne subit généralement pas de traitement thermique après soudage.
Par exemple, le soudage du nouveau pipeline de GPL de CSPC ne nécessite pas de traitement thermique après soudage.
Si le traitement thermique post-soudure est effectivement nécessaire dans certains projets, la vitesse de chauffage, la durée de température constante et la vitesse de refroidissement du traitement thermique post-soudure doivent être strictement respectées conformément aux dispositions suivantes :
La durée de la température constante doit être de 1 heure par 25 mm d'épaisseur de paroi et ne doit pas être inférieure à 15 minutes. La différence de température entre la température la plus élevée et la température la plus basse pendant la période de température constante doit être inférieure à 65℃.
Après la température constante, la vitesse de refroidissement ne doit pas être supérieure à 65×25/δ ℃/h, ni supérieure à 260℃/h. En dessous de 400℃, le refroidissement naturel est acceptable. Il convient d'utiliser un équipement de traitement thermique contrôlé par ordinateur.
(1) Préchauffage strict conformément aux réglementations, contrôle de la température intercalaire entre 100 et 200℃. Chaque soudure doit être réalisée en une seule fois, en cas d'interruption, des mesures de refroidissement lent doivent être prises.
(2) Les rayures d'arc sur la surface de la pièce soudée sont strictement interdites. Lors de l'extinction de l'arc, le cratère doit être comblé et les défauts éventuels doivent être éliminés à l'aide d'une meule. Les joints entre les couches dans le cas d'un soudage multicouche doivent être décalés.
(3) L'énergie de la ligne doit être strictement contrôlée, en utilisant de petits courants, de faibles tensions et un soudage rapide. Pour les électrodes W707Ni d'un diamètre de 3,2 mm, la longueur de soudage par électrode doit être supérieure à 8 cm.
(4) Il convient d'adopter un fonctionnement en arc court, sans oscillation.
(5) Soudage par pénétration complète doit être utilisé, et il doit être strictement conforme aux exigences des spécifications du procédé de soudage et de la carte du procédé de soudage.
(6) Le renforcement de la soudure doit être de 0~2mm, et l'élargissement de la soudure doit être ≤2mm de chaque côté.
(7) Après le contrôle de l'aspect de la soudure, les essais non destructifs ne peuvent être effectués qu'après un délai d'au moins 24 heures. La norme JB 4730-94 doit être appliquée pour soudage bout à bout les joints du tuyau.
(8) La norme "Pressure Vessel : Non-destructive Testing of Pressure Vessels" doit être respectée et la qualification de niveau II doit être atteinte.
(9) Les réparations des soudures doivent être effectuées avant le traitement thermique post-soudure. Si des réparations sont nécessaires après le traitement thermique, la soudure doit être à nouveau traitée à la chaleur après la réparation.
(10) Si la dimension géométrique de la surface soudée n'est pas conforme, il est permis de la meuler, à condition que l'épaisseur après meulage ne soit pas inférieure aux exigences de conception.
(11) En ce qui concerne les dispositions générales défauts de soudureSi la soudure ne passe pas, un maximum de deux réparations est autorisé. Si la soudure ne passe toujours pas après deux réparations, il convient de la couper et de la ressouder conformément à la procédure complète. processus de soudage.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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