WO2006013242A1

WO2006013242A1 - Objet comprenant une partie en acier de construction metallique, cette partie comportant une zone soudee a l’aide d’un faisceau a haute densite d’energie et presentant une excellente tenacite dans la zone fondue ; metode de fabrication de cet objet

Info

Publication number: WO2006013242A1
Application number: PCT/FR2005/001543
Authority: WO
Inventors: Dominique Kaplan
Original assignee: USINOR SA; Arcelor France SA
Current assignee: USINOR SA; ArcelorMittal France SA
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2007-01-05
Also published as: CN1989268A; FR2872442A1; CA2572869A1; BRPI0512996A; FR2872442B1; WO2006013242A9; US20080302450A1; EP1778886A1

Abstract

L'invention décrit un objet comprenant au moins une partie en acier dont la composition comprend, les teneurs étant exprimées en poids, du carbone en teneur comprise entre 0,005 et 0,27 %, du manganèse entre 0,5 et 1,6 %, du silicium entre 0,1 et 0,4 %, du chrome en teneur inférieure à 2,5 %, du Mo en teneur inférieure à 1 %, éventuellement un ou plusieurs éléments choisis parmi le nickel, le cuivre, l'aluminium, le niobium, le vanadium, le titane, le bore, le zirconium, l'azote, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, ladite partie en acier comportant au moins une zone soudée par faisceau à haute densité d'énergie, caractérisé en ce que ladite zone soudée présente une microstructure constituée de 60 à 75 % de martensite auto-revenue et, en complément, de 40 à 25 % de bainite inférieure, et préférentiellement 60 à 70 % de martensite auto-revenue et, en complément, de 40 à 30 % de bainite inférieure.

Description

OBJET COMPRENANT UNE PARTIE EN ACIER DE CONSTRUCTION METALLIQUE , CETTE PARTIE COMPORTANT UNE ZONE SOUDEE A L ' AIDE D ' UN FAISCEAU A HAUTE DENSITE D ' ENERGIE ET PRESENTANT UNE EXELLENTE TENACITE DANS LA ZONE FONDUE ,- METHODE DE FABRICATION DE CET OBJET

La présente invention concerne les constructions métalliques en acier souciées par faisceau à haute densité d'énergie, et plus particulièrement

10 celles où un niveau de ténacité minimal est requis dans la zone fondue afin de se prémunir du risque de rupture brutale.

L'assemblage par faisceau à haute densité d'énergie, tel que Ie LASER ou le faisceau d'électrons, de tôles d'acier laminées à chaud et de plaques s'est particulièrement développé au cours de ces vingt dernières années en raison

15 de certaines caractéristiques spécifiques : on mentionnera par exemple les très faibles déformations des assemblages, la grande précision de positionnement du faisceau et la possibilité de ne fondre que la quantité de matière strictement nécessaire, l'aspect des cordons ne nécessitant pas de parachèvement, et la possibilité de s'affranchir de traitements de détente.

20 Parmi les domaines d'applications de ces procédés, on citera notamment la construction navale, les matériels de travaux publics, l'automobile, les tubes pour le transport de gaz naturel, de pétrole brut. Pour certaines applications, en particulier celles dont les épaisseurs, les limites d'élasticité mises en jeu ou les contraintes de service sont les plus importantes, on exige des

25 garanties de ténacité de façon à se prémunir du risque de rupture brutale.

Cette éventualité est d'autant plus à prendre en compte que l'assemblage par faisceau à haute densité d'énergie peut générer des défauts tels que microporosités ou retassures susceptibles d'amorcer une rupture fragile. Il convient donc que les zones soudées présentent la ténacité la plus élevée possible

30 pour se prémunir de tout risque.

Différentes méthodes ont été proposées afin d'obtenir une ténacité élevée dans la zone fondue : Se fondant sur la constatation que des structures tenaces de ferrite aciculaire sont obtenues par germination sur des inclusions non-métalliques, on a cherché à introduire ce type de particules

35 dans la zone fondue, par exemple au moyen d'un dépôt préalable, comme l'indique le document JP n°2000288754. Cette méthode présente cependant différents inconvénients : la dispersion des oxydes au sein de la zone fondue peut ne pas être uniforme, ce qui conduit à une dispersion des propriétés mécaniques au sein de cette zone. De plus, l'augmentation de la fraction inclusionnaire se traduit par une baisse du niveau ductile.

