Comment le recouvrement de soudure est-il appliqué pour créer un tuyau plaqué en acier inoxydable ?

Les principes fondamentaux du revêtement soudé

Le recouvrement de soudure, également connu sous le nom de revêtement de soudure ou de surfaçage, est un processus de fabrication utilisé pour créer tuyau plaqué en acier inoxydable en déposant une couche d'alliage résistant à la corrosion sur la surface interne d'un tuyau de support en carbone ou en acier faiblement allié moins coûteux. Contrairement aux méthodes de collage au rouleau ou de collage par explosion, le recouvrement par soudure construit la couche de revêtement de manière métallurgique par soudage par fusion. Le processus implique l'utilisation d'un système de soudage automatisé pour appliquer des cordons de soudure successifs et superposés sur toute la longueur de l'intérieur du tuyau. Cela crée une couche d’acier inoxydable entièrement dense et homogène qui est intégralement liée au matériau de base. L'objectif principal est de combiner la résistance mécanique et l'économie de l'acier au carbone avec la résistance spécifique à la corrosion, à l'érosion ou aux températures élevées d'un alliage d'acier inoxydable, ce qui aboutit à une solution rentable pour les environnements de service exigeants.

Processus de soudage primaires pour application de superposition

L’application de la couche de revêtement est réalisée grâce à des techniques de soudage automatisées et précises qui garantissent la cohérence et la qualité. Le choix du procédé dépend de facteurs tels que la taille du tuyau, l'épaisseur de revêtement souhaitée, la cadence de production et la composition de l'alliage.

Soudage à l'arc submergé (SAW)

Le soudage à l’arc submergé est une méthode répandue pour le revêtement par superposition de soudures sur des tuyaux de grand diamètre. L'arc est amorcé sous une couche de flux fusible granulaire, qui empêche la contamination atmosphérique, les éclaboussures et le rayonnement UV. SAW offre des taux de dépôt élevés et une pénétration profonde, ce qui le rend efficace pour appliquer des couches de revêtement épaisses. Il est généralement utilisé avec des électrodes en bande (par exemple, d'une largeur de 60 mm) pour une productivité maximale et une surface de recouvrement lisse et diluée.

Soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW/TIG)

Le soudage à l'arc au gaz tungstène utilise une électrode en tungstène non consommable et un gaz de protection inerte. Connu pour sa précision et son excellent contrôle de l’apport de chaleur, GTAW produit des dépôts de soudure de haute pureté et à faible dilution. Ceci est essentiel lors du revêtement avec des alliages hautes performances comme l'Inconel ou l'Hastelloy, où il est essentiel de minimiser le mélange d'acier au carbone du tube de base pour maintenir la résistance à la corrosion du revêtement. Il est souvent utilisé pour des diamètres plus petits ou pour le passage radiculaire critique.

Soudage à l'arc sous gaz métal (GMAW/MIG)

Le soudage à l’arc sous gaz-métal utilise un fil-électrode consommable alimenté en continu et un gaz de protection. Les processus GMAW automatisés modernes, tels que le transfert de métal à froid (CMT), sont très efficaces pour le revêtement. Le CMT réduit considérablement l'apport de chaleur, minimisant la dilution et la distorsion tout en permettant un dépôt à grande vitesse. Cela le rend adapté à une large gamme de tailles de tuyaux et de types d'alliages, offrant un bon équilibre entre qualité et productivité.

Paramètres clés du processus et contrôle

Un recouvrement de soudure réussi nécessite un contrôle strict de plusieurs paramètres pour garantir l’intégrité et les performances de la couche de revêtement. Tout écart peut entraîner des défauts qui compromettent le produit final.

