Analyse de quatre fissures courantes de soudage de tuyaux en acier

Fissures de soudure

Le défaut grave le plus courant dans les pièces soudées. Sous l'effet combiné des contraintes de soudage et d'autres facteurs de fragilité, la force de liaison des atomes métalliques dans les zones locales du joint soudé est détruite, entraînant un nouvel espace d'interface. Il présente les caractéristiques d’encoches nettes et de grands rapports d’aspect. Selon les conditions de formation, elle peut être divisée en quatre catégories : les fissures à chaud, les fissures à froid, les fissures de réchauffage et les déchirures en couches.

Premièrement, les fissures froides

Les fissures à froid sont générées pendant ou après le soudage à une température plus basse, approximativement proche de la température de transformation martensitique (c'est-à-dire le point Ms) de l'acier, ou inférieure à 300-200°C (ou T<0,5Tm, Tm est la température de fusion exprimée en température absolue), c'est ce qu'on appelle des fissures froides. Les fissures à froid peuvent être divisées en fissures retardées, fissures de trempe et fissures fragiles à faible plasticité.

(I) Conditions de génération : Le joint soudé forme une structure durcie. En raison de la grande tendance au durcissement de l'acier, une grande quantité de martensite cassante, dure et volumineuse est générée pendant le processus de refroidissement, formant une contrainte interne importante. Tendance au durcissement des joints : L’influence du carbone est la clé. Plus la teneur en carbone et en chrome est élevée, plus la plaque est épaisse, plus la section transversale est grande et plus l'apport de chaleur est faible, plus le durcissement est sévère.

L'acier et les soudures contiennent plus d'hydrogène diffusible. Les atomes d'hydrogène s'accumulent (se concentrent) au niveau des défauts (trous, dislocations) pour former des molécules d'hydrogène. Le volume des molécules d’hydrogène est supérieur à celui des atomes d’hydrogène et ne peut pas continuer à diffuser. Ils continuent de s’accumuler, générant une énorme pression de molécule d’hydrogène, atteignant même des dizaines de milliers d’atmosphères, provoquant la fissuration du joint soudé. Dans de nombreux cas, l’hydrogène est le facteur le plus actif pour provoquer des fissures à froid.

Les fissures se produisent lorsque la contrainte de traction et la contrainte de retenue du soudage sont importantes (ou concentration de contraintes) et dépassent la limite de résistance du joint.

(II) Causes : Il peut être divisé en deux aspects : la sélection des matériaux et le processus de soudage.

1. Sélection des matériaux

(1) Mauvaise correspondance du matériau parent et du matériau de soudage, entraînant une énorme différence de résistance ;

(2) Le matériau contient trop d'éléments tels que le carbone, le chrome, le molybdène, le vanadium et le bore, ce qui augmente la sensibilité au durcissement de l'acier.

2. Processus de soudage

(1) La baguette de soudage n’est pas complètement séchée et il y a de l’humidité (eau libre et eau cristalline) dans le revêtement ; il y a de l'huile, de la rouille, de l'eau, de la peinture, etc. sur la rainure du matériau de soudage et du matériau de base ; l'humidité ambiante est trop élevée (>90 %) ; le sillon est pollué par la pluie et la neige. L'humidité et la matière organique ci-dessus se décomposent sous l'action de l'arc de soudage pour produire du H, provoquant la dissolution de l'hydrogène sursaturé dans la soudure.

(2) La température ambiante est trop basse ; la vitesse de soudage est trop rapide ; l'énergie de la ligne de soudage est trop faible. Cela entraînerait un refroidissement trop rapide de la zone articulaire, provoquant ainsi un stress interne important.

(3) Structure de soudage inappropriée, entraînant une contrainte de retenue importante.

(4) Des fissures se sont déjà produites au point de soudage par points, mais elles n'ont pas été éliminées pendant le soudage ; les points de concentration des contraintes tels que les contre-dépouilles provoquent des fissures aux extrémités des soudures ; les points de concentration de contraintes, tels qu'une pénétration incomplète, provoquent des fissures aux racines des soudures ; les points de concentration de contraintes tels que les inclusions de scories provoquent des fissures dans les soudures.

(III) Méthodes de prévention : Cela peut commencer par deux aspects : la sélection des matériaux et le processus de soudage.

