Soudage d'aciers résistants au fluage : importance du préchauffage, du PWHT et des matériaux d'apport appropriés

Les aciers résistants au fluage, également appelés aciers résistants à la chaleur, sont conçus pour des applications à haute température et à contrainte mécanique prolongée. Ils sont indispensables dans des installations telles que les générateurs de vapeur, les échangeurs de chaleur et les récipients sous pression. La soudabilité de ces aciers exige des connaissances approfondies en métallurgie, en contrôle des contraintes et en apport de chaleur. Si elle n'est pas effectuée correctement, la soudure peut entraîner des contraintes internes, des microstructures fragiles, des fissures à chaud, des fissures dues à l'hydrogène et une résistance au fluage réduite. C'est pourquoi le préchauffage et le PWHT ne sont pas des étapes facultatives, mais fondamentales pour obtenir un assemblage fiable.

Qu'est-ce que l'acier résistant au fluage et pourquoi est-il utilisé ?

Comment fonctionne le fluage dans l'acier à haute température ?

Lorsque l'acier est exposé pendant une longue période à une contrainte mécanique constante et à une température élevée, il présente un allongement lent, même si cette contrainte est inférieure à la limite d'élasticité. Le fluage devient pertinent à des températures supérieures à environ 0,4 fois la température de fusion du matériau en Kelvin. Pour l'acier, cela se produit généralement au-dessus de 400 °C. Par exemple, un tuyau en acier dans une centrale électrique soumis à une pression constante et à une température de fonctionnement de 600 °C se déformera lentement, même si la contrainte reste constante.

Acier résistant au fluage

Les aciers résistants au fluage sont également appelés matériaux résistants à la chaleur. Les aciers résistants au fluage sont des aciers alliés qui conservent leur résistance à haute température pendant une longue période. Ces aciers se caractérisent par leur haute résistance à la traction, combinée à une haute résistance au fluage et une haute ténacité, même à température élevée. À titre de comparaison, l'acier non allié n'est utilisable « que » jusqu'à environ 350 °C, tandis que les aciers CrMo(Ni) fortement alliés au vanadium sont utilisables jusqu'à environ 650 °C (selon l'alliage).

Caractéristiques et composition des aciers résistants au fluage

Les éléments qui augmentent la résistance au fluage sont le carbone, le chrome, le molybdène, le vanadium et le titane. Plus la teneur en chrome et en molybdène est élevée, plus la température à laquelle les aciers peuvent être utilisés est élevée.

Exemples :

16Mo3 : acier simple à 0,5 % de Mo jusqu'à 530 °C

13CrMo4-5 / 10CrMo9-10 : pour des installations jusqu'à 560 - 600 °C

X10CrMoVNb9-1 (P91) : jusqu'à 620 - 650 °C

Acier	C (%)	Cr (%)	Mo (%)	V (%)	Nb (%)	Charge Rupt. (MPa)	Limite Elast. (MPa)	Temp Max. (°C)
16Mo3	0.12 - 0.20	-	0.25 - 0.35	-	-	450 - 600	≥ 280	530°C
13CrMo4-5 (p11)	0.08 - .018	0.70 - 1.15	0.40 - 0.60	-	-	440 - 590	≥ 290	570°C
10CrMo9-10 (p22)	0.08 - 0.14	2.00 - 2.50	0.90 - 1.10	-	-	510 - 670	300 - 450	600°C
X10CrMoVnB9-1 (p91)	0.08 - 0.12	8.00 - 9.50	0.85 - 1.05	0.18 - 0.25	0.06 - 0.10	620 - 850	≥ 450	620 - 650°C

Classification des matériaux selon ISO 15608 et ASME IX

ISO 15608

Groupe	Description	Types
1.1	C-Mo (0.5Mo)	16Mo3
5.1	Acier CrMo: 0.75% ≤ Cr ≤ 1.5%, Mo ≤ 0.7% (1.25Cr - 0.5Mo)	13CrMo4-5
5.2	Acier CrMo: 1.5% < Cr ≤ 3.5%, 0.7 % < Mo ≤ 1.2% (2.25Cr - 1.0Mo)	10CrMo9-10
6.4	Martensitique: 7.0% < Cr ≤ 12.5%, 0.7% < Mo ≤ 1.2%, V ≤ 0.35% (acier 9 - 12% Cr)	X10CrMoVNb9-1

ASME Section IX (P-Numbers)

