Matériaux | Texte intégral gratuit | Influence des modes de soudage laser le long d’une trajectoire courbe sur les propriétés mécaniques et l’hétérogénéité de la microstructure des plaques d’acier 316L

Les aciers et alliages fortement alliés sont les matériaux les plus importants largement utilisés dans les industries chimiques, pétrolières, énergétiques et autres pour fabriquer les structures fonctionnant dans une large plage de températures. [1].

Actuellement, le soudage à l’arc de grandes épaisseurs (plus de 7 à 10 mm) présente de moins en moins d’avantages par rapport au soudage laser. Les principaux inconvénients du soudage à l’arc sont une consommation d’énergie élevée, un apport de chaleur important, une surchauffe importante du métal et une faible vitesse du processus de soudage (environ dix fois supérieure). [2]Pour les aciers de la classe austénitique, il est particulièrement important pour le soudage multipasse de résister à la température entre les passes, c’est-à-dire d’attendre le refroidissement du métal de soudure du passage précédent de 150 à 170 °C. Cela augmente considérablement la durée du processus technologique. L’utilisation du soudage à l’arc submergé permettra de souder de grandes épaisseurs (jusqu’à 20 mm) en une seule passe ; cependant, cela entraînera la formation de déformations et de contraintes internes importantes dans le métal de soudure et la zone affectée thermiquement (ZAT).

Dans ce cas, l’utilisation du soudage avec des sources d’énergie hautement concentrées [3,4] est une solution prometteuse au problème. Le soudage par application d’un rayonnement laser de haute qualité et de haute puissance focalisé sur un point d’un diamètre allant jusqu’à 50-150 µm prend une importance particulière, car il permet de souder de grandes épaisseurs [5,6] avec un rapport profondeur (D)/largeur (W) de 10 à 12 fois. Cependant, ce sujet n’a pas été étudié de manière approfondie, en particulier dans le cas du soudage à grande vitesse (jusqu’à 100 mm/s).

Lors du soudage par faisceau laser de pièces épaisses, lors de la formation d’un trou de serrure, en plus des défauts ordinaires, des défauts spécifiques tels que des défauts de racine, des fissures médianes (longitudinales et transversales), des bosses et des porosités apparaissent également. Dans ses travaux des années 1990, Katayama a montré la raison de la formation de porosité, qui, en règle générale, est associée à des processus métallurgiques et hydrodynamiques se produisant lors de la cristallisation dans le bain de soudure [7]La principale raison de l’instabilité hydrodynamique est l’instabilité du comportement du trou de serrure et du panache, justifiée par l’effet Marangoni et la différence de pression dans différentes parties du trou de serrure. [8]Les principales méthodes de traitement de ces défauts consistent à réduire l’influence des impuretés nocives (en fonction de la pureté du métal et du gaz de protection) et à sélectionner les modes de soudage optimaux. [9].

En revanche, l’apparition de fissures moyennes a une nature différente et est causée par les contraintes de traction élevées et les faibles propriétés plastiques du métal de soudure à cristallisation rapide. Dans ce cas, les contraintes de traction sont dirigées à la fois dans la direction horizontale, ce qui conduit à la formation de fissures verticales, et dans la direction verticale, ce qui conduit à la formation de fissures horizontales [10]. Dans le travail présenté, des fissures horizontales se sont formées au milieu de la soudure, ce qui était principalement dû au rapport élevé entre la profondeur de la soudure et sa largeur (10/1,5 mm). Un rapport D/W aussi élevé est inhérent au soudage par faisceau d’électrons [3,11].

Une autre raison de la formation de fissures médianes est l’inhomogénéité métallurgique du métal de soudure. Au cours du processus de cristallisation du bain de soudure, de longues dendrites en forme de colonne se développent à partir des parois opposées du métal non fondu et poussent des eutectiques à bas point de fusion à une température de 700 à 800 °C dans la partie centrale de la soudure. Ce processus est appelé ségrégation dendritique. Les cristallites en forme de colonne se développent en continu et ne changent pas de direction jusqu’à ce qu’elles entrent en collision avec des cristallites de la direction opposée [12]. Ceci est particulièrement vrai pour le soudage à grande vitesse. Lors du soudage avec un faisceau défocalisé à une vitesse de 20 mm/s, on observe une cristallisation de dendrites diversement orientées dans la partie supérieure de la soudure [13]De plus, dans ce cas, en raison des vitesses de refroidissement plus faibles, on obtient la formation d’une δ-ferrite plus plastique, dans laquelle les impuretés nocives (soufre et phosphore) se dissolvent mieux.

En revanche, lors du soudage à grande vitesse, il se peut qu’il n’y ait pas suffisamment de temps pour séparer et combiner les impuretés nocives en amas distincts et leur cristallisation ultérieure au centre de la soudure. [12,14].

