Comment la méthode de fabrication des tubes en acier inoxydable 316 (étirés sans soudure ou soudés et recuits) affecte-t-elle la sélection sûre de l'épaisseur de paroi pour les gaines de chauffage électrique ?

La différence entre les tubes étirés sans soudure et les tubes soudés et recuits est généralement ignorée par les ingénieurs d'achat et les fabricants d'éléments chauffants qui exigent des tubes gainés en acier inoxydable 316. Les deux produits sont fabriqués selon la même norme ASTM A269 ou A213 pour les qualités chimiques et mécaniques. Les deux ont les mêmes épaisseurs de paroi nominales et les mêmes diamètres extérieurs. Mais les deux procédés de fabrication donnent des tubes avec des microstructures, des états de contraintes résiduelles et des populations de défauts fondamentalement différents. Ces écarts affectent directement l'épaisseur minimale de paroi sûre pour une application particulière, en particulier lorsque la gaine est exposée à la flexion, au sertissage, aux vibrations ou aux cycles thermiques. L'article donne une quantification des différences techniques entre les tubes 316 sans soudure et soudés pour les gaines de chauffage. Il donne des facteurs de déclassement de l'épaisseur de paroi pour chaque type de fabrication et définit des critères de sélection basés sur la gravité des conditions de formage et de service.

Différences de microstructure et défauts des tubes 316 soudés et sans soudure
Le tube 316 sans soudure est fabriqué en perçant une billette solide, puis en faisant glisser la coque creuse formée sur un mandrin à travers une succession de matrices de réduction. La microstructure du dernier tube est homogène et travaillée avec des lignes d'écoulement des grains parallèles à la circonférence du tube. Les joints de grains sont uniformes et orientés de manière aléatoire. Il n'y a pas de cordon de soudure longitudinal, il n'y a donc aucune possibilité de défauts de soudure tels qu'une pénétration partielle, des inclusions d'oxyde ou une sensibilisation des zones affectées par la chaleur. Les tubes sans soudure ont cependant deux restrictions pour les applications de gaine chauffante. Premièrement, le dessin peut introduire des rayures de surface et des défauts de recouvrement intérieur qui ne sont pas facilement détectés par les tests non destructifs -. Deuxièmement, les tubes sans soudure à paroi mince (épaisseur de paroi < 1,0 mm) deviennent de plus en plus chers et difficiles à produire sans des fluctuations d'épaisseur de paroi supérieures à ± 10 %. Les tubes soudés 316 sont fabriqués à partir d’une bande plate roulée en forme de cylindre. Le joint longitudinal est soudé par fusion, en utilisant généralement un soudage au gaz inerte au tungstène sans métal d'apport. Le tube est ensuite étiré à froid et recuit pour améliorer la microstructure de la zone soudée et restaurer la résistance à la corrosion. Dans les tubes soudés et recuits de bonne qualité, la zone de soudure a été recristallisée en une structure granulaire presque impossible à distinguer du métal de base. Mais la ligne de soudure reste une source potentielle de faiblesse. Même après le post-recuit, la zone de soudure peut encore présenter une orientation des grains légèrement altérée, des tensions résiduelles et, dans le cas de tubes mal traités, la précipitation de carbures de chrome qui diminuent la résistance à la corrosion localisée. Ces écarts deviennent pratiquement importants pour les gaines chauffantes qui seront pliées, embouties ou vibrées.

Effet de la méthode de fabrication sur l'épaisseur minimale de paroi sûre pour le pliage
Les gaines de chauffage électrique sont souvent formées en forme de U-, de L- ou de géométries uniques pour être insérées dans les buses de la cuve, ou pour obtenir des modèles de chauffage uniformes. Dans le processus de pliage, le rayon extérieur est soumis à des contraintes de traction et le rayon intérieur est soumis à des forces de compression. Pour un rayon de courbure donné, les parois plus minces sont plus sujettes au flambage du côté compression et à l’amincissement du côté traction. Le paramètre important est le rapport de courbure - rayon central de courbure/diamètre extérieur du tube. Avec les tubes 316 sans soudure, les épaisseurs de paroi allant jusqu'à 1,0 mm peuvent être pliées dans un rapport de 3:1 sans outillage spécifique ni mandrins internes. Pour un rapport de courbure de 2:1, une épaisseur de paroi minimale de 1,2 mm est requise pour une construction lisse. Pour les tubes soudés et recuits, une attention particulière doit être accordée à l'orientation du cordon de soudure par rapport au plan de pliage. Le risque de fissuration de la zone de soudure est minimisé si le cordon de soudure se situe sur l'axe neutre du coude - la ligne de contrainte nulle. L'épaisseur minimale de paroi de sécurité augmente d'environ 25 % lorsque le cordon de soudure se situe au niveau du rayon de tension extérieur ou du rayon de compression intérieur. Pour un tube soudé avec un rapport de courbure de 3:1, l'épaisseur minimale de la paroi est de 1,2 mm, avec le cordon de soudure correctement orienté. Pour un rapport de courbure de 2:1, un tube soudé doit avoir une épaisseur d'au moins 1,5 mm quelle que soit l'orientation des joints. Ces suggestions sont basées sur l'hypothèse que le recuit approprié sera effectué après le soudage. Les tubes soudés non recuits, rarement utilisés dans les appareils de chauffage mais trouvés dans des articles à faible coût, ne doivent jamais être pliés, car la zone de soudure n'est pas ductile et se brisera sous des contraintes modestes.