P-No.	description	Types
4	1.25Cr – 0.5Mo	SA-182 F11 CL1 SA 213 T11 SA-335 P11
5A	2.25Cr – 1Mo	SA-182 F22 CL1 SA-213 T22 SA-335 P22
5B	5-9Cr – 0.5Mo	SA-182 F5 & F9 SA-213 T5 & T9 SA-335 P5 & P9
15E	9Cr-1Mo-V	SA-335 P91

L'importance du préchauffage pour les aciers résistants au fluage

Le préchauffage est essentiel lors du soudage d'aciers résistants au fluage pour plusieurs raisons :

Verlagen van de afkoelsnelheid

Door het basismateriaal op te warmen vóór het lassen, voorkom je dat het smeltbad en basismateriaal te snel afkoelt. Een langzame afkoeling geeft minder kans op:
•    Martensietvorming (hard en bros)
•    Restspanningen
•    waterstof scheuren (Koud scheuren)

Waterstofdiffusie bevorderen

Waterstof, afkomstig van vocht in lastoevoegmateriaal, beschermgas of basismateriaal kan grote problemen veroorzaken. Bij lage temperaturen kan deze zich insluiten in de HAZ (heat-affected zone) waardoor de kristalstructuur zal veranderen en mogelijk scheuren veroorzaken. Voorverwarmen versnelt de diffusie van waterstof uit het lasmetaal vóórdat het schadelijke microstructuren (zoals martensiet) vormt.

Gelijkmatige warmteverdeling

Bij constructies met grote wanddiktes zorgt voorverwarmen ervoor dat er geen grote temperatuurverschillen ontstaan tussen het koude basismateriaal en het warme lasmateriaal. Zonder voorverwarming zou het basismateriaal de warmte van het lasmetaal te snel opnemen, wat kan leiden tot inwendige spanningen en vervormingen in het materiaal

Préchauffage d'un assemblage soudé de grade P91

Pourquoi le PWHT (traitement thermique après soudage) est-il crucial ?

Le traitement thermique après soudage (PWHT) de l'acier résistant au fluage est nécessaire pour plusieurs raisons liées aux propriétés mécaniques et métallurgiques du matériau après soudage. Le PWHT est essentiel pour les aciers résistants au fluage pour les raisons suivantes :

Verlagen van restspanningen

Tijdens het lassen ontstaat thermische uitzetting en krimp, wat leidt tot restspanningen. Als vloeibaar lasmetaal gaat stollen dan zal het krimpen met restspanningen tot gevolg. PWHT verlaagt deze restspanningen.

Microstructuurherstel

Kruipvast staal heeft een speciaal ontworpen microstructuur (vaak ferritisch-perlitisch, bainitisch of martensitisch) die kruipweerstand biedt bij hoge temperatuur. Lassen verstoort deze microstructuur, vooral in de warmte-beïnvloede zone (HAZ). Martensitisch staal, zoals P91, bevat na het lassen een hard en bros lasmetaal en in de HAZ. PWHT zorgt voor omzetting van martensiet naar getemperde martensiet, met fijne carbiden langs de korrelgrenzen. Dit verhoogt de kruipweerstand en ductiliteit.

Verbetering van kruip- en vermoeiingsbestendigheid

Zonder PWHT is het risico groot dat het gelaste onderdeel voortijdig faalt tijdens langdurige blootstelling aan hoge temperaturen en spanningen. PWHT stimuleert de vorming van stabiele carbiden die de staalstructuur op lange termijn stabiliseren en kruipweerstand verhogen.

Exemple de diagramme PWHT pour le grade P91

Procédés de soudage et matériaux d'apport

Procédés de soudage couramment utilisés :

SG CrMo1 Tig welding wire for creep resistant CrMo1 steel

GTAW:
grondlagen, lage diffusie van waterstof

GMAW:
grondlagen en vullagen

AA M CrMo1 seamless metalcored welding wire for creep resisting steels P11-P12

FCAW:
productielassen in positie

CrMo1 type welding electrode for heat and creep resistant steel E 8018-B2

SMAW:
Robuust, veldwerk

Importance des matériaux d'apport de soudage adaptés pour l'acier résistant au fluage

Le choix d'un métal d'apport pour le soudage d'aciers résistants au fluage est crucial pour garantir les propriétés mécaniques et la résistance au fluage du joint soudé. Ce choix repose sur plusieurs critères importants :

Samenstelling van het basismateriaal

• Het lastoevoegmateriaal moet chemisch compatibel zijn met het basismateriaal.
• Vaak wordt een toevoegmateriaal gekozen met iets hogere legeringselementen om de gewenste sterkte en kruipvastheid te behouden na het lassen.

