Le soudage des alliages de nickel

Généralité

Le nickel et ses alliages sont réputés pour leur grande résistance à la corrosion et aux températures élevées (jusqu’à 1200°C (2200°F) pour certains alliages). Le nickel ne subit aucun changement de structure jusqu’à son point de fusion et permet la dissolution de plusieurs autres métaux comme le cuivre, le chrome, le fer, le molybdène ou le cobalt, sans former de phases néfastes pour l’alliage.

Plusieurs alliages de nickel sont conçus spécialement pour être coulés alors que d’autres peuvent être soit coulés, soit corroyés sous forme de plaques par exemple. La plupart des alliages de fonderie ont une soudabilité limitée de par la présence de quantité significative de silicium ajouté pour améliorer la fluidité et la coulabilité, mais aussi par la ségrégation inhérente aux pièces de fonderie.

Finalement, tous les différents types d’alliage de nickel peuvent être durcis par précipitation de phases, principalement gamma prime (Ni₃(Al,Ti)) ou gamma double-prime (Ni₃Nb), lorsqu’ils sont alliés en conséquence. Les alliages durcis par précipitation sont généralement plus difficiles à souder.

Propriétés et utilisations typiques des différents types d’alliage de nickel

Le nickel pur

Sous sa forme commercialement pure, le nickel est choisi pour sa résistance à la corrosion dans les alcalis et il est surtout utilisé pour la fabrication de la soude caustique, dans l’industrie électronique, dans l’industrie alimentaire et sous forme de placage.

Les alliages nickel-cuivre

Les alliages nickel – cuivre, présentent une bonne résistance à la cavitation et à la corrosion dans les milieux réducteurs, dans les alcalis et dans l’eau salée. Cela les rend particulièrement intéressants pour les applications marines, les pièces d’équipements pour l’industrie chimique, le traitement des hydrocarbures, les échangeurs de chaleur ainsi que pour la boulonnerie et de quincaillerie de plomberie car ils sont facilement formables ou usinables.

Les alliages nickel-fer

Dans ces alliages, le chrome a été enlevé pour obtenir un très bas coefficient de dilatation thermique. Lorsqu’ils sont alliés avec du cobalt, leur coefficient peut même être près de zéro. Ils permettent la conception des pièces avec des tolérances très serrées comme pour les pièces de turbine, en électronique, en instrumentation, dans l’industrie des lampes, pour fabriquer des étalons et en optique.

Les alliages nickel-chrome-fer et nickel-chrome

Les alliages nickel-chrome-fer et nickel-chrome sont surtout reconnus pour leur résistance aux températures élevées (jusqu’à 1200°C (2200°F)) et leur bonne résistance à la corrosion. L’addition de chrome augmente la résistance à la corrosion du nickel dans les milieux oxydants. Pour améliorer l’effet du chrome, certains alliages contiennent des additions d’aluminium, de silicium et/ou de cérium. Les applications les plus typiques sont les pièces et paniers de fours, les pièces de turbines et dans les industries chimique, pétrochimique et nucléaire.

Les alliages nickel-chrome-molybdène

Les alliages nickel-chrome-molybdène procurent une très bonne résistance à la corrosion, plus spécifiquement à la corrosion localisée par piqûre et par crevasse. Ils sont les alliages les plus versatiles, surtout dans les environnements corrosifs  mixtes ou contaminés. Ils sont rencontrés principalement dans l’industrie chimique, les applications marines, les équipements pour les traitements de la pollution et l’industrie des pâtes et papiers.

Les alliages nickel-molybdène

Les alliages nickel-molybdène ont une excellente résistance à la corrosion dans les milieux acides et réducteurs grâce à leur teneur élevée en molybdène mais ils sont habituellement plus sensibles à la présence d’impuretés dans le milieu corrosif. Certains alliages maintiennent des propriétés mécaniques élevées à haute température. Ils sont principalement utilisés dans les industries chimiques, pétrochimiques et aérospatiales.

Propriétés physiques des alliages de  nickel

Les propriétés physiques du nickel et ses alliages présentent quelques différences par rapport à l’acier doux ou à l’acier inoxydable. Ils sont moins sujets à la déformation que les aciers inoxydables austénitiques, mais le métal fusionné est plus visqueux que celui de l’acier au carbone ou de l’acier inoxydable et il doit être placé dans le joint.

