Soudage d'aciers résistants au fluage : importance du préchauffage, du PWHT et des matériaux d'apport appropriés
Les aciers résistants au fluage, également appelés aciers résistants à la chaleur, sont conçus pour des applications à haute température et à contrainte mécanique prolongée. Ils sont indispensables dans des installations telles que les générateurs de vapeur, les échangeurs de chaleur et les récipients sous pression. La soudabilité de ces aciers exige des connaissances approfondies en métallurgie, en contrôle des contraintes et en apport de chaleur. Si elle n'est pas effectuée correctement, la soudure peut entraîner des contraintes internes, des microstructures fragiles, des fissures à chaud, des fissures dues à l'hydrogène et une résistance au fluage réduite. C'est pourquoi le préchauffage et le PWHT ne sont pas des étapes facultatives, mais fondamentales pour obtenir un assemblage fiable.
Lorsque l'acier est exposé pendant une longue période à une contrainte mécanique constante et à une température élevée, il présente un allongement lent, même si cette contrainte est inférieure à la limite d'élasticité. Le fluage devient pertinent à des températures supérieures à environ 0,4 fois la température de fusion du matériau en Kelvin. Pour l'acier, cela se produit généralement au-dessus de 400 °C. Par exemple, un tuyau en acier dans une centrale électrique soumis à une pression constante et à une température de fonctionnement de 600 °C se déformera lentement, même si la contrainte reste constante.
Les aciers résistants au fluage sont également appelés matériaux résistants à la chaleur. Les aciers résistants au fluage sont des aciers alliés qui conservent leur résistance à haute température pendant une longue période. Ces aciers se caractérisent par leur haute résistance à la traction, combinée à une haute résistance au fluage et une haute ténacité, même à température élevée. À titre de comparaison, l'acier non allié n'est utilisable « que » jusqu'à environ 350 °C, tandis que les aciers CrMo(Ni) fortement alliés au vanadium sont utilisables jusqu'à environ 650 °C (selon l'alliage).
Les éléments qui augmentent la résistance au fluage sont le carbone, le chrome, le molybdène, le vanadium et le titane. Plus la teneur en chrome et en molybdène est élevée, plus la température à laquelle les aciers peuvent être utilisés est élevée.
Exemples :
16Mo3 : acier simple à 0,5 % de Mo jusqu'à 530 °C
13CrMo4-5 / 10CrMo9-10 : pour des installations jusqu'à 560 - 600 °C
X10CrMoVNb9-1 (P91) : jusqu'à 620 - 650 °C
| Acier | C (%) | Cr (%) | Mo (%) | V (%) | Nb (%) | Charge Rupt. (MPa) | Limite Elast. (MPa) | Temp Max. (°C) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
16Mo3 |
0.12 - 0.20 |
- |
0.25 - 0.35 |
- |
- |
450 - 600 |
≥ 280 |
530°C |
|
13CrMo4-5 (p11) |
0.08 - .018 |
0.70 - 1.15 |
0.40 - 0.60 |
- |
- |
440 - 590 |
≥ 290 |
570°C |
|
10CrMo9-10 (p22) |
0.08 - 0.14 |
2.00 - 2.50 |
0.90 - 1.10 |
- |
- |
510 - 670 |
300 - 450 |
600°C |
|
X10CrMoVnB9-1 (p91) |
0.08 - 0.12 |
8.00 - 9.50 |
0.85 - 1.05 |
0.18 - 0.25 |
0.06 - 0.10 |
620 - 850 |
≥ 450 |
620 - 650°C |
| Groupe | Description | Types |
|---|---|---|
|
1.1 |
C-Mo (0.5Mo) | 16Mo3 |
|
5.1 |
Acier CrMo: 0.75% ≤ Cr ≤ 1.5%, Mo ≤ 0.7% (1.25Cr - 0.5Mo) |
13CrMo4-5 |
|
5.2 |
Acier CrMo: 1.5% < Cr ≤ 3.5%, 0.7 % < Mo ≤ 1.2% (2.25Cr - 1.0Mo) |
10CrMo9-10 |
|
6.4 |
Martensitique: 7.0% < Cr ≤ 12.5%, 0.7% < Mo ≤ 1.2%, V ≤ 0.35% (acier 9 - 12% Cr) |
X10CrMoVNb9-1 |
| P-No. | description | Types |
|---|---|---|
|
4 |
1.25Cr – 0.5Mo | SA-182 F11 CL1 SA 213 T11 SA-335 P11 |
|
5A |
2.25Cr – 1Mo | SA-182 F22 CL1 SA-213 T22 SA-335 P22 |
|
5B |