Bedrijfstemperatuur

•    Bij hoge temperaturen moet het lastoevoegmateriaal bestand zijn tegen kruipvervorming.
•    Materiaal moet bestand zijn tegen temperatuursveroudering en oxidatie.
•    Typische werktemperaturen zijn vaak >450°C, en soms tot 600–650°C.

Mechanische eigenschappen na lassen

• Rekgrens, treksterkte en kruipsterkte moeten overeenkomen met of iets hoger liggen dan die van het basismateriaal.
• vermoeiingssterkte en taaiheid moeten, vooral bij overgangszones, voldoende zijn.

Warmtebehandeling

• De meeste toevoegmaterialen vereisen een Post Weld Heat Treatment (PWHT) om spanningen te verminderen en structuur te normaliseren.
• Het toevoegmateriaal moet goed reageren op deze behandeling zonder bros te worden.

Materiaux de base	GTAW	GMAW	FCAW	SMAW
16Mo3 / P1	CEWELD SG Mo Tig CEWELD ER80S-D2 Tig	CEWELD SG Mo	CEWELD AA R Mo	CEWELD E 7018-A1
13CrMo4-5 / P11	CEWELD SG CrMo1 Tig CEWELD ER 80S-B2 Tig	CEWELD SG CrMo1 CEWELD ER 80S-B2	CEWELD AA R CrMo1	CEWELD E 8018-B2
10CrMo9-10 / P22	CEWELD SG CrMo2 Tig CEWELD ER 90S-B3 Tig	CEWELD SG CrMo2 CEWELD ER 90S-B3	CEWELD AA B CrMo2	CEWELD E 9018-B3
X10CrMoVNb9-1 / P91	CEWELD ER90S-B9 (P91) Tig	CEWELD ER90S-B9 (P91)	CEWELD AA 90S-B9	CEWELD E 9018-B9

Important : Utilisez toujours des matériaux de remplissage adaptés. Un mauvais choix de matériaux peut entraîner des différences de résistance au fluage, et donc des concentrations de contraintes, susceptibles de provoquer des fissures dans la zone de concentration thermique.

Example-of-heat-affected-zone-cracking-attributed-to-type-IV-failure-mechanism-in-a-CrMoV

Exemple de fissures dans la zone affectée thermiquement (ZAT) d'une soudure CrMoV réalisée avec un métal d'apport 2,25Cr-1Mo.
(A) Vue macroscopique de la fissure
(B) Vue microscopique de l'emplacement de la fissure (hors de la même soudure)
(C) Exemple de structure dans la ZAT

Gjerde, M. (2018). Concevoir avec la lumière naturelle urbaine : un programme social. Lighting Research & Technology, 50(3), 366–380. https://doi.org/10.1080/09506608.2017.1410943

Directives de préchauffage et de traitement thermique sous vide par nuance d'acier

Materiaux	Préchauffage (°C)	T entre passes (°C)	PWHT (°C)	Temps de maintien (min/mm) Minimum 30 minutes
16Mo3 / P1	100 - 150	<250	580 - 620	2 min/mm
13CrMo4-5 / P11	150 - 200	<300	630 - 700	2 min/mm
10CrMo9-10 / P22	200 - 250	<300	660 - 700	4 min/mm
X10CrMoVNb9-1 / P91	200 - 250	<300	740 - 780	4 min/mm

Remarque :

Un refroidissement trop rapide après le soudage des soudures P91 produit de la martensite non revenue et entraîne une fragilité.

Sans un traitement thermique sous-optimal (PWHT) rapide, des précipités sous-optimaux se forment, dégradant gravement les propriétés mécaniques à long terme, telles que la résistance au fluage.

Erreurs courantes et leurs conséquences en soudage

Cause	Conséquence
Pas de préchauffage	Fissures d'hydrogène, zone dangereuse dure
PWHT absent ou trop court	Fragilisation, fissuration par fluage
Température entre passes trop élevée	Structure à gros grains, perte de résistance au fluage
Mauvais choix de métal d'apport	Fissures dans HAZ
Refroidissement trop rapide	Le matériau reste martensitique, ce qui entraîne une fragilité.

Résumé : Considérations clés lors du soudage des aciers résistants au fluage

• Le préchauffage prévient la fissuration et améliore la diffusion de l'hydrogène.
• Le traitement thermique sous vide (PWHT) est essentiel pour la détente des contraintes et la stabilisation métallurgique.
• Utiliser un métal d'apport adapté, équivalent au matériau de base.
• Contrôler les températures entre passes pour éviter les zones à gros grains.