Conductibilité thermique

La conductibilité thermique du nickel est supérieure à celle des aciers. Cependant, l’addition d’éléments d’alliage comme le cuivre, le chrome, le fer ou le molybdène réduit cette valeur et la majorité des alliages de nickel se retrouvent avec une conductibilité jusqu’à 75% inférieure à celle des aciers. Par contre les alliages nickel – cuivre conduisent mieux la chaleur que l’acier inoxydable, alors que ceux contenant du chrome ou du molybdène ont une conductibilité 50% inférieure à ces derniers.

Résistivité électrique

Le nickel pur a une résistivité électrique légèrement plus faible que l’acier au carbone et cinq fois plus grande que le cuivre. Cependant, les alliages nickel – cuivre ont une résistivité environ cinq fois plus grande que l’acier au carbone et trente fois supérieure à celle du cuivre, alors que les alliages contenant du chrome ou du molybdène résistent neuf à onze fois plus que l’acier et environ soixante-quinze fois plus que le cuivre au passage du courant. Ces alliages ont même une résistivité plus grande que l’acier inoxydable austénitique.

Coefficient de dilatation thermique

Le coefficient de dilatation thermique, donc l’importance de la dilatation et de la contraction pendant le soudage du nickel et ses alliages est similaire ou légèrement supérieur à celui de l’acier doux, mais inférieur à celui des aciers inoxydables austénitiques. Cependant, il y a une exception, les alliages nickel-fer présentent le plus faible coefficient de dilatation des métaux industriels et il est près de zéro dans un intervalle de températures spécifique à chaque alliage.

Soudabilité des alliages de nickel

Préparation des surfaces

La présence d’impuretés comme le soufre, le phosphore, le plomb, l’étain, le zinc, le bismuth, l’antimoine et quelques autres contaminants, augmente drastiquement la susceptibilité du nickel et ses alliages à la fissuration à chaud car ils forment des composés à bas point de fusion qui demeurent liquides aux joints de grains lors de la solidification. Il est donc très important de très bien nettoyer la surface du métal d’apport et les surfaces du joint avec les solvants appropriés pour éliminer toute trace de graisse, d’huile, de lubrifiant de coupe ou d’usinage, de marque de crayon , de peinture, de produit de corrosion, de solution pour l’inspection par liquide pénétrant, de marque de crayon indicateur de température, de marque laissée par les maillets d’ajustement en plomb et en laiton, etc.

Si la pièce n’a pas à être rechauffée après le soudage, il suffit de nettoyer 50 à 75 mm (2 à 3”) de chaque coté du joint. De plus, l’oxyde de chrome qui se forme à la surface du métal fond, contrairement à l’acier, à une température beaucoup plus élevée que le métal de base et risque de former des inclusions dans le joint soudé s’il n’est pas enlevé. Cet oxyde étant très tenace et plus adhérent que celui des aciers inoxydables austénitiques, les brosses métalliques, même celles entraînées mécaniquement, ne peuvent pas l’enlever. Il faut soit meuler la surface avec un disque à grit moyen (80 grit maximum) qui n’a jamais été utilisé sur de l’acier au carbone, soit l’usiner avec un fluide de coupe sulfochloré, soit par sablage au jet de sable ou à la bille de verre suivi d’une attaque chimique pour éliminer les particules de fer ou d’impuretés imprégnées dans la surface, soit avec un bain de sel alcalins suivi d’une neutralisation dans une solution d’acide sulfurique et chlorhydrique et d’un décapage avec une solution chaude d’acide nitrique et fluorhydrique.

Après le soudage, le laitier et la décoloration de surface ou l’oxydation doivent être enlevés pour restaurer complètement la résistance à la corrosion. Cela peut être fait avec une brosse d’acier inoxydable. Lorsque des gaz de protection contenant de l’oxygène (O₂) ou du dioxyde de carbone (CO₂) sont utilisés, il est nécessaire de meuler la surface avec un disque à grains fins (180 grit maximum) qui n’a pas été utilisé sur de l’acier au carbone avant de brosser.

Pour les joints où le côté opposé n’est pas accessible pour le nettoyage, les procédés sous protection gazeuse doivent être utilisés pour le soudage de la racine et le côté opposé doit être protégé par de l’argon.

