Pourquoi l'épaisseur de paroi de la gaine en acier inoxydable 316 inférieure à 1,0 millimètre nécessite-t-elle des procédures de soudage spéciales pour la fixation des brides dans les thermoplongeurs électriques ?

L'une des procédures les plus cruciales dans la production de thermoplongeurs électriques pour les ingénieurs de fabrication et les professionnels de l'assurance qualité est la fixation des brides de montage à la gaine en acier inoxydable 316. Une soudure défectueuse peut permettre l'intrusion de fluide de procédé, des courts-circuits électriques ou une séparation complète du réchauffeur. Les procédés de soudage pour des épaisseurs de paroi normales supérieures à 1,5 mm sont bien établis. Le soudage de gaines 316 à paroi mince inférieure à 1,0 mm pose des problèmes distincts. La faible masse thermique de la paroi mince entraîne une accumulation rapide de chaleur-et une combustion-, une formation excessive de grains et une perte de résistance à la corrosion. Cet article décrit la mesure des problèmes de soudage des gaines à paroi mince 316 et la détermination des modifications procédurales nécessaires pour assurer des fixations de brides fiables.

Problèmes de gestion thermique du soudage-à paroi mince 316
To weld a 316 sheath to a mounting flange the base metal is melted using heat to generate a fusion zone. For a thick-walled sheath (>1,6 mm), le dissipateur thermique du matériau environnant évacue la chaleur du bain de soudure et évite une élévation excessive de la température. Pour une gaine à paroi mince-de moins de 1,0 mm, l'effet du dissipateur thermique est négligeable. Le même courant de soudage qui créerait un bain de soudure contrôlé dans une paroi de 1,6 mm fondra à travers une paroi de 0,9 mm en millisecondes. 316. L'acier inoxydable a une diffusivité thermique d'environ 4 mm2/s à température normale. La conduction thermique à travers l'épaisseur de 0,9 mm ne prend que 0,02 seconde. Cela signifie qu'à moins que l'apport de chaleur ne soit étroitement régulé, la face arrière de la gaine atteint le point de fusion pratiquement immédiatement après le démarrage de l'arc. Le burnthrough crée un trou dans la gaine exposant l'isolation MgO et le fil de résistance. Même sans brûlure totale-, un apport de chaleur important provoquera un grossissement des grains dans la zone affectée par la chaleur-. La granulométrie des sections à paroi mince peut aller de ASTM 7-8 (20-30 microns) à ASTM 2-3 (100-150 microns). Les carbures de chrome précipitent préférentiellement aux joints de grains grossiers, ce qui diminue la résistance mécanique et, plus critique encore, la résistance à la corrosion du 316 dans des conditions de chlorure.

Procédures de soudage pour les gaines à paroi mince 316, modifications nécessaires
Pour souder correctement une gaine 316 de 0,8 à 1,0 mm à une bride de montage, cinq modifications du processus typique de soudage à l'arc au tungstène sous gaz sont nécessaires. Le courant de soudage doit d'abord être réduit de 40 à 60 % par rapport à la méthode avec une épaisseur de paroi de 1,6 mm. Les courants typiques pour 1,6 mm 316 sont de 60 -80 ampères ; pour 0,9 mm, la plage est réduite à 25-35 ampères. Deuxièmement, vous avez besoin d’une forme d’onde de courant pulsé. Un courant de fond de 20 à 30 % est utilisé et les impulsions sont de 50 à 100 Hz, ce qui permet au bain de fusion de refroidir légèrement entre les impulsions afin d'éviter toute accumulation de chaleur. Troisièmement, la vitesse de déplacement doit être augmentée à 200-300 mm par minute contre 100-150 mm par minute pour les murs épais. Avec une vitesse plus élevée, moins de chaleur est introduite par unité de longueur. Quatrièmement, l'utilisation d'une électrode en tungstène de plus petit diamètre, 1,0 mm ou 1,6 mm plutôt que le diamètre typique de 2,4 mm, augmente la stabilité de l'arc à faibles courants. Cinquièmement et surtout, une barrière anti-gaz doit être placée à l’intérieur de la gaine. Lors du soudage, le passage de l'argon à l'intérieur de la gaine évite l'oxydation de la face arrière et offre un certain refroidissement. Sans gaz porteur, la surface intérieure est exposée et largement oxydée, laissant une couche rugueuse, appauvrie en chrome et sujette à la corrosion.