1. Sélection correcte des matériaux

Utilisez des baguettes de soudage et des flux de base à faible teneur en hydrogène pour réduire la teneur en hydrogène diffusé dans le métal fondu ; sélectionnez et faites correspondre le matériau parent et le matériau de soudage ; si les conditions techniques le permettent, choisissez des matériaux avec une bonne ténacité (tels que des matériaux de soudage avec un degré de résistance inférieur) ou mettez en œuvre un revêtement « souple » pour réduire les contraintes résiduelles de surface ; si nécessaire, effectuer des tests d'analyse chimique, de propriétés mécaniques, de soudabilité et de sensibilité aux fissures sur le matériau de base et le matériau de soudage avant la fabrication.

2. Processus de soudage

(1) Effectuer strictement les opérations de soudage selon les spécifications de processus correctes obtenues à partir du test. Inclure principalement : sécher strictement la baguette de soudage conformément aux spécifications ; sélectionner les spécifications de soudage et l'énergie de ligne appropriées, un courant, une tension, une vitesse de soudage, une température intercouche raisonnables et une séquence de soudage correcte ; inspection et traitement du soudage par points ; nettoyage des soudures double face, etc.; nettoyer soigneusement la rainure et le fil de soudage pour éliminer l'huile, la rouille et l'humidité.

(3) Sélectionnez une structure de soudage raisonnable pour éviter des contraintes de retenue excessives ; forme de rainure et séquence de soudage correctes ; et réduire la valeur maximale de la contrainte résiduelle de soudage.

(4) Le préchauffage avant le soudage, le refroidissement lent après le soudage, le contrôle de la température intercalaire et le traitement thermique après soudage sont des méthodes efficaces pour prévenir les fissures à froid dans les aciers à haute résistance présentant une mauvaise soudabilité et des structures inévitables à haute contrainte. Le préchauffage et le refroidissement lent peuvent ralentir la vitesse de refroidissement (prolonger le temps de séjour de △t 800-500℃), améliorer la microstructure du joint, réduire la tendance au durcissement et réduire la contrainte de la microstructure ; le traitement thermique après soudage peut éliminer les contraintes résiduelles de soudage et réduire la teneur en hydrogène diffusé dans la soudure. Dans la plupart des cas, le traitement thermique de détente doit être effectué immédiatement après le soudage.

(5) Le martelage immédiatement après le soudage pour disperser les contraintes résiduelles et éviter les zones à forte contrainte est l'une des méthodes efficaces pour éviter les fissures à froid lors du soudage de réparation local.

(6) À la racine de la soudure et à la surface de la soudure, où les contraintes sont relativement concentrées (la zone affectée thermiquement est soumise à des contraintes de contrainte plus faibles), l'utilisation d'électrodes avec des niveaux de résistance inférieurs permet souvent d'obtenir de bons résultats sous des contraintes élevées.

(7) Le soudage sous protection sous gaz inerte peut maximiser le contrôle de la teneur en hydrogène de la soudure et réduire la sensibilité des fissures à froid, c'est pourquoi le soudage TIG et MIG doit être vigoureusement encouragé.

Deuxièmement, une déchirure en couches

La déchirure en couches est une forme particulière de fissuration à froid. Ceci est principalement dû à la présence d'inclusions en couches (dans le sens du laminage) (en particulier de sulfures) dans la tôle d'acier. Sous la contrainte de traction perpendiculaire à la direction de laminage (direction de l'épaisseur de la plaque) générée lors du soudage, des fissures en couches de type « marche » parallèles à la surface laminée du matériau parent sont générées dans la zone affectée thermiquement ou légèrement plus loin dans la zone affectée thermiquement. plaque d'acier. Cela se produit dans les joints de soudure d’angle des plaques épaisses en forme de T et en forme de K.

L'amélioration de la qualité des tôles d'acier, la réduction des inclusions en couches dans l'acier et la prise de mesures en matière de conception structurelle et de technologie de soudage pour réduire la contrainte de traction de soudage dans le sens de l'épaisseur de la plaque peuvent empêcher la déchirure en couches. Avant de souder des plaques épaisses, des tests de pénétration par ultrasons et dans les rainures des plaques sont effectués pour vérifier les inclusions en couches. S'il existe des inclusions en couches, essayez de les éviter ou de les réparer ou de les broyer à l'avance.

