Causes courantes des défaillances lors du soudage de tiges en alliage à base de nickel

Barre en alliage à base de nickel pour le soudage : causes courantes des défaillances

Lorsqu’une soudure réalisée avec une barre en alliage à base de nickel se fissure ou présente une défaillance, la cause profonde est rarement spectaculaire. Le problème commence plus souvent par un détail qui semblait acceptable à l’établi : un joint qui n’a pas été entièrement nettoyé après le meulage, un apport de chaleur qui paraissait maîtrisable mais qui a maintenu le bain trop longtemps, ou un métal d’apport choisi en fonction du nom du métal de base plutôt que de la chimie du milieu de service. Dans le travail des alliages de nickel, ces décisions se manifestent souvent plus tard par une fissuration à chaud, une porosité, un manque de fusion ou une corrosion prématurée au niveau de la zone soudée. C’est pourquoi les fabricants expérimentés n’évaluent pas ces soudures uniquement à leur aspect. Ils évaluent leur comportement futur dans des milieux de procédé contenant des chlorures, lors de cycles thermiques ou en service prolongé à température élevée.

La première distinction importante concerne les soudures qui présentent une défaillance pendant la fabrication et celles qui échouent en service. Les défauts d’atelier sont généralement plus faciles à retracer. La porosité est souvent liée à une contamination : huile, humidité, résidus de peinture, produits de marquage contenant du soufre ou même saletés de manipulation incrustées à proximité de la face de la gorge. Les alliages de nickel sont ici moins tolérants que de nombreux aciers au carbone. Un cordon peut sembler lisse tout en emprisonnant des gaz si les bords du joint n’ont pas été nettoyés jusqu’à obtenir un métal brillant et maintenus à l’écart de toute contamination provenant d’outils en acier au carbone. Lors des travaux de réparation, le problème s’aggrave, car le composant d’origine peut déjà être recouvert de dépôts de procédé. Les soudeurs éliminent parfois la calamine visible et supposent que la surface est prête ; le problème réside alors dans les résidus invisibles présents dans les piqûres, les jeux à la racine et les angles affectés par la chaleur.

La fissuration constitue un problème différent. Avec une barre en alliage à base de nickel, de nombreux opérateurs accusent immédiatement le métal d’apport, mais l’expérience de terrain révèle généralement une combinaison de contraintes, de dilution et de contrôle de l’arc. Si la conception du joint entraîne une forte contrainte et que le soudeur utilise un tissage excessif ou un temps d’arrêt prolongé, le métal fondu en cours de solidification reste plus longtemps dans une plage de température vulnérable. La fissuration de solidification devient alors plus probable, notamment dans les assemblages dissemblables ou les réparations de composants vieillissants. Des cordons étroits en passes rectilignes, une température entre passes maîtrisée et un ajustement précis du joint sont plus importants qu’on ne le pense. Une ouverture à la racine insuffisante ou une épaisseur de talon irrégulière peut pousser le soudeur à rechercher la pénétration en augmentant la chaleur, ce qui est souvent le point de départ d’un écart par rapport à une procédure de soudage fiable.

Les défaillances en service nécessitent une analyse plus rigoureuse de l’environnement. Une soudure qui fonctionne bien dans un service sec à haute température peut ne pas résister à un flux chimique mixte soumis à des cycles thermiques et à de la condensation lors des arrêts. Dans le traitement chimique, une erreur courante consiste à sélectionner le métal d’apport en fonction de la résistance ou de la famille nominale de l’alliage, sans accorder suffisamment d’attention au mode de corrosion. La corrosion par piqûres, la corrosion caverneuse ainsi que l’attaque dans des environnements acides réducteurs ou oxydants peuvent modifier le choix approprié. C’est pourquoi les ingénieurs travaillant dans des milieux agressifs comparent souvent les décisions relatives à la soudabilité avec les matériaux adjacents résistants à la corrosion utilisés ailleurs dans le système, notamment les bandes, les tôles et les éléments de revêtement. Dans certaines fabrications, des bandes en alliage Hastelloy sont utilisées pour des sections formées, des transitions de placage ou des assemblages résistants à la corrosion, lorsque la soudabilité et le contrôle dimensionnel après fabrication sont tous deux importants. L’idée n’est pas que les produits en bande remplacent le choix du métal d’apport, mais que le même environnement de service impose généralement une vérification plus large de la compatibilité des matériaux.

Les points où la qualité du soudage commence généralement à se dégrader

Le problème se situe souvent en amont du soudage lui-même. L’état du matériau modifie l’ensemble de l’opération. Les composants en alliage de nickel ayant subi un écrouissage important, ayant été mal stockés ou ayant été chauffés à plusieurs reprises lors de réparations antérieures peuvent réagir différemment d’un matériau neuf. La couleur de l’oxyde de surface peut induire les opérateurs en erreur et leur faire penser qu’un simple brossage léger suffit, alors que le film d’oxyde est devenu suffisamment tenace pour gêner le mouillage et la fusion. Sur les sections minces, le contrôle de la déformation devient également un élément de prévention des défauts. Le soudeur qui tente de maintenir un panneau plat peut réduire excessivement la chaleur et provoquer un manque de fusion sur le flanc. Celui qui cherche à éviter le manque de fusion peut surcompenser et surchauffer le joint. Aucun de ces problèmes n’est inhabituel.

