La soudure de l'acier inoxydable

Introduction au soudage des aciers inoxydables

Le soudage de l'acier inoxydable joue un rôle crucial dans de nombreux secteurs industriels, notamment dans la construction navale, la fabrication d'équipements pour les industries chimique et alimentaire, et la production de matériel médical. Il s’agit de construire une continuité géométrique mais aussi une continuité métallurgique à la pièce soudée. Le cordon de soudure, avec ses défis spécifiques tels qu'un taux de dilatation thermique élevé et une faible conductivité thermique, nécessite une gestion minutieuse de la température pour éviter déformations et tensions. Sa qualité est essentielle pour maintenir l'intégrité structurelle et la résistance à la corrosion, particulièrement dans les environnements exigeants. 

Chaque type d'acier inoxydable requiert des méthodes de soudage adaptées, et sa préparation implique un choix judicieux des métaux d'apport et des équipements, ainsi qu'une préparation minutieuse des surfaces.
La maîtrise des paramètres de soudure est cruciale pour obtenir des soudures à la fois esthétiques, solides et durables, rendant cette compétence indispensable dans le secteur de la métallurgie.

Propriétés “uniques” de l'acier inoxydable pour la soudure

L'acier inoxydable présente un ensemble de défis et de particularités pendant la soudure, car son comportement peut être influencé par plusieurs facteurs, tels que :

• Le taux de dilatation thermique de l'acier inoxydable, qui est plus élevé que celui des aciers au carbone. C’est un facteur à prendre en compte pour éviter les déformations ou les tensions dans les soudures. On peut même constater ces déformations entre les familles d’aciers inoxydables entre elles.

• La faible conductivité thermique de l'acier inoxydable : elle signifie que la chaleur n’est pas rapidement dissipée pendant la soudure. Cela exige donc une bonne gestion de la température, notamment face aux contraintes métallurgiques de certaines nuances.

• La sensibilité à la corrosion : certaines nuances d'aciers inoxydables sont sensibles à la corrosion intergranulaire, si elles ne sont pas correctement soudées ou soudées en connaissance de cause.

Importance de la soudure de qualité en acier inoxydable

Une soudure de qualité est primordiale pour maintenir l'intégrité structurelle et la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable :

• Prévention de la corrosion : une soudure est correctement exécutée si elle conserve la résistance à la  corrosion, notamment la corrosion sous tension et la corrosion intergranulaire. Le cordon de soudure reste toutefois une zone sensibilisée.

• Conservation des propriétés mécaniques : il serait nécessaire d’avoir les mêmes caractéristiques que le reste de la pièce sous peine de constater un comportement aléatoire en fonctionnement.

• Durabilité : des soudures de qualité assurent la durabilité des structures et équipements en acier inoxydable. C’est un facteur particulièrement important dans des environnements exigeants.

Cordon de soudure réalisé sur site : les difficultés opératoires doivent être prises en compte.

Soudabilité de tous les aciers inoxydables

Si le soudage est possible avec tous les procédés pour toutes les nuances d’aciers inoxydables, chaque famille nécessite toutefois des méthodes spécifiques ou une attention particulière.. 

Ainsi, les aciers inoxydables martensitiques sont sensibles à la fissuration à froid au moment du soudage. Un préchauffage selon les nuances peut aider à limiter le phénomène. Le choix des matériaux d’apport et leur conditions de stockage auront aussi une importance.

Les aciers inoxydables ferritiques ont, de part leur structure, une tendance à réagir par un grossissement de grain qui rend l’assemblage fragile. C’est donc un compromis température-propriétés mécaniques qu’il faudra jauger.

Les aciers inoxydables austénitiques peuvent au cours des opérations de soudage développer des fissurations à chaud. Ici aussi, le choix et la qualité des matériaux à assembler et du métal d’apport est important.

Concernant les duplex, c’est le phénomène de précipitation de la phase sigma qui se forme entre 900 et 600°C selon les nuances qui est problématique en rendant fragile et résilient le nouvel assemblage. La résistance à la corrosion est également touchée par cette anomalie microstructurale.

Soudage avec tous les types de procédés

L'acier inoxydable peut être soudé en utilisant une variété de procédés, chacun ayant ses propres avantages et notamment pour les plus connus :

• TIG (Tungsten Inert Gas) : idéal pour les soudures fines et précises.

• MIG/MAG (Metal Inert Gas / Metal Active Gas) : convient pour les soudures plus épaisses et pour une production plus rapide.

• Soudage par résistance : utilisé pour les assemblages par points ou en couture.

• Soudage laser : offre une précision élevée et une distorsion minimale.

Cordon de soudure TIG.

Chaque méthode de soudage de l'acier inoxydable nécessite donc une compréhension approfondie du matériau afin d'éviter les phénomènes de corrosion, de fissuration ou de distorsion.

Préparatifs pour la soudure de l'acier inoxydable

Les préparatifs liés à la soudure de l'acier inoxydable impliquent un matériel de soudure adapté et une préparation minutieuse des surfaces à souder.

Sélection du matériel adapté

Sélectionner judicieusement les métaux d'apport et les équipements de soudure adaptés à l'acier inoxydable est une étape qu’il ne faut pas négliger.