5-9Cr – 0.5Mo | SA-182 F5 & F9 SA-213 T5 & T9 SA-335 P5 & P9 |
|
15E |
9Cr-1Mo-V | SA-335 P91 |
Le préchauffage est essentiel lors du soudage d'aciers résistants au fluage pour plusieurs raisons :
En chauffant le matériau de base avant le soudage, vous évitez que le bain de fusion et le matériau de base ne refroidissent trop rapidement. Un refroidissement lent réduit le risque de :
• Formation de martensite (dure et cassante)
• Contraintes résiduelles
• Fissures dues à l'hydrogène (fissures à froid)
L'hydrogène provenant de l'humidité contenue dans les additifs de soudage, les gaz de protection ou les matériaux de base peut causer de graves problèmes. À basse température, il peut s'accumuler dans la zone affectée thermiquement (ZAT), ce qui modifie la structure cristalline et peut provoquer des fissures. Le préchauffage accélère la diffusion de l'hydrogène hors du métal soudé avant qu'il ne forme des microstructures nuisibles (telles que la martensite).
Dans les constructions à forte épaisseur de paroi, le préchauffage permet d'éviter les écarts de température importants entre le matériau de base froid et le matériau d'apport chaud. Sans préchauffage, le matériau de base absorberait trop rapidement la chaleur du métal d'apport, ce qui pourrait entraîner des tensions internes et des déformations dans le matériau.
Préchauffage d'un assemblage soudé de grade P91
Le traitement thermique après soudage (PWHT) de l'acier résistant au fluage est nécessaire pour plusieurs raisons liées aux propriétés mécaniques et métallurgiques du matériau après soudage. Le PWHT est essentiel pour les aciers résistants au fluage pour les raisons suivantes :
Le soudage entraîne une dilatation et une contraction thermiques, ce qui génère des contraintes résiduelles. Lorsque le métal d'apport liquide se solidifie, il se contracte, ce qui entraîne des contraintes résiduelles. Le PWHT réduit ces contraintes résiduelles.
L'acier résistant au fluage présente une microstructure spécialement conçue (souvent ferritique-perlitique, bainitique ou martensitique) qui offre une résistance au fluage à haute température. Le soudage perturbe cette microstructure, en particulier dans la zone affectée thermiquement (ZAT). L'acier martensitique, tel que le P91, contient un métal d'apport dur et cassant après soudage, ainsi que dans la ZAT. Le PWHT permet la transformation de la martensite en martensite trempée, avec des carbures fins le long des joints de grains. Cela augmente la résistance au fluage et la ductilité.
Sans PWHT, le risque est élevé que la pièce soudée présente une défaillance prématurée lors d'une exposition prolongée à des températures et des contraintes élevées. Le PWHT favorise la formation de carbures stables qui stabilisent la structure de l'acier à long terme et augmentent la résistance au fluage.
Exemple de diagramme PWHT pour le grade P91
GTAW :
bases, faible diffusion d'hydrogène
GMAW :
couches de fond et couches de remplissage
FCAW :
soudage en position de production
SMAW :
Robuste, travail sur le terrain
Le choix d'un métal d'apport pour le soudage d'aciers résistants au fluage est crucial pour garantir les propriétés mécaniques et la résistance au fluage du joint soudé. Ce choix repose sur plusieurs critères importants :
• Le matériau d'apport doit être chimiquement compatible avec le matériau de base.
• On choisit souvent un matériau d'apport contenant des éléments d'alliage légèrement plus élevés afin de conserver la résistance et la résistance au fluage souhaitées après le soudage.
• À haute température, le métal d'apport doit résister au fluage.
• Le matériau doit résister au vieillissement thermique et à l'oxydation.