Lorsque le nettoyage par attaque chimique est utilisé, il est très important de bien rincer la région attaquée avec de l’eau pour éviter les problèmes de corrosion.

Préparation du joint

Pour les plaques d’épaisseur inférieure à 2,5 mm (3/32″), aucun chanfrein n’est nécessaire, mais lorsque l’épaisseur des plaques excède 2,5 mm (3/32″), un chanfrein en “V”, en “U” ou en “J” est nécessaire. Quel que soit le cas, l’utilisation d’une plaque de support ou d’un cordon de support est recommandé. Pour les sections supérieures à 10 mm (3/8″), il est préférable de faire un chanfrein en “V”, en “U” ou en “J” de chaque côté des plaques pour minimiser la quantité de métal d’apport requise et les tensions résiduelles lors du refroidissement.

Avec la grande viscosité du métal fondu et la faible pénétration des cordons fait avec les alliages de nickel, les chanfreins doivent être environ 30% plus ouverts que pour l’acier soit un angle de 60° à 80°, et le méplat doit être plus mince, de 1,5 à 2,5 mm (1/16 à 3/32″)) pour assurer une pleine pénétration.

Préchauffe

Généralement, il n’est pas nécessaire de préchauffer le nickel et ses alliages en autant que la pièce soit à la température ambiante, 15 à 20°C (60 à 68°F), et la température interpasse ne doit normalement pas excéder 100°C (210°F). Pour réduire la température, il est possible d’utiliser de l’air propre ou de tremper de façon modérée la pièce dans l’eau propre. Quelque soit la méthode utilisée, il faut faire attention de ne pas introduire de contaminants, tel que l’huile présente dans les  conduites d’air, sur la partie qui est chauffée.

Gaz de protection pour le soudage

Les gaz recommandés pour le soudage GTAW sont l’argon, l’hélium ou un mélange des deux avec une électrode de tungstène thoriée à 2% (EWTh-2). La présence d’hélium est avantageuse pour les sections épaisses ou pour augmenter la vitesse d’avance. L’utilisation d’un mélange argon-hydrogène est justifiée pour des applications spéciales nécessitant un apport thermique important. Avec le procédé GMAW, l’addition de faibles quantités de CO₂ (<1%) au mélange argon-hélium améliore la stabilité de l’arc et le mouillage tout en conservant l’oxydation de surface au minimum.

Les alliages de nickel sont très sujets à la formation de porosités et il est donc important d’empêcher le métal en fusion de réagir avec l’air, surtout les alliages pouvant être durcis par précipitation qui contiennent des éléments très réactifs comme l’aluminium ou le titane. Plusieurs métaux d’apport d’alliages de nickel contiennent des additions de titane et/ou de chrome, comparativement au métal de base équivalent, pour minimiser la formation de porosité.

Lors du soudage GTAW, il est très important de maintenir le bout chauffé de la baguette d’apport en tout temps sous la protection gazeuse pour éviter tout risque de contamination. De plus, la méthode d’amorce de l’arc par contact ne doit pas être utilisée pour éviter les risques de contamination par le tungstène.

Soudabilité générale des alliages de nickel

Le nickel et ses alliages produisent un métal fusionné qui est moins fluide que celui des aciers et ne mouille donc pas aussi facilement les surfaces du joint. La fluidité du métal fusionné diminue avec la teneur en nickel de l`alliage. Il faut donc manipuler l’électrode de façon à placer le métal fusionné là ou il est nécessaire. L’utilisation d’un mouvement oscillatoire avec un court arrêt à chaque fin de cycle (dont l’amplitude ne dépasse pas deux à trois fois le diamètre de l’électrode) donne généralement de bons résultats tout en évitant la formation de caniveaux.

La pénétration de soudage sur le nickel et ses alliages peut être jusqu’à 50% inférieure à celle rencontrée sur l’acier. Il ne faut pas augmenter l’ampérage pour tenter d’augmenter la profondeur de pénétration car on peut ainsi perdre des éléments d’alliages, particulièrement ceux aidant à dégazer le cordon. La longueur d’arc doit être maintenue courte en tout temps.

Faire des cordons avec un profil convexe renforcé confère la meilleure résistance à la fissuration en centre de cordon, surtout au début du cordon.