Dans le même but, on a également cherché à contrôler le rapport entre les teneurs en aluminium et en oxygène de façon à favoriser la formation d'inclusions de nature favorable à la germination de ferrite aciculaire. Partant d'acier calmé aluminium, cette méthode nécessite cependant une augmentation de la teneur en oxygène dans la zone fondue, ce qui conduit aux inconvénients ci-dessus. De plus, en soudage LASER, les conditions cinétiques de la formation de ces structures de ferrite aciculaire souhaitées ne sont pas nécessairement compatibles avec les impératifs de productivité et donc de vitesse de refroidissement après soudage.

On a également proposé d'accroître la ténacité des zones fondues par une addition de nickel (élément gammagène abaissant la température de transformation γ-α), ou d'alliage de nickel, de façon à ce que la teneur pondérale de la zone fondue en cet élément soit comprise entre 0,5 et quelques pour cents. Le document US n°4527040 décrit par exemple l'apport d'un alliage de nickel sous forme d'insert de 0,1 mm d'épaisseur avant assemblage par LASER. Cette méthode accroît cependant les difficultés de positionnement du faisceau par rapport au plan de joint et les risques d'apparition de défauts, éventuellement de corrosion.

Il existe donc un besoin de disposer d'assemblages d'aciers soudés avec des procédés à haute densité d'énergie, qui présentent toute garantie de ténacité en zone fondue, sans dispersion excessive des caractéristiques mécaniques, et de disposer d'une méthode de fabrication économique de ces assemblages ne comportant pas les inconvénients évoqués ci-dessus.

La présente invention a pour but de mettre à disposition de tels assemblages soudés et une méthode pour obtenir de tels assemblages à partir d'aciers de construction métallique.

A cet effet, un premier objet de l'invention est constitué par un objet comprenant au moins une partie en acier dont la composition comprend, les teneurs étant exprimées en poids, du carbone en teneur comprise entre 0,005 et 0,27%, du manganèse entre 0,5 et 1 ,6%, du silicium entre 0,1 et 0,4%, du chrome en teneur inférieure à 2,5%, du Mo en teneur inférieure à 1%, éventuellement un ou plusieurs éléments choisis parmi le nickel, le cuivre, l'aluminium, le niobium, le vanadium, le titane, le bore, le zirconium, l'azote, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. La partie en acier comporte au moins une zone fondue par faisceau à haute densité d'énergie avec une microstructure constituée de 60 à 75% de martensite auto-revenue et, en complément, de 40 à 25% de bainite inférieure, et préférentiellement 60 à 70% de martensite auto-revenue et, en complément, de 40 à 30% de bainite inférieure.

Avantageusement, l'objet est un tube en acier comprenant au moins un tronçon présentant une zone soudée dans le sens longitudinal ou transverse. Avantageusement encore, l'objet est constitué d'au moins deux tôles laminées ou forgées à chaud d'acier de composition identique ou différente, d'épaisseur identique ou différente, soudées entre elles.

Préférentiellement, le faisceau à haute densité d'énergie est un faisceau

LASER.

Préférentiellement encore, le faisceau à haute densité d'énergie est un faisceau d'électrons.

L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un des objets précédents, comprenant les étapes consistant à :

- approvisionner un objet comprenant au moins une partie en acier dont la composition comprend les teneurs étant exprimées en poids, du carbone en teneur comprise entre 0,005 et 0,27%, du manganèse entre 0,5 et 1 ,6%, du silicium entre 0,1 et 0,4%, du chrome en teneur inférieure à 2,5%, du Mo en teneur inférieure à 1%, éventuellement un ou plusieurs éléments choisis parmi le nickel, le cuivre, l'aluminium, le niobium, le vanadium, le titane, le bore, le zirconium, l'azote, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration,

- souder par un procédé à haute densité d'énergie la partie en acier avec une pièce d'acier de composition identique ou différente, faisant déjà partie ou non de l'objet,

- la puissance de soudage, la vitesse de soudage, les moyens d'un éventuel pré ou post-chauffage ou de refroidissement, étant choisis de telle sorte que l'on obtienne une zone fondue avec une microstructure constituée de 60 à 75% de martensite auto-revenue et , en complément, de 40 à 25% de bainite inférieure, préférentiellement 60 à 70% de martensite auto-revenue et , en complément, de 40 à 30% de bainite inférieure.