• Choix de la technique : selon la position de soudage, selon les épaisseurs, … la technique la plus appropriée est choisie pour apporter à l’assemblage, les caractéristiques mécaniques et métallurgiques dont il aura besoin. 

• Choix du métal d’apport : le métal d’apport doit être choisi en fonction de la composition chimique de l'acier inoxydable utilisé. Il doit avoir une composition compatible avec celle du métal de base, pour éviter les problèmes de soudabilité et garantir une bonne résistance à la corrosion.

• Choix des gaz : gaz d’inertage et gaz de protection. Le bain de fusion du cordon de soudure des aciers inoxydables nécessite une protection vis à vis de l’oxygène. L’inertage est alors utilisé. Certaines techniques utilisent des poudres protectrices. En surface envers (surface opposée à la buse de soudage) le bain de fusion doit aussi être protégé de l’oxygène de l’air.

• Choix de l’environnement d’atelier : l’acier inoxydable reste sensible à l’opération de soudage. Il convient pour limiter les effets négatifs d’avoir un environnement approprié : propreté, courants d’air, équipements dédiés …

L’utilisation du diagramme de Schaeffler  aide à sélectionner le métal d’apport approprié en évaluant les teneurs en chrome et en nickel “équivalents” de l'acier inoxydable. Le diagramme de Schaeffler illustre l'influence de certaines compositions sur les propriétés de la soudure, notamment leur impact sur la structure du cordon de soudure. Ce diagramme a été précisé par d’autres métallurgistes ou entités : Espy, Nohara… pour les nuances austéno-ferritiques par exemple ou pour le soudage hétérogène (acier inoxydable - acier standard).

Diagramme de Schaeffler avec quelques nuances d’aciers inoxydables

Préparation des surfaces de l'acier inoxydable

Une préparation adéquate des surfaces de l'acier inoxydable est fondamentale à l’obtention d’une soudure de qualité. Les surfaces à assembler doivent être propres et exemptes de contaminants (huiles, graisses, poussières ou oxydes). Le nettoyage se fait manuellement.

Après l’opération de soudage, la coloration du cordon atteste de l’oxydation de la surface. Il faut rendre à l'assemblage, sa résistance à la corrosion. La régénération de la passivation peut être effectué chimiquement ou mécaniquement :

• Nettoyage chimique : après un dégraissage pour enlever l’huile et les graisses, il  s’agit de l’utilisation d'acides pour enlever les contaminations et les oxydes laissés par l’opération de soudage. C’est une méthode efficace pour obtenir une surface renforcée en termes de résistance à la corrosion sans altérer la structure du métal.

• Nettoyage mécanique : désigne l’utilisation de process mécanique (brossage, sablage, polissage) pour enlever la rouille et les oxydes. Le nettoyage mécanique est souvent plus rapide, mais peut altérer légèrement la surface de l'acier inoxydable.

Le choix entre un nettoyage chimique ou mécanique dépend donc des conditions d’utilisation de la pièce et des exigences de la soudure.

Maîtriser les paramètres de soudure

Une soudure réussie implique l’usage de techniques adaptées à l'acier inoxydable, un ajustement des paramètres, et un contrôle continu de la chaleur.

Contrôle de la chaleur et distorsion

Des températures mal contrôlées peuvent entraîner des déformations indésirables et affecter l'intégrité du joint soudé.

• Gestion thermique : il est nécessaire de maintenir une température uniforme tout au long du processus de soudure pour éviter les contraintes thermiques.

• Prévention de la distorsion : le soudage par points ou l'utilisation de gabarits peut minimiser la distorsion du métal due à la chaleur.

Réglages optimaux pour une soudure efficace

Les paramètres de soudure doivent être ajustés pour garantir la qualité du joint soudé :

• L’intensité du courant : l'intensité doit être ajustée en fonction de l'épaisseur de l'acier inoxydable et du type de soudure (TIG, MIG, etc.).

• La vitesse de soudage : une vitesse adaptée est essentielle pour assurer une bonne pénétration du métal d'apport tout en évitant la surchauffe.

• La distance de l'arc : la distance entre la torche et la pièce de travail influence la stabilité de l'arc et la qualité de la soudure.

• La position de soudage …

Une bonne maîtrise de ces paramètres permet d’obtenir des soudures à la fois esthétiques, solides et durables de l'acier inoxydable.

Post-traitement et finition

Les étapes post-traitement des soudures sont incontournables pour offrir une belle finition des assemblages en inox. Ils sont nécessaires pour restaurer l’inoxydabilité du métal.

Le choix du traitement dépend de l’utilisation de la pièce. Deux voies sont envisageables : le traitement mécanique et le traitement chimique.

Techniques de finition post-soudure

Le polissage des soudures confère son aspect lisse à l'acier inoxydable, en plus d’installer la couche passive naturellement. Tout d’abord, des brosses fines ou des pâtes à polir effacent les marques de soudure et redonnent de l'éclat au métal. Ensuite, un meulage délicat nivelle la surface de l'acier inoxydable, intégrant la soudure au reste de la pièce. il convient ensuite de laisser le produit se passiver naturellement dans un environnement favorable. Ainsi, il n’y aura aucune différence de résistance à la corrosion entre le métal de base et le métal du cordon de soudure.