Troisièmement, les fissures thermiques

Les fissures thermiques sont générées à des températures élevées, depuis la plage de températures de solidification jusqu'à des températures supérieures à A3, elles sont donc appelées fissures thermiques, également appelées fissures à haute température.

S'il y a plus d'éléments d'impuretés eutectiques à bas point de fusion (P, S, C, etc.) et plus de défauts de réseau dans le matériau, une ségrégation aux limites des grains est susceptible de se produire pendant la cristallisation du bain fondu de soudage. Les substances ségréguées sont principalement des eutectiques à bas point de fusion (tels que FeS-Fe, Fe3P-Fe, NiS-Ni, Ni3P-Ni) et des impuretés. Ils existent dans l'intercalaire liquide pendant le processus de cristallisation, formant un film liquide avec une très faible résistance à la déformation. La phase liquide correspondante existe plus longtemps et finit par cristalliser et se solidifier. La résistance après solidification est également extrêmement faible. Lorsque la contrainte de traction de soudage est suffisamment importante, la couche intermédiaire liquide se sépare ou se brise peu de temps après la solidification pour former des fissures.

De plus, s'il y a des eutectiques à bas point de fusion et des impuretés sur les joints de grains du matériau parent, ces eutectiques à bas point de fusion fondront en couches intermédiaires liquides dans la zone affectée thermiquement lorsque la température de chauffage dépasse son point de fusion. Lorsque la contrainte de traction du soudage est suffisamment importante, ils seront également séparés pour former des fissures liquides dans la zone affectée thermiquement.

Les fissures chaudes sont toutes fissurées le long des joints de grains d'austénite et sont dentelées, elles sont donc également appelées fissures intergranulaires. Ils apparaissent souvent au milieu de la soudure, notamment dans la fosse d'arc. La plupart d'entre eux se trouvent à la jonction des cristaux colonnaires de la soudure, c'est-à-dire la position finale de solidification de la soudure, qui est également la position la plus susceptible de provoquer une ségrégation eutectique à bas point de fusion ; quelques-uns apparaissent dans la zone affectée par la chaleur. Les fissures longitudinales dans la soudure se produisent généralement au centre de la soudure, parallèlement à la longueur de la soudure ; les fissures transversales se produisent généralement le long des joints de grains en colonnes et sont reliées aux joints de grains du matériau parent, perpendiculairement à la longueur de la soudure. Lorsque la fissure pénètre dans la surface et communique avec l'air, la surface de fracture est oxydée (comme le bleu-gris, etc.) et certaines macrofissures à la surface de la soudure sont remplies de scories.

(I) Causes d'occurrence

1. Sélection des matériaux : une teneur excessive en soufre dans le matériau produit une « fragilité à chaud » ; une teneur excessive en cuivre produit une « fragilité du cuivre » ; une teneur excessive en phosphore produit une « fragilité à froid ».

2. Processus de soudage : acier inoxydable à base de nickel, séquence de soudage incorrecte ou température intercalaire trop élevée, apport de chaleur excessif, vitesse de refroidissement trop lente ; forme de rainure inappropriée (soudure étroite et profonde avec coefficient de forme de soudure ψ = b/h≤1), le soudage monocouche en un seul passage est sujet aux fissures de ségrégation au centre de la soudure ; une mauvaise protection des puits d'arc, en raison de la ségrégation, des fissures chaudes des puits d'arc sont susceptibles de se produire ; des réparations multiples entraîneront l’agrégation des défauts du réseau et la formation de fissures chaudes polygonales.

(II) Méthodes de prévention

Étant donné que l’apparition de fissures à chaud est liée à des facteurs de contrainte, les méthodes de prévention doivent également commencer à la fois par la sélection des matériaux et par le processus de soudage.

1. Sélection des matériaux

(1) Limiter la teneur en éléments et impuretés nocives sujettes à la ségrégation dans l'acier et les matériaux de soudage, en particulier la teneur en S, P et C, car ils forment non seulement des eutectiques à bas point de fusion, mais favorisent également la ségrégation. C≤0,10 %La sensibilité de la fissuration à chaud peut être considérablement réduite. Si nécessaire, une analyse chimique et une inspection à faible puissance (telle qu'une impression au soufre, etc.) du matériau doivent être effectuées.