Limites relatives au sertissage et à la réduction du diamètre des gaines 316 sans soudure et soudées
Le diamètre extérieur de la gaine renfermant l'isolation en oxyde de magnésium compacté et le fil de résistance est réduit par l'opération de sertissage. Les rapports de sertissage-rapport du diamètre extérieur d'origine du tube au diamètre final-sont souvent compris entre 1,1 : 1 et 1,4 : 1 pour la fabrication normale de radiateurs. L'augmentation du taux de sertissage augmente la densité du garnissage de MgO et améliore le transfert de chaleur, mais augmente également la déformation circonférentielle dans le matériau de la gaine. Les tubes 316 sans soudure peuvent être sertis jusqu'à un rapport de 1,5:1 et possèdent toujours une épaisseur de paroi aussi faible que 0,8 mm avant qu'une microfissuration ou un écrouissage excessif ne se produise. La microstructure homogène entraîne une répartition uniforme des contraintes dans la direction circonférentielle. Le sertissage a une limite pratique inférieure pour les tubes 316 soudés et recuits. La zone de soudure, même après recuit, présente une structure de grain légèrement distincte qui durcit à un rythme différent de celui du métal sous-jacent. À des taux d'emboutissage supérieurs à 1,3 : 1, un amincissement localisé au niveau de la ligne de soudure peut se produire en raison de contraintes différentielles ou, dans des situations extrêmes, de fissures longitudinales. Pour les tubes soudés dont l'épaisseur de paroi est inférieure à 1,2 mm, le rapport de sertissage maximum suggéré est de 1,25:1. Pour une épaisseur de paroi supérieure à 1,5 mm, un rapport de 1,35:1 est autorisé. Ces limitations proviennent de l'orientation du cordon de soudure, de sorte qu'un contact concentré avec l'outil pendant le rétreint est évité. Si le cordon de soudure se trouve sur le plan de joint de l'outillage, une marge de sécurité supplémentaire est nécessaire.

Comparaison de la durée de vie en fatigue des vibrations et des cycles thermiques
For heater sheaths subjected to vibration or thermal cycling, the fatigue performance of seamless tubing is always better than that of welded and annealed tubing for the same wall thickness. Seamless tubing has a continuous grain structure and does not have favoured crack initiation sites. Cracks have to start at surface faults or inclusions, which is very unusual in good quality seamless material. The weld zone in welded tubing remains more heavily populated with non-metallic inclusions, microvoids and grain boundary abnormalities, which serve as sites for the start of fatigue cracks, even after annealing. Rotating beam fatigue experiments on 316 tubing with 1.5 mm wall thickness indicate an endurance limit for seamless specimens of approximately 220 MPa at 10 million cycles. Welded and annealed specimens with the weld seam in the direction of highest stress achieve only 160 MPa for the same number of cycles, a reduction of 27%. Further improvement of the endurance limit to around 190 MPa, still 14% lower than seamless performance, is achieved when the weld seam is orientated in the neutral axis. In heater systems subject to vibration levels >2 g, ou cycles thermiques quotidiens de la température ambiante à 150 degrés, les tubes sans soudure offrent un avantage mesurable en matière de fiabilité. Pour les applications statiques avec peu de cyclage, la différence est faible.

Matrice de sélection de l'épaisseur de paroi par processus de fabrication et niveau de formage
Le tableau suivant indique les épaisseurs de paroi minimales recommandées pour les gaines chauffantes en acier inoxydable 316 en fonction de la méthode de fabrication, des procédures de formage requises et des conditions de service prévues. Valeurs basées sur des tubes conformes à la norme ASTM- provenant de sources fiables.

