Pourquoi le pourcentage de ferrite dans les tubes de gaine chauffante en acier inoxydable 316 contrôle-t-il la susceptibilité à la fissuration à chaud pendant le soudage de la fermeture de l'embout

Rôle de la ferrite Delta dans la prévention des fissures de solidification

Dans le cas des tubes chauffants électriques gainés en acier inoxydable 316, l'opération de soudage de l'embout pour fermer le tube après mise en place du fil de résistance et de l'oxyde de magnésium nécessite un état métallurgique résistant à la fissuration à chaud lors de la solidification du bain de soudure. Le pourcentage de ferrite delta dans le métal de base 316 et le métal soudé, allant généralement de 0 % (entièrement austénitique) à 10 % (structure de type duplex-), est le facteur le plus important régissant la susceptibilité à la fissuration à chaud de la soudure. Le 316 entièrement austénitique (ferrite < 2 %) se solidifie avec des grains colonnaires grossiers qui piègent les impuretés à bas point de fusion (phosphore, soufre, silicium) aux joints de grains où ils forment des films liquides qui se fissurent sous les contraintes de contraction thermique. Le métal d'apport contenant 3-8 % de ferrite delta est solidifié en mode duplex (ferrite-austénite) pour produire un fin réseau tortueux de joints de grains qui distribue les impuretés et s'adapte aux contraintes de contraction sans se briser. Cet article évalue la corrélation entre la teneur en ferrite, l'intégrité du joint du capuchon d'extrémité et le taux de fissuration de la soudure et fournit des limites de spécifications pour les applications de soudage par réchauffeur.

Mécanisme de ferrite-Prévention des fissures induites

Lorsque le métal soudé en acier inoxydable 316 se solidifie, la première phase à se former à partir du liquide est la ferrite delta (corps -cubique centré) plutôt que l'austénite (face-cubique centrée), car la ferrite a une température de solidification plus élevée. Lors du refroidissement, la plus grande partie de la ferrite se transforme en austénite par une réaction à l'état solide bien qu'une petite quantité de ferrite (généralement 3-10 %) soit présente à température ambiante. Cette ferrite retenue a deux fonctions de prévention des fractures. Premièrement, la ferrite a une solubilité nettement plus élevée pour les contaminants tels que le phosphore et le soufre (jusqu'à 10 fois plus que l'austénite). Ces impuretés ne sont pas concentrées aux joints de grains d'austénite mais sont concentrées dans la phase ferrite éliminant ainsi les films liquides qui provoquent la fissuration par solidification. Deuxièmement, l'interface ferrite-austénite a une structure plus tortueuse qu'un joint de grain austénite-austénite, ce qui entrave la propagation des fissures. Pour le métal de base 316, la teneur en ferrite est fonction de la composition de l'alliage, notamment des équivalents chrome et nickel estimés à partir des diagrammes de Schaeffler ou DeLong. Une composition avec environ 20 équivalents chrome (Cr + Mo + 1.5×Si) et environ 12 équivalents nickel (Ni + 30×C + 0.5×Mn) donne une teneur en ferrite de 4 à 8 %, ce qui convient à la soudabilité. Si l'équivalent nickel est trop élevé par rapport au chrome, les soudures se solidifient de manière totalement austénitique (ferrite inférieure à 2 %) et sont très sensibles aux fissures.

Relation quantifiée entre le taux de fissuration des soudures et la teneur en ferrite

Des études de soudage contrôlées sur des tubes 316 pour les fermetures d'embouts de chauffage (GTAW autogène, sans métal d'apport, apport thermique de 0,5 à 1,0 kJ/mm) indiquent une association inverse claire entre la teneur en ferrite et l'incidence des fractures. Les tubes avec une composition en ferrite inférieure à 2 % (totalement austénitique) ont un taux de fissuration à chaud de plus de 30 % – environ une soudure sur trois révèle des fissures évidentes à un grossissement de 10 fois. Pour la ferrite comprise entre 2 et 3 %, la fissuration tombe à 10-15 %. La quantité de fissuration est réduite à 2 à 5 % pour une quantité de ferrite de 3 à 5 % . 5-8 %, ce qui correspond à la fissuration de la ferrite inférieure à 1 %. La ferrite au-dessus de 8 % donne encore peu de fissures mais le métal fondu devient magnétique et peut présenter une mauvaise résistance à la corrosion dans des conditions particulières en raison de l'attaque sélective de la phase ferrite. L'objectif réalisable pour le soudage des embouts de chauffage est de 4 à 8 % de ferrite dans le métal soudé. Cela nécessite souvent un métal de base contenant 3 à 6 % de ferrite, car la dilution du métal de base dans le bain de fusion (soudage autogène) donne lieu à une ferrite du métal de soudure légèrement inférieure à la ferrite du métal de base. Le tableau ci-dessous résume le lien entre la teneur en ferrite des métaux de base, la teneur en ferrite des métaux fondus, l'incidence des fissures à chaud et les applications recommandées.