Les alliages de nickel sont susceptibles de fissurer dans le cratère lorsque l’arc est arrêté trop rapidement à la fin du cordon. Pour minimiser cette susceptibilité, il est possible, soit de ralentir à la fin du cordon pour remplir le cratère ou de revenir sur le cordon, soit, pour le procédé GTAW, en utilisant un contrôleur de courant qui fait décroître graduellement le courant lorsque l’arc est coupé tout en continuant d’ajouter du métal d’apport.

Lors du soudage de larges plaques, il est préférable d’utiliser la  séquence  de  soudage à pas de pèlerin pour minimiser les déformations.

Les projections sont nombreuses lorsqu’une ou plusieurs des conditions suivantes sont rencontrées :

• Arc trop long ;
• Courant de soudage trop élevé ;
• Mauvaise polarité ;
• Soufflage d’arc magnétique causé par un mauvais positionnement de la mise à terre ;
• Électrode ayant absorbé de l’humidité

Pour éliminer les possibilités de porosité au réamorçage de l’électrode, il faut revenir au début du cratère assez lentement afin de laisser à l’électrode le temps d’établir sa protection gazeuse et ensuite repartir en avant de manière à remplir le cratère avec une légère oscillation de l’électrode. Après avoir passé le cratère, cesser le mouvement oscillatoire pour continuer le cordon normalement. Une autre technique est de s’amorcer  sur le dessus du cordon précédent à environ 13 à 25 mm (½ à 1”) en avant du cratère et la surépaisseur sera par la suite meulée. Cette technique est utilisée pour obtenir des résultats optimaux lors de l’inspection radiographique.

Pour obtenir une structure de grains et une ductilité du cordon optimale, la vitesse de progression du soudage doit être suffisamment lente pour produire un bain de fusion avec une forme elliptique au lieu d’une forme en goutte d’eau qui résulte des vitesses de progression rapide et qui favorise la fissuration en centre de cordon.

Le nickel et les alliages nickel-cuivre ont une soudabilité similaire, alors que les alliages nickel-chrome-fer, nickel-chrome, nickel-chrome-molybdène et nickel-molybdène ont une très bonne soudabilité similaire à celle des aciers inoxydables austénitiques.

Considérations spécifiques aux alliages pouvant être durcis par précipitation

Idéalement, les alliages pouvant être durcis par précipitation doivent être soudés dans la condition recuite pour minimiser les risques de fissuration lors d’une ré-exposition aux températures élevées (>540°C (>1000°F)). Ces alliages subissent, pendant le traitement thermique de vieillissement, une contraction de volume qui s’ajoute aux contraintes du soudage. De plus, certains de ces alliages ont une très faible ductilité aux températures de vieillissement.

La zone affectée sera composée de trois zones. La première zone, près de la ligne de fusion, subira un traitement de mise en solution, puis la seconde zone sera en condition surprécipitée ou en condition durcis par précipitation, selon la condition du métal de base avant le soudage, et finalement, la dernière zone, qui n’a pas été chauffée au-dessus de la température de précipitation, ne sera pas affectée du point de vue mécanique.

Lorsque la pièce doit être soudée dans la condition durcis par précipitation, mais qu’il est possible d’effectuer un recuit de mise en solution après le soudage, la pièce peut être surprécipitée avant le soudage pour minimiser les risques de fissuration dans la zone affectée thermiquement.

Cependant, lorsque la pièce doit être soudée dans la condition durcis par précipitation, mais qu’il n’est pas possible d’effectuer un recuit de mise en solution après le soudage, la pièce doit être utilisée à des températures inférieures aux températures de vieillissement pour éviter la fissuration dans la zone affectée thermiquement. Les pièces fabriquées avec les alliages utilisant le système de précipitation nickel-niobium-aluminium-titane, comme l’alliage 718, peuvent être vieillis après le soudage sans avoir préalablement reçus de traitement de mise en solution. Cependant, une partie de la zone affectée thermiquement sera en condition surprécipitée et il y a donc des risques de fissuration.

Dans tous les cas, les tensions résiduelles peuvent être diminuées par un léger martelage du cordon de soudure à température ambiante avant de réchauffer le joint. De plus, les pièces soumises à un traitement de vieillissement après le soudage doivent être refroidies lentement de la température de vieillissement pour minimiser les risques de fissuration.