(2) Ajuster la composition chimique du métal soudé, améliorer la structure, affiner les grains, améliorer la plasticité, modifier la forme et la répartition des impuretés nocives et réduire la ségrégation, par exemple en utilisant une structure à deux phases d'austénite plus moins de 6% de ferrite.

(3) Augmenter la basicité de la baguette de soudage et du flux pour réduire la teneur en impuretés dans la soudure et améliorer le degré de ségrégation.

2. Processus de soudage

(1) Choisissez une forme de rainure raisonnable, un coefficient de formation de soudure ψ=b/h＞1, évitez les soudures étroites et profondes en forme de poire, empêchez les cristaux colonnaires de se rencontrer au centre de la soudure, produisez une ségrégation et une forme centrales. une fracture fragile; utiliser le soudage multicouche et multipasse pour perturber l'agrégation de la ségrégation. Il convient de noter qu'un courant de soudage excessif formera également une soudure « en forme de poire ».

(2) Spécifications de soudage de contrôle :

un. Utilisez une énergie de ligne de soudage plus petite (appropriée). Pour l'acier inoxydable austénitique (à base de nickel), utilisez autant que possible une énergie de ligne de soudage plus petite (pas de préchauffage, pas d'oscillation ou moins d'oscillation, soudage rapide, faible courant) et contrôlez strictement la température intercouche pour raccourcir le temps de séjour du souder le métal dans la zone à haute température ; b. Faites attention à la protection lors de la fermeture de l'arc, fermez l'arc lentement et remplissez la fosse d'arc pour éviter la ségrégation de la fosse d'arc et les fissures thermiques ;

c. Éviter autant que possible les réparations multiples pour éviter que les défauts du réseau ne s'agglomèrent et ne génèrent des fissures thermiques polygonales ;

d. Prenez des mesures pour minimiser les contraintes des joints, éviter la concentration des contraintes et réduire la rigidité à proximité de la soudure. Organisez correctement la séquence de soudage et essayez de souder la plupart des soudures avec une rigidité plus petite pour leur permettre de se rétrécir.

Quatrièmement, réchauffez les fissures

Les fissures de réchauffage font référence aux joints soudés de certains aciers à haute résistance faiblement alliés et d'aciers résistants à la chaleur contenant des éléments d'alliage tels que le vanadium, le chrome, le molybdène et le bore. Pendant le processus de chauffage (tel que le recuit de détente, le soudage multicouche multi-passes et les travaux à haute température, etc.), ils se produisent dans la zone à gros grains de la zone affectée thermiquement et des fissures le long de l'austénite d'origine joints de grains. On les appelle également fissures de recuit de détente (fissures SR).

Les fissures de réchauffage proviennent de la zone à gros grains de la zone affectée thermiquement de la soudure et ont les caractéristiques d'une fracture aux limites des grains, et la plupart des fissures se produisent dans la zone où les contraintes sont concentrées.

Mesures préventives

1. Lors de la sélection des matériaux, il convient de prêter attention aux éléments générateurs de carbure susceptibles de provoquer des précipitations, en particulier la teneur en V. Lorsqu’un acier à haut V doit être utilisé, une attention particulière doit être portée lors du soudage et du traitement thermique.

2. Éviter les zones sensibles au réchauffage pendant le traitement thermique peut réduire le risque de fissures de réchauffage. Si nécessaire, des tests de traitement thermique doivent être effectués avant le traitement thermique.

3. Minimiser les contraintes résiduelles et la concentration des contraintes, réduire l'excès de hauteur, éliminer les contre-dépouille, la pénétration incomplète et d'autres défauts, et meuler l'excès de hauteur et souder le pied pour lisser si nécessaire ; augmentez la température de préchauffage, ralentissez le refroidissement après le soudage et réduisez les contraintes résiduelles.

4. Énergie de ligne appropriée pour éviter la surchauffe de la zone affectée par la chaleur et des grains grossiers.

5. Dans l'optique de répondre aux exigences de conception, sélectionnez une baguette de soudage avec un degré de résistance inférieur pour libérer une partie de la contrainte éliminée par le processus de traitement thermique, de sorte que la contrainte soit relâchée dans la soudure, ce qui est bon pour réduire les fissures de réchauffage. .