Teneur en ferrite de métal de base (%) Teneur en ferrite de métal soudé (%) (GTAW autogène) Incidence de fissuration à chaud (%, visible 10 fois) Intégrité du joint d'étanchéité du capuchon d'extrémité Recommandé pour l'entretien du réchauffeur<1 <1 >40Très mauvais (taux de fuite élevé)Ne convient à aucun service
1-2 1-2 20-35 Médiocre (fuites souvent) Pour les applications sèches et non-sous pression uniquement
2-3 2-3 10-15 Marginal (inspection à 100 % requise)Eau, basse pression, sans chlorure
3-4 2.5-3.5 5-10 Utilisations industrielles générales, pression modérée Acceptable avec contrôle par ressuage
4-6 3-5 2-5 Bon (taux de fuite faible) La plupart des chauffe-eau 6-8 5-7<1 Excellent (extremely high reliability) Pressurised systems, chlorides, thermal cycling
8-12 7-10 <1 Excellent (although ferrite may be subject to selective corrosion) Acceptable but ferrite attack in acids to be watched 
Mesure de la teneur en ferrite dans les tubes et soudures 316

For buyers specifying 316 sheathed heaters, three methods confirm ferrite content in the base metal and weld metal. The first one is the magnetic induction measurement via ferritescope. Ferrite is ferromagnetic, austenite is not magnetic. A calibrated ferritescope provides direct ferrite percentage readings on the tube surface and across welds. For base metal, values under 2% indicate totally austenitic material with bad weldability. The second method is microstructure examination after etching with modified Murakami's reagent (potassium ferrocyanide + potassium hydroxide), which stains ferrite dark blue or brown while leaving austenite unaffected. The ferrite fraction is estimated by point count or image analysis according to ASTM E562. The third way is to use chemical analysis to determine the chromium and nickel equivalents and then use the DeLong diagram to forecast the amount of ferrite. For 316 a typical ferrite range is 3-7 %, but some heats (particularly high nickel heats, >13 % Ni) peut être inférieur à 2 %. Pour les applications de soudure critiques, les acheteurs doivent exiger une certification de la teneur en ferrite sur le certificat de l'usine pour chaque chaleur de tube.

Effet du métal d'apport sur la teneur en ferrite de la soudure

Dans les cas où les capuchons d'extrémité du réchauffeur sont soudés avec du métal d'apport (rare pour les gaines chauffantes de petit diamètre mais courant pour les assemblages à brides plus grands), la composition du métal d'apport peut contrôler la teneur en ferrite du métal soudé indépendamment du métal de base. La susceptibilité à la rupture peut être corrigée par la production d'une soudure avec 5-10 % de ferrite en utilisant le métal d'apport 308L (rapport chrome-/nickel plus élevé) pour une faible teneur en ferrite (inférieure à 3 %) du métal de base 316. Avec le métal de base 316L, le métal d’apport 316L donne généralement 4 à 8 % de ferrite. Un tel matériau ne doit pas être utilisé pour les fermetures soudées des radiateurs. Les métaux de base totalement austénitiques (par exemple l'acier inoxydable . 310 ou certaines températures élevées du nickel 316) ne peuvent utiliser aucun métal d'apport pour éviter complètement le risque de fissuration. La disponibilité de tubes avec une teneur vérifiée en ferrite de métal de base de 4 à 8 % élimine le besoin de métal d'apport et garantit l'uniformité des soudures pour les fabricants d'appareils de chauffage.

Signes sur le terrain de fissures à chaud dans les soudures des embouts de chauffage

La poudre d'oxyde de magnésium intérieure peut boucher temporairement des espaces mineurs dans une soudure d'embout fracturée pour les appareils de chauffage en service, de sorte qu'elle ne puisse pas fuir immédiatement. Les trois signes de terrain suggèrent néanmoins une fissuration des soudures. Le premier est une diminution constante de la résistance d’isolation électrique avec le temps, à mesure que l’humidité pénètre à travers les microfissures et mouille le MgO. La seconde est une tache ou une corrosion visible à proximité de la région de soudure lorsque l’appareil de chauffage est mis hors service. Le troisième est un sifflement lors du chauffage (pour les radiateurs à gaz-) ou un déclenchement occasionnel de la protection contre les défauts à la terre. Pour les nouveaux appareils de chauffage, un test d'assurance qualité simple consiste à pressuriser la gaine construite (mais pas encore remplie de MgO) avec de l'hélium à 0,5 MPa et à mesurer le taux de fuite avec un spectromètre de masse. Une bonne soudure aura un taux de fuite inférieur à 1x10 -7 mbar-L/sec. Pour les acheteurs, exiger que toutes les soudures des embouts passent un contrôle par ressuage à 100 % selon la section V de l'ASME, avec des critères d'acceptation sans indications linéaires, constitue une vérification pratique de la qualité.

Conclusion : spécification de la teneur en ferrite pour des soudures d'embouts fiables

La teneur en ferrite delta des tubes à gaine en acier inoxydable 316 contrôle directement la fissuration à chaud lors du soudage de la fermeture du capuchon d'extrémité. Avec moins de 3 % de ferrite dans le métal de base, le métal fondu se solidifie avec une structure complètement austénitique, qui emprisonne les impuretés aux joints de grains et se fissure à des taux supérieurs à 10-15 %. Un métal de soudure contenant 3 à 7 % de ferrite peut être obtenu en utilisant 4 à 8 % de ferrite de métal de base, ce qui réduit la fissuration à<2-5% and durable end cap seals for pressurised and corrosive use. Engineers specifying 316 sheathed heaters for any application requiring hermetic sealing, including water immersion, pressurised systems or corrosive environments, must require certification of ferrite content (minimum 4% by ferritescope) on the tubing mill certificate or specify that the manufacturer tests each heat before use. This paper outlines the basis for correlating ferrite % with measured rates of weld cracking so that purchasers may pick 316 sheath tubing that provides crack-free end cap welds, so avoiding the insidious failure mode of weld microcracking.