• Apport de chaleur : Un contrôle précis de l’ampérage, de la tension et de la vitesse de déplacement est primordial. Un apport de chaleur excessif augmente la dilution (le pourcentage de métal de base mélangé à la soudure), ce qui peut réduire la teneur en chrome et en nickel du revêtement, dégradant ainsi sa résistance à la corrosion. Cela peut également provoquer une distorsion excessive et des contraintes résiduelles.
• Contrôle de dilution : L'objectif est généralement d'atteindre des niveaux de dilution inférieurs à 10-15 %. Des techniques telles que l'utilisation d'une couche de « beurrage », l'optimisation des paramètres de soudage et l'utilisation de têtes de soudage oscillantes permettent de minimiser le mélange des métaux de base et de garantir que la chimie du revêtement répond aux spécifications.
• Température entre les passes : La gestion de la température entre les passes de soudure successives est cruciale pour éviter les fissures, notamment avec les aciers inoxydables austénitiques sensibles à la sensibilisation (précipitation de carbure de chrome).
• Placement et chevauchement des perles : Les systèmes automatisés planifient méticuleusement le trajet de la torche pour garantir une géométrie cohérente des billes et un chevauchement suffisant (généralement 30 à 50 %) entre les billes adjacentes. Cela élimine les défauts de manque de fusion et crée une couche de revêtement uniformément épaisse.

Sélection des matériaux : consommables et tuyaux de base

Le choix des consommables de soudage définit directement les propriétés de la couche de placage. Le métal d'apport doit être choisi en fonction de la résistance à la corrosion en service requise, et pas simplement en fonction de l'alliage nominal.

Le tuyau de base, ou acier de support, est généralement en acier au carbone (par exemple ASTM A106 Gr. B) ou en acier faiblement allié. Sa fonction principale est de fournir une résistance structurelle et de contenir la pression. La surface doit être soigneusement nettoyée (par meulage ou usinage) et inspectée avant le revêtement pour éliminer tout oxyde, tartre ou contaminant qui pourrait provoquer des défauts de liaison.

Traitement et inspection post-demande

Une fois le revêtement de soudure appliqué, le tube plaqué subit plusieurs étapes critiques de finition et de vérification. La surface du revêtement interne est souvent usinée ou rectifiée pour obtenir une tolérance dimensionnelle finale lisse et pour éliminer toute irrégularité de surface qui pourrait piéger les contaminants ou entraver l'écoulement. Le tuyau est ensuite soumis à une batterie rigoureuse d’examens non destructifs (END). Le ressuage (PT) ou le test de particules magnétiques (MT) vérifient la présence de fissures en surface. Les tests par ultrasons (UT) sont largement utilisés pour mesurer l'épaisseur finale du revêtement uniformément le long du tuyau et pour détecter tout manque de liaison entre le revêtement et le métal de base. Enfin, le tuyau est traité thermiquement si les spécifications l'exigent (généralement un traitement thermique après soudage pour soulager les contraintes) et subit des tests hydrostatiques pour valider son intégrité sous pression en tant que structure composite.

Avantages et limites de la méthode de superposition de soudure

Comprendre les avantages et les inconvénients de cette méthode est essentiel pour une sélection appropriée des matériaux lors de la conception du projet.

• Avantages : Offre une flexibilité de conception exceptionnelle pour le revêtement de géométries complexes telles que des raccords, des vannes et des coudes de tuyaux. Il permet l’application d’une large gamme de nuances d’alliages, notamment des superalliages à base de nickel et de cobalt. Le processus peut réparer les composants endommagés et créer des surfaces usées. Il permet la création de « joints de transition » entre métaux différents.
• Limites : Il s’agit généralement d’un processus plus lent et plus exigeant en main-d’œuvre que le collage par laminage pour les sections de tuyaux longues et droites. Le chauffage et le refroidissement cycliques peuvent introduire des contraintes résiduelles importantes. Atteindre une dilution extrêmement faible nécessite un contrôle avancé du processus. Il existe un risque de défauts comme la porosité, la fissuration ou la fusion incomplète si les paramètres ne sont pas parfaitement contrôlés.

En conclusion, la création de tuyaux plaqués en acier inoxydable par superposition de soudures est un processus sophistiqué et technique qui transforme un tuyau en acier au carbone en un produit bimétallique. Grâce à un contrôle méticuleux du soudage automatisé, des paramètres et de la science des matériaux, il offre une solution robuste et économique où la résistance à la corrosion et la résistance structurelle sont primordiales.