Soudage des superalliages et autres métaux exotiques

2014-11-24
Approche systémique aux problèmes posés
par les assemblages soudés
2014-11-24
ETS
1
SUPERALLIAGES ET
ALLIAGES EXOTIQUES
 Inconel
 Incoloy
 Hastelloy
 Duplex et Super-Duplex
 Nimonic
 Super acier austénitique
2014-11-24
ETS
 Métaux réfractaires
 Tungstène
 Molybdène
 Tantale
 Niobium
 Métaux réactifs
 Zirconium
 Titane
 Béryllium
2
1
2014-11-24
JOINT SOUDÉ
QUALITÉS RECHERCHÉES
 Sain, sans discontinuités ou défauts
 Présentant des propriétés:



mécaniques
chimiques
métallurgiques
"Au moins égales aux propriétés minimales
requises pour les métaux de base".
2014-11-24
ETS
3
Principe de base en soudage
 Bien peu de matériaux métalliques ne sont pas
soudables:
 Il faut connaître leur comportement au chauffage et au
refroidissement
 Il faut avoir le «bon» procédé de soudage
 Il faut développer les «bonnes» procédures de soudage
2014-11-24
ETS
4
2
2014-11-24
Situations, Apprentissages et
Solutions
 Un problème est une opportunité d’apprentissage
 L’apprentissage d’un élément complexe doit être
itératif
 L’apprentissage passe d’abord par une bonne
compréhension de la problématique en cause
 La solution coexiste avec le problème
2014-11-24
ETS
5
Savoir poser la «bonne» question
 Modèle des 5 «C»
 Trois premières questions:
 Ce que j’en ai entendu dire?
 Ce que j’en sais?
 Ce que j’en pense?
Décortiquer le problème afin de générer des questions
«précises», ouvertes ou fermées
2014-11-24
ETS
6
3
2014-11-24
RÈGLES DE BASE
 Préparation
 Nettoyage
 Dégraissage
 Type de joint
 Procédé de soudage
 Mode opératoire
 Préchauffage
 Dilution
 Métal de base, métal
d’apport et métal fondu
2014-11-24
 Modes de fissuration
 À froid
 À chaud
 Intergranulaire
 Transgranulaire
 Sous tension (corrosion)
 Régénération, ou non,
des zones affectées
thermiquement
 «Color match» et autres
propriétés recherchées
ETS
7
Superalliages et matériaux exotiques
 Propriétés
 Mécaniques



Limite d’élasticité
Contrainte maximale
Ductilité, dureté
 Chimiques
 Corrosion ambiante
 Corrosion haute
température
 Atmosphères corrosives
2014-11-24
ETS
 Soudabilité
 Qu’est-ce qui est
soudable?
 Notions de soudabilité



Opératoire
Locale
Globale
8
4
2014-11-24
NOTIONS DE SOUDABILITÉ
 Soudabilité opératoire.

Ex:
la pellicule d'oxyde de l'aluminium
la conductibilité
 Soudabilité locale.

Ex:
le soudage du cuivre non désoxydé
le soudage des aciers inoxydables ferritiques ou
austénitiques
 Soudabilité globale.

Ex:
formation de contraintes résiduelles lors du
refroidissement
fissuration, rupture fragile
(Fissuration et rupture fragile, éviter les assemblages
monolithiques)
2014-11-24
ETS
9
COMPOSITION CHIMIQUE ÉLÉMENTAIRE
 Le comportement du matériau est intimement relié à sa composition
chimique.
 Analyse élémentaire:
C, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, Al, S, P, N2, O2
 L'addition de certains éléments permet de modifier les propriétés du
matériau.
 Exemple:



2014-11-24
Souffre (S) dans le nickel (Ni)
Oxygène (O2) dans le cuivre (Cu)
Cu2O localisé aux joints de grains
ETS
10
5
2014-11-24
2014-11-24
ETS
11
2014-11-24
ETS
12
6
2014-11-24
2014-11-24
ETS
13
LES PROPRIÉTÉS DES DÉPÔTS
(FONCTION DE L'APPORT THERMIQUE)
2014-11-24

localisation de l'effet thermique du soudage

rapidité du cycle thermique en soudage

la source d'énergie caractérise le mode d'apport
thermique
ETS
14
7
2014-11-24
JOINT SOUDÉ
ZONE FONDUE (Métal fondu, soudure)


Disparition de tout état antérieur
État liquide momentané durant lequel la zone devient le
siège de réactions chimiques selon:





température atteinte
environnement
procédé utilisé
mode opératoire
Solidification par cessation ou éloignement de la source
d'énergie.
2014-11-24
ETS
15
JOINT SOUDÉ
ZONE AFFECTÉE THERMIQUEMENT
 Zone de transformation qui subit le cycle thermique du soudage
 Modifications plus ou moins marquées par rapport à l'état initial.
 Zone plus ou moins large selon répartition thermique.
 Modifications de structure ou de constitution, i.e.