Traitement de surface après soudure

Un traitement adéquat de la surface soudée améliore la résistance et la durée de vie de l'acier inoxydable.

• Décapage - Passivation chimique : ce processus chimique élimine les contaminants de la surface comme les oxydes de fer formés “à chaud” au moment de l’opération et aide à reformer la couche passive protectrice de l'acier inoxydable.

Cette étape peut se faire sur l’ensemble de l’assemblage par immersion dans des bains ou bien par application localisée au niveau du cordon de soudure d’un gel réactif.Bien que d’apparence moins agressif, le gel reste un complexe associant les produits de décapage et de passivation. La vigilance sur l’utilisation et le rinçage de ces produits reste importante.

Ces étapes post-soudure offrent une meilleure résistance et une finition esthétique conforme aux standards de l'industrie concernée.

Gestion des défis spécifiques liés à l’acier inoxydable

La soudure de l'acier inoxydable implique des défis uniques, allant de la préservation de la continuité du cordon de soudure à la gestion des défauts spécifiques.

• La continuité géométrique et métallurgique : Elle assure intégrité structurelle et résistance à la corrosion.

• Les défauts en soudage : les indications débouchantes, internes ou volumiques nécessitent une attention particulière et doivent être détectées pour garantir la qualité de la soudure.

• Les particularités des familles d'aciers inoxydables : chaque famille d'inox (austénitique, ferritique, martensitique, etc.) présente des particularités en soudure qu'il faut connaître et maîtriser pour obtenir un cordon de soudure de qualité.

Résoudre les problèmes courants en soudure d'acier inoxydable

L'identification précoce de problèmes courants comme les fissures, la porosité ou le rochage est cruciale. Le recours à des techniques de soudure de l'acier inoxydable adaptées, le choix du métal d'apport et la préparation de la surface peuvent aider à les résoudre.

Innovations et tendances en soudure de l'acier inoxydable

Le domaine de la soudure de l'acier inoxydable a connu d'importantes avancées, avec l'émergence de nouvelles techniques et équipements :

• Technologies de soudage automatisé : l'automatisation avancée et la robotique apportent une précision et une constance accrues, réduisant les erreurs humaines.

• Procédés de soudage avancés : des techniques telles que le soudage par faisceau d’électrons ou par friction-malaxage offrent des avantages en termes de vitesse et de qualité des soudures.

• Matériaux d'apport innovants : le développement de nouveaux métaux d'apport, conçus pour améliorer la résistance à la corrosion et la solidité des soudures.

• Systèmes de contrôle intelligent : l'intégration de capteurs et de logiciels pour surveiller et ajuster en temps réel les paramètres de soudure.

Vers une soudure d'acier inoxydable plus efficace et durable

L'évolution future des pratiques de soudure de l'acier inoxydable s'oriente vers plus d'efficacité et de durabilité :

• Durabilité environnementale : une attention croissante est portée sur les méthodes de soudure respectueuses de l'environnement, avec des émissions réduites et une consommation d'énergie optimisée.

• Qualité Améliorée : la recherche continue pour améliorer la qualité des soudures, en minimisant les défauts et en maximisant la résistance.

• Formation et Certification : l'importance accrue de la formation spécialisée pour les soudeurs, afin de les familiariser avec les nouvelles technologies et techniques de soudage.

• Collaboration Intersectorielle : des collaborations entre différents secteurs industriels pour développer des solutions de soudage innovantes adaptées aux défis spécifiques de l'acier inoxydable.

Ces avancées et orientations témoignent de l'engagement continu du secteur vers l'amélioration des techniques de soudage de l'acier inoxydable.

Conclusion et ressources additionnelles

Cette exploration approfondie de la soudure de l'acier inoxydable souligne l'importance des techniques de préparations et de la compréhension des matériaux utilisés.

Récapitulatif des meilleures pratiques

En résumé, une soudure efficace de l'acier inoxydable repose sur les éléments suivants :

• Le choix d’un bon métal d'apport et d’un procédé de soudure adéquat.

• Le contrôle rigoureux de la température pour prévenir la distorsion et la fragilisation.

• Le nettoyage et la préparation des surfaces avant la soudure.

• La maîtrise des paramètres de soudure : ajuster finement les paramètres pour une soudure de qualité

• Réaliser des finitions detraitement de surface pour renforcer et embellir les soudures.

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• Maîtrise de la normalisation : décrypter les certificats 3.1, les désignations et normes.

• Identification des familles d'aciers inoxydables : distinguer les aciers austénitiques, ferritiques, martensitiques et duplex.

• Connaissance des processus de fabrication : comprendre comment l'élaboration et la mise en œuvre des aciers inoxydables influencent leur comportement.

• Reconnaissance des dégradations courantes : identifier les ruptures, l'usure, la corrosion par piqûres, sous contraintes, etc.

• Règles de conception et fabrication : apprendre les pratiques influant sur la résistance à la corrosion.

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