Application du soudage au laser sur l'acier inoxydable 5

Apport thermique, vitesse de refroidissement et contrôle métallurgique

Le soudage au laser est, par nature, un procédé caractérisé par un faible apport thermique et une vitesse de refroidissement élevée, ce qui explique en partie son efficacité pour l’acier inoxydable. Mais un “ faible apport thermique ” n’est pas automatiquement “ synonyme de qualité ” : un apport thermique ou un profil de refroidissement inadapté peut entraîner une fusion incomplète, une teneur excessive en ferrite ou des défauts microstructuraux qui compromettent à la fois la résistance mécanique et la résistance à la corrosion. En gérant la puissance du laser, la vitesse d’avance, la focalisation du faisceau et le choix du métal d’apport, les soudeurs peuvent contrôler non seulement la forme du cordon de soudure, mais aussi la métallurgie elle-même.

Maintenez un apport thermique faible — mais pas trop faible

· Pourquoi la cuisson à feu doux est-elle recommandée ? :

1. Réduit la déformation et les contraintes résiduelles, ce qui est particulièrement important dans le cas des tôles austénitiques minces présentant une dilatation thermique élevée.

2. Réduit au minimum la coloration due à la chaleur et la formation d'oxyde, ce qui limite la nécessité d'un nettoyage après soudage.

· Pourquoi un taux trop bas est néfaste :

1. Pénétration insuffisante et défauts de fusion.

2. Une solidification trop rapide peut entraîner le piégeage de gaz et augmenter la porosité.

3. Dans certaines nuances, un refroidissement ultra-rapide peut faire évoluer la microstructure vers des phases fragiles ou déséquilibrées.

· Leviers de commande :

1. Puissance (W) : une puissance plus élevée permet une pénétration plus profonde, mais présente un risque de surchauffe dans les sections minces.

2. Vitesse de déplacement (mm/s) : un déplacement plus rapide réduit l'apport thermique total, mais peut entraîner des problèmes de fusion.

3. Taille du faisceau (mm) : les faisceaux plus petits concentrent l'énergie ; les faisceaux plus larges élargissent le cordon mais réduisent la profondeur de pénétration.

· Règle générale : surveiller l'énergie par unité de longueur (J/mm) — viser la valeur minimale permettant d'obtenir une fusion complète sans défauts, généralement comprise entre 30 et 60 J/mm pour les tôles minces, et plus élevée pour les sections duplex plus épaisses.

Présence de ferrite dans les soudures austénitiques

· Formation en métallurgie :

1. La solidification entièrement austénitique est sujette à la fissuration de solidification, car elle ne permet pas d'absorber les impuretés à bas point de fusion au niveau des joints de grains.

2. L'introduction de ferrite delta 3–8% dans la soudure permet d'atténuer ce phénomène en servant de “ puits ” pour les impuretés.

· Risques spécifiques au laser :

1. Des vitesses de refroidissement élevées peuvent figer la structure de solidification avant que la ferrite n'ait eu le temps de se former, ce qui augmente le risque de fissuration dans certains alliages.

· Méthodes de contrôle :

1. Utiliser un métal d'apport légèrement surallié (ER308L, ER316L) pour favoriser la formation de ferrite.

2. Évitez les vitesses de déplacement trop élevées sur les pentes sensibles.

3. Vérifier la teneur en ferrite à l'aide d'un ferritoscope dans les applications critiques (notamment dans le secteur agroalimentaire et en milieu cryogénique).

Interpass et préchauffage

· Température de passage :

1. Pour la plupart des nuances austénitiques : maintenir la température en dessous de 150 °C afin d'éviter la précipitation de carbures de chrome (sensibilisation), qui réduit la résistance à la corrosion.

2. Pour les nuances duplex : maintenir la température en dessous de 150 °C afin d'éviter la précipitation de phases secondaires et de contrôler l'équilibre ferrite-austénite.

· Préchauffage :

1. Rarement nécessaire pour les nuances austénitiques ou duplex.

2. Indispensable pour les aciers inoxydables martensitiques et à durcissement par précipitation (100–300 °C) afin d'éviter les fissures de trempe et les pics de dureté dans la zone affectée thermiquement (HAZ).

3. Il convient de l'appliquer de manière uniforme afin d'éviter toute dilatation différentielle.

· Remarque spécifique au laser : les soudures au laser à passage unique dépassent rarement les limites de température entre les passes, mais dans le cas des soudures hybrides laser-arc à plusieurs passes, l'accumulation de chaleur peut poser problème.

Équilibre de phase en mode duplex

· Objectif : ferrite ~50% / austénite ~50% dans la zone de soudure.

· Risques liés au soudage au laser :

1. Des vitesses de refroidissement élevées ont tendance à fixer un excès de ferrite (>65%), ce qui entraîne une diminution de la ténacité aux chocs et de la résistance à la corrosion par piqûres.

2. Une surchauffe peut également entraîner une reformation incomplète de l'austénite.

· Stratégies de contrôle :

1. Utiliser des métaux d'apport riches en nickel (par exemple, l'ER2209 pour le duplex 2205) afin de favoriser la formation d'austénite.

2. Augmenter légèrement l'apport de chaleur par rapport au soudage austénitique : cela ralentit suffisamment le refroidissement pour permettre la transformation de phase sans risquer la croissance des grains.

3. Maintenir une température interpassage faible afin d'éviter la formation de la phase sigma.

· Vérification : Dans les secteurs à haute exigence (offshore, dessalement), la teneur en ferrite est systématiquement contrôlée après le soudage à l'aide d'appareils portables de mesure de la ferrite.

Dans le soudage au laser de l'acier inoxydable, l'apport de chaleur est un outil métallurgique : un apport trop important entraîne une déformation et une sensibilisation, tandis qu'un apport trop faible provoque un manque de fusion, une formation excessive de ferrite ou des fissures. Les soudures austénitiques nécessitent de faibles quantités de ferrite pour éviter la fissuration à chaud ; les nuances martensitiques et PH peuvent nécessiter un préchauffage ; quant aux aciers duplex, ils exigent un contrôle minutieux de l'apport de chaleur afin de préserver l'équilibre des phases. Le moyen le plus rapide de compromettre la résistance à la corrosion de l’acier inoxydable est de négliger la relation entre les paramètres du laser, la vitesse de refroidissement et la microstructure ; le meilleur moyen de la préserver est de les contrôler de manière ciblée.