Épaisseur de paroi minimale avec différents processus de soudage
Le tableau suivant indique les épaisseurs de paroi de gaine minimales acceptables pour le 316 pour les différents processus de soudage de fixation de bride et les modifications de procédure associées pour chacun. Les valeurs concernent une soudure à pénétration complète pour la résistance mécanique.

Processus de soudage Épaisseur minimale de paroi de gaine de 316 pour un soudage cohérent Modifications de la procédure requiseCoût relatif|Qualité de soudure standard
GTAW (standard), manuel 1,2 mm1,2 mm Aucun ; non conseillé en dessous de cette valeur Bon à 1,2 mm Faible
GTAW manuel (pulsé) 0,9 mm Gaz arrière Intensité inférieure Courant pulséModéré ; nécessite un opérateur expert Faible à modérée
GTAW automatisé (pulsé) 0,8 mmProcédures à qualifier pleinement : Moyen Bon avec une configuration correcte
Soudage au laser 0,6 mm Ajustement précis-, aucun espace, alignement du faisceau importantFaible apport de chaleurExcellent ;
Soudage par faisceau d'électrons 0,5 mm Chambre à vide nécessaire Excellent ; pas d'oxydationTrès élevé
Soudage par résistance (projection) 0,8 mm Projection de brides spécialement conçue Bon pour les petits diamètres Faible à moyen
Brasage (pas de soudage) 0,5 mm Métal d'apport à base d'argent ou de nickel Résistance modérée ; pas pour haute pression Faible
La plupart des applications industrielles de thermoplongeurs électriques sont mieux soudées avec des gaines dont l'épaisseur de paroi est comprise entre 0,9 mm et 1,2 mm. Le GTAW pulsé automatisé avec gaz de retour est le processus le plus courant. Pour<0.9 mm, laser welding is the most reliable, although the capital equipment cost is much higher. For flanged heaters, manufacturers without laser welding capabilities shall provide a minimum wall thickness of 1.0 mm to assure weld reliability.

Soudures à parois minces : exigences d'inspection et de qualification
Un examen plus détaillé est nécessaire pour les gaines 316 à paroi mince-que pour les soudures à paroi épaisse-, car il y a moins de place à l'erreur. Pour les gaines inférieures à 1,2 mm, l'inspection visuelle n'est pas suffisante. Un contrôle radiographique ou par ressuage doit être effectué sur la base d'un échantillonnage. La fréquence doit être basée sur le volume de production et la criticité de l'application. Pour les gaines inférieures à 1,0 mm, un examen par ressuage à 100 % est conseillé. Les normes d'acceptation pour les soudures à paroi mince-doivent permettre un léger sous-remplissage (jusqu'à 10 % de l'épaisseur de la paroi), mais pas de fissures, de porosité > 0,2 mm de diamètre ou de brûlure-. Tous les assemblages soudés à paroi mince-conçus pour être utilisés en fonctionnement sous pression doivent également être soumis à un test d'étanchéité à l'hélium. Une bonne soudure a un taux de fuite inférieur à 1 x 10-7 mbar·L/sec. Si le réchauffeur doit être utilisé dans une atmosphère corrosive, un test de ferrite du métal fondu est recommandé. Une teneur en ferrite > 5 % suggère une possibilité de corrosion sélective en service de chlorure. Pour une meilleure résistance à la corrosion, la concentration de ferrite du métal fondu pour les soudures 316 à 316 doit être comprise entre 2 % et 5 %. En spécifiant des gaines à paroi mince-, les ingénieurs doivent demander au fabricant des dossiers de qualification de la méthode de soudage montrant des -micrographies en coupe transversale du profil de pénétration, la taille des grains de la-zone affectée par la chaleur et aucune preuve de brûlure-. Si un fournisseur hésite à fournir ces documents, il ne faut pas lui faire confiance pour fournir des radiateurs à paroi mince. Les dépenses liées à la requalification d'une méthode de soudage sont minimes par rapport au coût des défaillances sur le terrain dues à des fissures ou des fuites de soudure.