Méthode de fabrication Opérations requises pour former les conditions de service Épaisseur de paroi minimale recommandée Rapport d'emboutissage maximal Rapport de courbure maximal (ligne centrale/OD)
Pas de pliage Pas d'emboutissage (gaines droites uniquement) Étiré sans soudure Statique, peu de vibrations 0,8 mm Non applicable Non applicable
Étiré sans soudure Marquage uniquement, sans flexion Statique ou faible vibration 0,9 mm 1,5:1 Non applicable
Sans soudure Étiré Pas d'emboutissage ni de flexion Vibrations faibles à modérées 1,0 mm Non applicable 3:1
Étiré sans soudure Cintrage et emboutissage Vibrations modérées, cyclage thermique 1,2 mm 1,4 : 1 3 : 1 Étiré sans soudure Cintrage et emboutissage Vibrations élevées, cyclage thermique sévère 1,5 mm 1,3 : 1 4 : 1 Soudé et recuit Pas de pliage, pas d'emboutissage (gaines droites uniquement) Statique, environnement propre 1,0 mm Sans objet N/A
Soudé et recuit Sertissage uniquement, pas de flexion Statique ou faibles vibrations 1,2 mm 1,25:1 Non applicable
Soudage, recuit Pliage uniquement, pas de rétreint Vibrations faibles, cordon de soudure sur axe neutre 1,2 mm Non applicable 3:1 avec joint neutre
Soudé et recuit Pliage et estampage Vibration modérée, cycle thermique 1,6 mm 1,2 : 1 4 : 1 avec couture neutre
Soudé et recuit Pliage et sertissage Vibrations élevées, tout cycle thermique 2,0 mm 1,2 :1 5:1 avec joint neutre Compromis de coût et de disponibilité-entre les tubes sans soudure et soudés
Les différences techniques entre les tubes 316 sans soudure et soudés, ainsi que le coût et la disponibilité, doivent être prises en compte. Pour une épaisseur de paroi supérieure à 1,5 mm, un tube sans soudure coûte environ 15-25 % plus cher qu'un tube soudé et recuit aux mêmes dimensions. La prime pour les tubes sans soudure tombe à 10-15 % pour des épaisseurs de paroi de 1,0 mm à 1,5 mm. Pour les épaisseurs de paroi inférieures à 1,0 mm, les tubes soudés deviennent difficiles à fabriquer de manière cohérente et les tubes sans soudure sont généralement le seul choix accessible ou ne coûtent qu'un prix modeste. Les délais de livraison varient également. Les tubes soudés sont fabriqués en longueurs continues plus grandes et sont plus couramment disponibles en stock dans des tailles standard. La fabrication en usine de tubes sans soudure, en particulier dans des diamètres non standard et des épaisseurs de paroi minces, a souvent des délais de livraison de 8 à 12 semaines. Les tubes soudés offrent un avantage financier par rapport au sciage et au soudage pour les grandes séries de production de modèles de chauffage simples avec une fiabilité acceptable si une orientation et un recuit appropriés du cordon de soudure sont spécifiés. Les tubes sans soudure réduisent les risques à un degré mesurable, ce qui justifie la dépense supplémentaire pour les applications importantes avec un formage extrême, des vibrations élevées ou des conséquences en matière de sécurité en cas de défaillance.

Conclusion : ajuster la méthode de production aux besoins de l'application
Lorsque l'ingénieur spécifie des gaines en acier inoxydable 316 pour les thermoplongeurs électriques, la manière dont les tubes sont fabriqués n'est pas un détail mineur mais un paramètre de conception ayant des conséquences directes sur l'épaisseur de paroi minimale de sécurité. Le tube étiré sans soudure a une ductilité plus forte pour le pliage, des taux d'emboutissage autorisés plus élevés et une durée de vie améliorée, permettant d'utiliser des parois plus fines dans des applications exigeantes. Les tubes soudés et recuits, s'ils sont correctement traités avec contrôle de l'orientation du cordon de soudure, sont acceptables pour les applications statiques ou à faible -contrainte à moindre coût. La grosse erreur est de penser que les deux éléments sont interchangeables. Le remplacement d'une conception de chauffage avec des tubes sans soudure d'une épaisseur de paroi de 1,0 mm par des tubes soudés n'est pas simple car une requalification est nécessaire. La variante soudée aura des marges de sécurité réduites pour la flexion et le sertissage et une durée de vie en fatigue réduite sous vibration. Lors de la définition des spécifications du radiateur auprès des fournisseurs, les ingénieurs doivent définir le processus de fabrication souhaité du radiateur, c'est-à-dire sans soudure ou soudé, plutôt que de simplement spécifier la qualité du matériau et les dimensions. Pour les applications où l'épaisseur minimale de la paroi s'approche des limites indiquées dans la matrice ci-dessus, il est recommandé de demander des rapports d'essais de matériaux comprenant les données sur la granulométrie et la dureté de la zone de soudure pour une assurance qualité supplémentaire. La dépense supplémentaire liée à la spécification de tubes sans soudure pour des applications essentielles est négligeable par rapport au coût des défaillances sur le terrain dues à des cordons de soudure fracturés ou à des fractures par fatigue.