Soutenance mémoire
Le soudage TIG (Tungsten Inert Gas) : application aux aciers inoxydables
Des soudures de bonne qualité sont facilement obtenues si une protection sous gaz inertes pour des températures au-dessus de 420°C est utilisée et si la propreté des matériaux est assurée. Le préchauffage n’est pas requis et les fissurations qui peuvent se créer sont souvent en relation avec une contamination du cordon de soudure. En configuration de soudage bord à bord, le pointage avant soudure permet un accostage optimal des bords à souder en évitant un équipement trop élaboré.
Principe
A l’aide d’un courant électrique, on fait jaillir dans une veine d’argon un arc électrique entre une électrode infusible de tungstène et la pièce à souder de polarité opposée.Cet arc électrique engendre un champ magnétique auto-induit qui crée à son tour des forces de Lorentz qui vont entraîner le gaz en projection vers la surface de la pièce. L’énergie calorifique provenant du plasma constitué des particules d’ionisation du gaz de protection, des électrons de l’arc électrique et d’éléments métalliques vaporisés, permet de faire fondre localement la pièce formant ainsi le joint soudé après refroidissement.
La chaleur générée par l’arc électrique H est donnée par :
H = EI / v (J /mm), (I.1)
E : tension de l’arc (V)
I : intensité du courant (A)
v : vitesse d’avance de la torche (mm/s)
Hn : énergie réelle déposée (J/mm).
Cependant, à cause des faibles pertes électriques de l’arc, toute la chaleur n’est pas transmise à la pièce à souder.
La chaleur réellement transmise est : Hn = f1EI / v (I.2)
Où f1 est le coefficient d’efficacité du transfert de chaleur qui est à peu près égal à 0,7 pour le procédé de soudage TIG.
Paramètres technologiques
Nature du courant de soudage
Les procédés de soudage à l’arc peuvent être utilisés en courant continu (DC), avec l’électrode négative (EN) ou positive (EP), ou en courant alternatif (AC).
En courant continu, lorsque l’électrode est connectée à la borne négative (DC-), les électrons sont émis de l’électrode de tungstène vers la pièce de travail de polarité positive. Ces électrons hautement énergétiques rentrent en collision avec la pièce en abandonnant leur énergie cinétique et génèrent un échauffement considérable. Il en résulte une pénétration importante, un cordon de soudure étroit mais aussi un apport de chaleur significatif pouvant induire des contraintes résiduelles et des déformations non désirables. Cependant ce mode est le plus employé pour des procédés comme le TIG où l’électrode est non consommable. Lorsque l’électrode est connectée à la borne positive (DC+) l’effet de l’apport de chaleur des électrons par leur énergie cinétique se concentre sur l’électrode plutôt que sur la pièce de travail. Ceci nécessite un refroidissement plus important des électrodes et cela engendre un cordon moins pénétrant, plus large, et un faible échauffement de la pièce de travail. De plus les ions positifs qui rentrent en collision avec la pièce de travail en provenance de l’électrode positive ont un effet nettoyant sur la surface oxydée. Ce mode de soudage est préconisé pour le soudage de faibles épaisseurs des métaux s’oxydant rapidement comme l’aluminium et le magnésium.
Le courant continu en mode pulsé engendre une succession de temps froids, avec maintien de l’arc, et de temps chauds (pics d’intensité) assurant la pénétration. Cette technique permet de mieux maîtriser l’énergie apportée à la pièce. Enfin le courant alternatif peut être utilisé pour alterner les avantages des deux modes cités précédemment durant la moitié des cycles ; la pénétration est assez bonne avec une action de nettoyage des surfaces.
Intensité et vitesse de soudage
L’intensité et la vitesse de soudage sont les paramètres les plus importants à contrôler parce qu’ils sont directement liés à la profondeur de pénétration, à la largeur du bain de fusion, et à la qualité du joint soudé. L’intensité affecte également la tension si la longueur de l’arc (distance entre la pointe de l’électrode et la pièce à souder) est fixée. Cette étude a également montré que les structures de solidification à gros grains sont reliées à un rapport P/L de la zone de fusion important. Par conséquent, afin de réduire la taille des grains en zone de fusion tout en conservant une pénétration débouchante nécessaire pour la tenue mécanique de l’assemblage, un compromis vitesse/intensité de soudage doit être établi.
Nature de l’électrode
L’électrode est généralement en tungstène, le tungstène assure une efficacité du courant produit ce qui donne une meilleure condition de soudabilité pour le procédé TIG.