Selon les résultats de la recherche [15,16]une diminution de l’apport de chaleur lors d’un soudage laser entraîne une réduction de la longueur et de la largeur du bain de soudure avec une augmentation des projections, ce qui conduit à des contre-dépouilles [16]. Les auteurs de [17] décrit les résultats de recherche sur l’influence de l’apport de chaleur et de la position du plan focal par rapport à la surface à souder sur la qualité de la formation du joint soudé. Il est à noter qu’une augmentation de l’apport de chaleur, ainsi que de la position du plan focal au-dessus de la surface à souder, entraîne l’apparition de contre-dépouilles et d’affaissement de la racine de soudure dans une plage particulière de vitesses de soudage. Avec l’approfondissement du plan focal, l’absence de contre-dépouilles et la présence d’un joint soudé uniforme avec une formation de haute qualité avec une profondeur de pénétration accrue ont été notées.

Dans [5,18]les résultats d’une étude expérimentale de l’influence de l’apport de chaleur sur les caractéristiques d’un trou de serrure sont présentés. Une augmentation de l’apport de chaleur entraîne une augmentation de la stabilité et du diamètre du trou de serrure ; cependant, en même temps, de grandes cavités se forment au fond du trou de serrure, qui migrent activement dans le bain de fusion, avec la formation ultérieure de pores. La recherche [19] L’étude a également révélé que la puissance de l’irradiation laser a plus d’effet sur la géométrie du cordon de soudure que la vitesse de soudage. Selon les résultats de l’étude, la microstructure du métal de soudure formé avec un apport de chaleur plus faible contient moins de δ-ferrite en l’absence de défauts externes et internes, tels que la porosité et les fissures, et le joint soudé a un niveau de qualité souhaité et répond aux exigences de la norme ISO 13919 [20].

Les travaux [5,21] décrit les résultats de l’étude sur l’influence du gaz de protection sur la géométrie de la soudure lors du soudage laser. Il est à noter que le cordon de soudure lors de l’utilisation de l’azote comme gaz de protection est plus profond que lors de l’utilisation de l’argon. De plus, la présence d’azote a entraîné un rétrécissement de la racine de la soudure et une expansion de la partie supérieure du trou de serrure.

Dans [22,23]des valeurs de dureté similaires ont été obtenues dans la région du métal de soudure, et dans la zone de fusion, une augmentation de la valeur de dureté est observée en raison du raffinement de la taille des grains. Selon les résultats de la recherche [23,24]application préliminaire de l’oxyde de chrome (Cr₂O₃) sur la surface soudée augmente la stabilité du processus de soudage, empêche la formation de pores, réduit les projections, stabilise le comportement du trou de serrure, affine le grain, rétrécit la largeur de la ZAT et augmente les caractéristiques de résistance du joint soudé.

Des études ont également été menées pour étudier l’utilisation d’une méthode hybride laser-arc pour le soudage de tôles de grandes épaisseurs en acier inoxydable en plusieurs passes. [6,25]Les chercheurs ont constaté que le métal des zones interpasses refondues après réchauffage présente une granulométrie et une orientation significativement différentes, ce qui conduit à la formation de contraintes résiduelles, ce qui est également confirmé par les résultats de la simulation.

L’analyse des articles récemment publiés (tableau 1) montre que le soudage laser à grande vitesse (jusqu’à 100 mm/s) pour les produits de grande épaisseur (> 10 mm) n’est pas largement utilisé. Les travaux sur le soudage laser à grande vitesse (200-800 mm/s) de petites et moyennes épaisseurs (0,3-3 mm) ont été publiés principalement pour le soudage de métaux dissemblables ou pour le développement de méthodes de surveillance industrielle du soudage laser à grande vitesse [14,26,27]. Aucune publication scientifique étudiant la microstructure et les propriétés mécaniques du métal de soudure obtenu par soudage laser le long d’une trajectoire courbe n’a été trouvée. Sur la base de ce qui précède, l’utilisation du soudage laser à grande vitesse le long d’une trajectoire courbe d’aciers austénitiques et d’autres alliages est une direction prometteuse pour la recherche et le développement de technologies.

De plus, l’influence des vitesses de soudage et, par conséquent, des taux de refroidissement conduit à la formation de δ-ferrite et d’hétérogénéité de la microstructure, ce qui affecte la résistance à la corrosion du métal soudé. [28,29,30]Cependant, la teneur en δ-ferrite (5–15 %) du métal soudé a un effet positif sur la résistance à la formation de fissures à chaud et à la dissolution d’impuretés nocives (soufre et phosphore).

De plus, l’influence des vitesses de soudage et, par conséquent, des taux de refroidissement conduit à la formation de δ-ferrite et d’hétérogénéité de la microstructure, ce qui affecte la résistance à la corrosion du métal soudé. [27,28,29]Cependant, la teneur en δ-ferrite (5–15 %) du métal soudé a un effet positif sur la résistance à la formation de fissures à chaud et à la dissolution d’impuretés nocives (soufre et phosphore).