Plus les teneurs en aluminium plus titane sont élevées, plus l’alliage sera difficile à souder sans fissuration.

Nettoyage du laitier

Tel que mentionné auparavant, le laitier sur le dépôt peut être enlevé avec une brosse d’acier inoxydable. Lors du soudage en multipasse, il est essentiel d`enlever toutes les traces de laitier sur la soudure avant de refaire un cordon. La présence de résidus de laitier sur la soudure lors de l’utilisation à température élevée est très néfaste pour la résistance à la corrosion lorsque l’assemblage est utilisé en milieux oxydants ou réducteurs. Pour les procédés sous gaz, la couche d’oxyde doit aussi être enlevée avec une brosse d’acier inoxydable ou par meulage avant de commencer une autre passe.

Postchauffage

Il n’est généralement pas nécessaire d’effectuer un recuit postsoudage sur les alliages de nickel sauf pour les raisons suivantes :

• relâcher les contraintes résiduelles;
• assurer une meilleure stabilité dimensionnelle à l’assemblage;
• éviter la corrosion sous tension de certains alliages dans certains milieux corrosifs

La température optimale, pour restaurer les propriétés de l’alliage, est celle du recuit complet qui consiste en une remise en solution suivit d’un refroidissement rapide (parfois une trempe à l’eau) donc pas toujours idéale pour le respect des dimensions.

Tout dépendant de la situation, il est possible d’effectuer un recuit partiel à une température inférieure mais cette option peut aussi fragiliser l’alliage par la précipitation de phases dures (sigma, carbone, etc.).

Les températures nécessaires pour effectuer un recuit complet varient selon l’alliage :

• 830 – 870°C (1525 – 1600°F) pour le nickel et les alliages nickel – cuivre;
• 925 – 1175°C (1700 – 2150°F) pour les alliages nickel – chrome – fer et nickel – chrome – molybdène.

L’utilisation de températures inférieures à celles recommandées par le fabricant peut provoquer la précipitation de carbures et ainsi abaisser la résistance à la corrosion, au fluage et à l’impact selon l’alliage, la température et le temps de maintien.

Métaux d’apport

La plupart des alliages de nickel ont un métal d’apport de composition similaire au métal de base, mais puisque la structure du cordon de soudure est une structure de coulée, la résistance à la corrosion, la limite de fatigue et la résistance au fluage seront inférieures aux structures corroyées.

Des métaux d’apport différents des métaux de base sont souvent utilisés, surtout avec les alliages formant des solutions solides, pour obtenir dans le cordon des propriétés au moins équivalentes que celles du métal de base. Dans chaque application, les propriétés requises à la température de service et dans le milieu spécifique sont à évaluer pour le meilleur choix du métal d’apport.

Pour les joints dissimilaires ou pour les sections épaisses, deux métaux d’apport différents peuvent parfois être utilisés : un pour joindre et un autre pour protéger le joint de l’environnement.

CONSEILS PRATIQUES LORS DU SOUDAGE DES ALLIAGES DE NICKEL

1. Nettoyez la couche d’oxyde du joint à l’aide d’une meule et ensuite éliminer toute trace de graisse, d’huile et autres hydrocarbures à l’aide d’un linge imbibé d’acétone. ATTENTION! Tenir le linge imbibé d’acétone loin du lieu de soudage, les vapeurs dégagées par ce produit sont très dangereuses en présence de rayons ultraviolets.
2. Les alliages de nickel ont un bain de fusion plus visqueux et il ne faut pas augmenter l’intensité de courant recommandée pour tenter de le rendre plus fluide.
3. Pour la même raison, il faut faire des chanfrein plus ouvert que pour l’acier et diriger l’arc de façon perpendiculaire aux surfaces du chanfrein.
4. Évitez les balancement supérieur à 2 fois le diamètre de l’électrode et favoriser les cordons convexes.
5. Évitez la formation de cratère trop profond à la fin du cordon, s’il y a des fissures à l’intérieur du cratère, il faut les enlever à l’aide de la meule.
6. La température interpasse ne doit généralement pas excéder 100°C (210°F)
7. Utilisez toujours des électrodes parfaitement sèches.
8. Le laitier doit être enlevé complètement après chaque cordon lors du soudage en multipasses car il peut accélérer la corrosion dans certaines conditions.