• Les températures de fonctionnement typiques sont souvent supérieures à 450 °C, et parfois jusqu'à 600–650 °C.
• La limite d'élasticité, la résistance à la traction et la résistance au fluage doivent être égales ou légèrement supérieures à celles du matériau de base.
• La résistance à la fatigue et la ténacité doivent être suffisantes, notamment au niveau des zones de transition.
• La plupart des métaux d'apport nécessitent un traitement thermique après soudage (TPS) pour relâcher les contraintes et normaliser la structure.
• Le métal d'apport doit bien réagir à ce traitement sans devenir cassant.
| Materiaux de base | GTAW | GMAW | FCAW | SMAW |
| 16Mo3 / P1 | CEWELD SG Mo Tig CEWELD ER80S-D2 Tig |
CEWELD SG Mo | CEWELD AA R Mo | CEWELD E 7018-A1 |
| 13CrMo4-5 / P11 | CEWELD SG CrMo1 Tig CEWELD ER 80S-B2 Tig |
CEWELD SG CrMo1 CEWELD ER 80S-B2 |
CEWELD AA R CrMo1 | CEWELD E 8018-B2 |
| 10CrMo9-10 / P22 | CEWELD SG CrMo2 Tig CEWELD ER 90S-B3 Tig |
CEWELD SG CrMo2 CEWELD ER 90S-B3 |
CEWELD AA B CrMo2 | CEWELD E 9018-B3 |
| X10CrMoVNb9-1 / P91 | CEWELD ER90S-B9 (P91) Tig | CEWELD ER90S-B9 (P91) | CEWELD AA 90S-B9 | CEWELD E 9018-B9 |
Important : Utilisez toujours des matériaux de remplissage adaptés. Un mauvais choix de matériaux peut entraîner des différences de résistance au fluage, et donc des concentrations de contraintes, susceptibles de provoquer des fissures dans la zone de concentration thermique.
Exemple de fissures dans la zone affectée thermiquement (ZAT) d'une soudure CrMoV réalisée avec un métal d'apport 2,25Cr-1Mo.
(A) Vue macroscopique de la fissure
(B) Vue microscopique de l'emplacement de la fissure (hors de la même soudure)
(C) Exemple de structure dans la ZAT
Gjerde, M. (2018). Concevoir avec la lumière naturelle urbaine : un programme social. Lighting Research & Technology, 50(3), 366–380. https://doi.org/10.1080/09506608.2017.1410943
| Materiaux | Préchauffage (°C) | T entre passes (°C) | PWHT (°C) | Temps de maintien (min/mm) Minimum 30 minutes |
| 16Mo3 / P1 | 100 - 150 | <250 | 580 - 620 | 2 min/mm |
| 13CrMo4-5 / P11 | 150 - 200 | <300 | 630 - 700 | 2 min/mm |
| 10CrMo9-10 / P22 | 200 - 250 | <300 | 660 - 700 | 4 min/mm |
| X10CrMoVNb9-1 / P91 | 200 - 250 | <300 | 740 - 780 | 4 min/mm |
Remarque :
Un refroidissement trop rapide après le soudage des soudures P91 produit de la martensite non revenue et entraîne une fragilité.
Sans un traitement thermique sous-optimal (PWHT) rapide, des précipités sous-optimaux se forment, dégradant gravement les propriétés mécaniques à long terme, telles que la résistance au fluage.
<
| Cause | Conséquence |
| Pas de préchauffage | Fissures d'hydrogène, zone dangereuse dure |
| PWHT absent ou trop court | Fragilisation, fissuration par fluage |
| Température entre passes trop élevée | Structure à gros grains, perte de résistance au fluage |
| Mauvais choix de métal d'apport | Fissures dans HAZ |
| Refroidissement trop rapide | Le matériau reste martensitique, ce qui entraîne une fragilité. |
• Le préchauffage prévient la fissuration et améliore la diffusion de l'hydrogène.
• Le traitement thermique sous vide (PWHT) est essentiel pour la détente des contraintes et la stabilisation métallurgique.
• Utiliser un métal d'apport adapté, équivalent au matériau de base.
• Contrôler les températures entre passes pour éviter les zones à gros grains.