Un autre point souvent sous-estimé est la différence entre les conditions de qualification de la procédure et les conditions réelles de l’usine. Une procédure peut être exécutée proprement en atelier, avec une température ambiante stable, une préparation contrôlée et un accès idéal. La même barre en alliage à base de nickel peut se comporter différemment lors d’une réparation pendant un arrêt, lorsque le soudeur travaille en position plafond, que le composant est chauffé par les équipements voisins et que l’accès impose des angles de torche plus courts. C’est dans cet écart entre les conditions qualifiées et les conditions sur site que se trouvent de nombreux problèmes de soudage récurrents. C’est également pourquoi les superviseurs expérimentés accordent de l’importance à la pertinence des maquettes, et pas seulement à l’exhaustivité des documents.

Le choix des matériaux fait partie de la prévention des défaillances

Toutes les défaillances d’applications en alliage de nickel ne sont pas dues uniquement au soudage. Parfois, la soudure révèle une incompatibilité plus profonde entre le choix de l’alliage et les conditions de service. Dans les équipements traitant des flux acides ou des fluides contenant des chlorures, le métal soudé et la zone affectée par la chaleur adjacente peuvent devenir le premier point faible visible, simplement parce qu’ils subissent la modification métallurgique la plus sévère. Les systèmes de matériaux fondés sur une chimie nickel-molybdène-chrome sont souvent choisis pour cette raison : ils maintiennent leur résistance à la corrosion dans des conditions de procédé exigeantes tout en permettant une fabrication sous des formes utilisables. Par exemple, les nuances Hastelloy telles que C-276, C-22 et B-2 sont couramment évaluées lorsque la résistance à la corrosion et la résistance à l’oxydation à haute température doivent coexister avec des exigences de formage et d’assemblage. Sous forme de bande, des épaisseurs de 0.1 mm à 5 mm peuvent convenir aux conduits, revêtements, pièces de transition et assemblages formés qui nécessitent ensuite un soudage soigneux. Des normes telles que ASTM B575 et AMS 5580 constituent des références pertinentes pour ces formes de produits, mais elles ne remplacent pas la nécessité de vérifier la procédure de soudage du joint en fonction de l’environnement de service.

Cela est important dans des secteurs tels que le traitement chimique, l’aérospatiale et la production d’électricité, où une même famille d’alliages peut être soumise à des contraintes très différentes. Dans la fabrication aérospatiale, la précision dimensionnelle, la résistance à la fatigue et la rigueur du contrôle des procédés peuvent dominer. Dans la production d’électricité, les cycles thermiques et la résistance à l’oxydation peuvent devenir prioritaires. Le service chimique soulève souvent les questions les plus difficiles, car la composition du milieu, les conditions perturbées et les intervalles de maintenance peuvent modifier ce qui est considéré comme une soudure acceptable. Un joint qui résiste au fonctionnement normal peut néanmoins être endommagé si les produits chimiques de nettoyage, les condensats au démarrage ou les conditions stagnantes pendant les arrêts n’ont pas été pris en compte lors de la sélection du métal d’apport.

Shandong Titanium Nickel Special Steel Co., Ltd. travaille avec des systèmes à base de nickel, à base de fer et d’autres alliages spéciaux. Une leçon pratique issue de cette expérience plus large des matériaux est donc que les décisions de soudage ne doivent pas être isolées du reste de l’assemblage fabriqué. Lorsque des composants adjacents utilisent des bandes, tubes, barres ou plaques résistants à la corrosion provenant de familles d’alliages différentes, les zones de transition méritent une attention particulière. Cela est particulièrement vrai lorsque l’assemblage comprend des alliages haute température, du Monel, de l’INCONEL, de l’INCOLOY, des alliages de titane ou des alliages de zirconium dans des systèmes de service connexes, car le contrôle de la contamination et la compatibilité du métal d’apport deviennent plus sensibles qu’une simple désignation d’alliage ne le laisse penser.

Une analyse rigoureuse revient généralement à poser quelques questions essentielles : quel est l’environnement réel de service, y compris les conditions d’arrêt et de nettoyage ? Quel niveau de contrainte le joint supporte-t-il dans son état final ? Le métal d’apport a-t-il été choisi uniquement pour sa soudabilité, ou également pour sa résistance à long terme à la corrosion et à la température ? Et les hypothèses de l’atelier étaient-elles toujours valables lorsque les travaux ont été réalisés sur site ? Ces vérifications contribuent davantage à prévenir les défaillances d’une barre en alliage à base de nickel que toute acceptation visuelle effectuée une fois la soudure terminée.