2014-11-24
grossissement de grains
précipitations
coalescence
transformations allotropiques selon:
 température maximale atteinte
 temps de séjour à haute température
 vitesse de refroidissement
ETS
16
8
2014-11-24
2014-11-24
ETS
17
2014-11-24
ETS
18
9
2014-11-24
2014-11-24
ETS
19
EXEMPLES
APPLICATIONS «SPÉCIALES»
 Écrou en bronze: équipement de levage
 Réparation jante de roue: camion Euclide
 Poteau de descente: caserne de pompiers
 Tube de protection de thermocouple (inconel 600)
 Sous-marin Seawolf
2014-11-24
ETS
20
10
2014-11-24
APPLICATIONS TYPIQUES
SOUS-MARIN SEAWOLF
 Tubes lance-torpilles en cupro-nickel
 Aciers:
 HY-80
 HY-100
 HY-135
 Problèmes:
 Réparation d’erreur d’usinage
 Fissurations multiples
2014-11-24
ETS
21
APPLICATIONS TYPIQUES
FERRALIUM 225
 Phase sigma riche en Cr et Mo à éviter
 Création de piqûres de corrosion
 Formation entre 565 et 980oC
 Composition chimique resserrée
 Soudage
 Électrodes enrobées Ferralium 225 exclusivement
 État initial: mise en solution et recuit de détente
 Pas de préchauffage
 Post-chauffage pour rétablir la résistance à la corrosion et la
ductilité
2014-11-24
ETS
22
11
2014-11-24
2014-11-24
ETS
23
2014-11-24
ETS
24
12
2014-11-24
2014-11-24
ETS
25
2014-11-24
ETS
26
13
2014-11-24
2014-11-24
ETS
27
BOMBARDEMENT ÉLECTRNIQUE (EB)
Avantages
Désavantages
 Faible énergie
 Exige des préparations serrées
 Faibles déformations
 Soudures sujettes à la
 Pénétration profonde en une
fissuration à chaud
 Coûts élevés
 Espace limité dans la
chambre de soudage
 Requiert du personnel
hautement qualifié
passe
 Vitesses de soudage élevées
 Pièces peuvent être utilisées
tel que soudées
2014-11-24
28
14
2014-11-24
PROFILS DE SOUDURES (EBW)
2014-11-24
29
APPLICATIONS TYPIQUES
ALLOY 825 (Incoloy)
 Contaminants
 Pb, S, P et d’autres éléments à bas point de fusion
 Nettoyage des graisses, huiles, peintures, marques de crayons ou
d’encre, lubrifiants, oxydes de surface… et même les résidus des
crayons thermosensibles (mesure température)
 Soudage
 Pas de préchauffage sauf conditions froides
 Minimum de balayage
 Éviter les projections
 S’il faut briser l’arc, raccourcir l’arc et avancer rapidement jusqu’à la
coupure d’arc
 Le laitier doit être enlevé entre chaque passe
 La réparation par soudage devrait être considérée comme du
rechargement
2014-11-24
ETS
30
15
2014-11-24
INCONEL 718
2014-11-24
31
INCONEL 718
 Soudé normalement en condition de recuit complet
(annealed condition)
 La température de recuit influence les propriétés finales
 Métal d’apport: Inconel Filler Metal 718
 Pas de recuit de détente requis entre le soudage et le
vieillissement
 Les propriétés du joint soudé s’approchent de 100% mais de
meilleurs résultats peuvent être obtenus par un recuit
complet après soudage
 Les assemblages hautement bridés durant le soudage en
condition vieillie sont susceptibles de fissurer. Il faudrait
faire un recuit complet après soudage et avant le
vieillissement
2014-11-24
32
16
2014-11-24
APPLICATIONS TYPIQUES
ALLOY 718
 Réparations multiples par soudage
 Soudage et post-chauffages multiples dégradent la
soudabilité
 Proportion de phase delta s’accroît au fil des réparations
 Ségrégation du Nb et des carbures riches en Nb
 Fissuration à chaud (carbures riches en Nb aux joints de
grains)
2014-11-24
ETS
33
2014-11-24
ETS
34
17
2014-11-24
2014-11-24
ETS
35
2014-11-24
ETS
36
18
2014-11-24
ALLIAGES DE TITANE