Gaz de protection
Traditionnellement le soudage TIG dans le domaine pétrochimique et pétrolier est effectué sous atmosphère de gaz inerte, mais le soudage à l’air est très pratiqué avec l’utilisation de techniques de protections gazeuses adaptées. Pour le soudage TIG des aciers inoxydables l’électrode est protégée par un gaz inerte comme l’argon ou l’hélium. L’argon est le gaz le plus utilisé actuellement dû à un moindre coût et à son faible potentiel d’ionisation qui favorise la formation d’un plasma au passage de l’arc électrique.
Effet des paramètres de soudag
Les paramètres de soudage contrôlent la forme, les dimensions et les structures des régions chauffées du cordon de soudure. L’énergie nécessaire à la fusion du métal, qui dépend des paramètres tel que la puissance et la vitesse de soudage, contrôle la vitesse de refroidissement. La vitesse de soudage régit directement la vitesse de croissance du front de solidification et donc également la forme du bain de fusion. La structure et le mode de croissance des grains dépendent de l’apport calorifique linéaire. La croissance des grains devient très rapide et donne lieu à une structure grossière avec un apport calorifique croissant alors qu’une structure fine est obtenue avec une énergie linéaire modérée. Ces paramètres affectent également les contraintes thermiques induites qui s’appliquent sur la soudure et qui entraînent la formation de contraintes résiduelles et des distorsions géométriques.
Aciers inoxydables austénitiques
Les aciers inoxydables austénitiques du type Fe-Cr-Ni représentent 80% du marché mondial des aciers inoxydables. Ceci est dû au fait que leur structure cristallographique de type CFC leur confère une ductilité et une ténacité exceptionnelles sur un très large domaine de température. A température ambiante, ces aciers présentent un bon compromis entre résistance mécanique et allongement. La limite d’élasticité est comprise entre 350 et 400 MPa, la résistance à la rupture dépasse 800 MPa et l’allongement à la rupture (A%) peut atteindre 50%. Un écrouissage du matériau permet d’augmenter la limite d’élasticité et la résistance à la rupture tandis que l’allongement à la rupture diminue, il faut ajouter une excellente soudabilité qui facilite la mise en œuvre.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I
PREMIERE PARTIE
I.1 Le soudage TIG (Tungsten Inert Gas) application aux aciers inoxydables
I.2 Principe
I.3 – Paramètres technologiques
I.3.1 Nature du courant de soudage
I.3.2 Intensité et vitesse de soudage
I.3.3 Nature de l’électrode
I.3.4 Gaz de protection
I.3.5 Effet des paramètres de soudage
DEUXIEME PARTIE
I.4. Aciers inoxydables austénitiques
I.4.1. Caractéristiques générales
I.4.2. Rôle des principaux éléments d’addition
I .5.1 Soudabilité des aciers inoxydables austénitiques
I.5.2 Moyens utilisés de prévention contre la corrosion
I.5.3. Les assemblages hétérogènes
I.5.4. Aspect généraux
I .6 Les principaux défauts de soudage
I.6.1 Les fissures de solidification
I .6.2. La fissuration à froid
I .6.3. Les porosités
CHAPITRE II TYPES DE CORROSION DES ACIERS INOXYDABLES ET TECHNIQUES DE CARACTERISATION
II.1 La corrosion intergranulaire
II.2 La corrosion par piqûration
II.3 Sensibilisation des aciers inoxydables à la corrosion localisée
II.3.1. Mise en évidence
II.3.2. Mécanisme
II .3.3. Quantification
II .3.4 Remèdes
II.4. Réactions électrochimiques
II.4.1. Cinétique de corrosion
II.4.2. Méthode électrochimique
II.4.3. Loi de Tafel
II.4.4. Equation de Stern et Geary
II.5. Techniques non stationnaires
II.5.1. Spectroscopie d’impédance électrochimique
II.5.2. Principe de la méthode
II.5.3. Circuit équivalent
CHAPITRE III
III .1. Moyens utilisés dans le cadre de l’étude
III .1.1. Dispositif de soudage TIG
III.1.2.Choix des matériaux
III.2. Préparation des échantillons
III.3.1. Conditions opératoires
III.3.2. Dureté dans le cordon de soudure TIG A9/AISI304L
III.4. Tests électrochimiques
III.4.1. Techniques opératoires
III.5. Spectroscopie d’impédance électrochimique
CHAPITRE IV
IV. Résultats expérimentaux et analyses
IV.1 joints soudés 304L/304L
IV.1.1 Microstructure
IV.1.2 Filiation de microdureté
IV.1.3 Analyses électrochimiques
IV.2 joints soudés A9/A9
IV.2.1 Microstructure
IV.2.2 Filiation de microdureté
IV.2.3 Analyses électrochimiques
IV.3 Etude de jonction hétérogène AISI304L/A9
IV.3.1 Microstructure
IV.3.2 Dureté dans le cordon de soudure TIG A9/AISI304L
IV.3.3. ANALYSES ELECTROCHIMIQUES – TESTS DE CORROSION
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