Surface est protégée par du TiO2
Allotropie (alpha , alpha –béta et phases béta métastables )
Métal réactif
Sensible à la fragilisation par O2, N2, H2
Exige une protection contre la contamination atmosphérique
Procédés de soudage: GTAW, GMAW, PAW et EBW
Gaz de protection: Ar, He et Ar-He
Boîtes à gants, chambre inerte ou sous vide, trainards
Nettoyage (oxydes, eau, graisses ou saletés qui cause de la
fragilisation)
 Les baguettes d’apport doivent être chimiquement nettoyées et le
bout chaud de la baguette doit toujours demeurer dans sous
protection gazeuse
2014-11-24
Rolls-Royce Canada
37
Alliages Alpha-Béta
 Alliages les plus utilisés
 Alliages traitables thermiquement
 Propriétés élevées
 Bonne ductilité
 Résistance au fluage
2014-11-24
jusqu’à 550oC
38
19
2014-11-24
Alliages Béta
 Bonne ductilité
 Transition Ductile-Fragile (-60oC)
 Ex. Ti-6Al-4V
Environ 50% de production en titane
ALLIAGES DE TITANE
 Ex. Ti 6Al-4V
 Métal d’apport: ERTi-5
 Métal d’apport devrait être sélection en fonction des
propriétés requises
 Propriétés mécaniques de la soudure sont semblables à
celles du métal de base. Petite perte de ductilité
résultant d’une microstructure plus grossière dans la
zone fondue
 La contamination produit un durcissement
 Les TT après soudage ne sont normalement pas requis
2014-11-24
40
20
2014-11-24
SOMMAIRE (1)
 Peu de matériaux métalliques ne sont pas soudables, il
faut simplement trouver comment les souder!
 Développement d’une procédure de soudage
 Bonne connaissance des matériaux à souder

Propriétés chimiques, mécaniques et physiques
 Déterminer les caractéristiques recherchées
 Faire des compromis… surtout faire les bons compromis
 Définir les éléments qui assurent la soudabilité
 Choisir le (les) procédés de soudage
 Choisir les métaux d’apport (selon procédé de soudage)
2014-11-24
ETS
41
SOMMAIRE (2)
 Autres variables:
 Type de joint
 Énergie de soudage
 Préchauffage/post-chauffage (?)
 Traitements thermiques après soudage (?)
 Soudage hétérogène ou autogène
 Propriétés des soudures dépendent:
 Composition chimique de la zone fondue
 Microstructures:



Métal fondu
Zone de liaison
Zone affectée thermiquement
 Discontinuités/défauts
2014-11-24
ETS
42
21
2014-11-24
MODÈLE D’APPRENTISSAGE
2014-11-24
ETS
43
2014-11-24
ETS
44
22
2014-11-24
APPRENTISSAGE ET «PROBLÈMES»
 Lorsque l’on comprend le problème, la solution est à portée
de main
 «Si une personne commence avec des certitudes elle finira
avec des doutes, mais si elle se contente de débuter avec des
doutes elle finira avec des certitude» Francis Bacon (1561-1626)
 Problèmes sont définis par:
 Dimensions
 Éléments critiques
 Zones d’incertitude
2014-11-24
ETS
45
APPRENTISSAGE ET «PROBLÈMES»
 Il faut apprendre à:
 Questionner et non remettre en question
 Présenter la situation à partir de divers «angles»
 Sources d’informations (évaluer le degré de fiabilité): (???)
 Amis et connaissances
 Experts
 Web
 Livres
 Entreprises spécialisées
 Articles techniques
 Articles de vulgarisation
2014-11-24
ETS
46
23
2014-11-24
APPRENTISSAGE ET «PROBLÈMES»
 Approches de résolution de problèmes à la mode
 Une solution à tous les problèmes
 Une solution en quête de problèmes
 La bonne solution au mauvais problème (!)
 L’Art de Questionner:
 Apprendre à poser la bonne question



Limiter les dimensions couvertes
Limiter la possibilité de dérive
Clarifier la situation
 Méthode des 5 «pourquoi»
 Dimensions de nos «connaissances»
 Ce que j’ai entendu dire
 Ce que j’en sais
 Ce que j’en pense
2014-11-24
ETS
47
24