- Selon une caractéristique du procédé, la teneur en azote de la zone fondue est inférieure ou égale à 0,020%, la puissance de soudage, la vitesse de soudage, les moyens d'un éventuel pré ou post-chauffage ou de refroidissement, sont choisis de telle sorte que la zone fondue refroidisse selon un paramètre Δ/₅ ⁸ ₀°₀° tel que :

Δt_B exp °'^{75 Ln} < ^{ΔtB/ Δt M)} <( fa™ )≤ Δt_B exp^" °'^{6 Ln} < ^{ΔtB/ Δt M}>

et préférentiellement : Δt_B exp- °-^{7 Ln ( ΔtB/ Δt M)} <( fa™ )< Δt_B exp °-^{6 Ln ( ΔtB/ Δt M)} Δt₅ ⁸oo exprimé en secondes désignant le temps s'écoulant entre la température de 800⁰C et la température de 500⁰C lors du refroidissement après soudage de ladite zone soudée,

avec : Δt_B= exp ⁽⁶-^{2 CE II + 0}'⁷⁴⁾,

Δt_M= exp ⁽¹⁰-^{6 CE |} -⁴-⁸>

CE, = C+Mn/6+ Si/24 +Mo/4+ Ni/12+ Cu/15+ (Cr(1-0,16-v/Cr )/8)+f(B)

CE,, = C+Mn/3,6+ Cu/20 +Ni/9+ Cr/5+ Mo/4,

Avec : f(B)=O, si B<0,0001 %

f(B)= (0,03-1 ,5N) si 0,0001 %<B<0,00025%

f(B)=(0,06-3N) si 0,00025%<B<0,0004%

f(B)=(0,09-4,5N) si B≥0,0004%,

C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B et N désignant respectivement les teneurs en carbone, manganèse, silicium, molybdène, nickel, cuivre, chrome, bore et azote, exprimées en pourcentage pondéral, de ladite zone fondue.

Selon une autre caractéristique du procédé, le soudage est effectué par faisceau LASER d'une manière homogène et autogène, la teneur en azote de l'acier est inférieure ou égale à 0,020%, et la puissance de soudage, la vitesse de soudage, les moyens d'un éventuel pré ou post- chauffage ou de refroidissement, sont choisis de telle sorte que la zone fondue refroidisse selon un paramètre At^ tel que :

Δt_B exp- °'^{75 Ln ( ΔtB/ Δt M)} <( fa™ )^{≤ Δt}B ^eχP^" °'^{6 Ln ( AtB/ Δt M)}

et préférentiellement : Δt_B exp^" °-^{7 Ln ( ΔtB/ Δt M)} <( fa™ )< Δt_B exp^" °'^{6 Ln ( ΔtB/ Δt M)} At™ , exprimé en secondes, désignant le temps s'écoulant entre 800 et

500⁰C lors du refroidissement après soudage de la zone fondue, avec : Δt_B= exp <^{6 2 CE} » ⁺ °-⁷⁴>,

Δt_M= exp ⁽¹⁰-^{6 CE l} -⁴'⁸>

CE, = C+Mn/6+ Si/24 +Mo/4+ Ni/12+ Cu/15+ (Cr(1-0,16VCr )/8)+f(B)

CE₁, = C+Mn/3,6+ Cu/20 +Ni/9+ Cr/5+ Mo/4,

avec : f(B)=O, si B<0,0001 %

f(B)= (0,03-1 ,5N) si 0,0001 %<B<0,00025%

f(B)=(0,06-3N) si 0,00025%<B<0,0004%

f(B)=(0,09-4,5N) si B>0,0004%, C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B, N désignant respectivement les teneurs en carbone, manganèse, silicium, molybdène, nickel, cuivre, chrome, bore et azote, exprimées en pourcentage pondéral, de l'acier soudé.

Selon une autre caractéristique du procédé, le soudage est effectué par faisceau d'électrons d'une manière autogène et homogène, la teneur en azote de l'acier est inférieure ou égale à 0,022%, la puissance de soudage, la vitesse de soudage, les moyens d'un éventuel pré ou post-chauffage ou de refroidissement, sont choisis de telle sorte que la zone fondue par le faisceau d'électrons refroidisse selon un paramètre At^ tel que :

Δt_B exp- ⁰-^{75 Ln ( ΔfB/ Δt M)} <(Δθ^≤ Δt_B exp- °-^{6 Lπ} <^{ΔtB/ Λt M)}

et préférentiellement : Δt_B exp^{" 0J Ln ( ΔtB/ Δt M}> <( fa™ )< Δt_B exp °'^{6 Ln ( ΔtB/ Δt M}> Δt₅ ⁸°o , exprimé en secondes, désignant le temps s'écoulant entre 800 et

500⁰C lors du refroidissement après soudage de ladite zone fondue, avec : Δt_B= exp <⁶-^{2 CE} » ⁺ °^>74\

Δt_M= exp ⁽¹⁰'^{6 CE |} -⁴'⁸⁾

CE, = C+Mn/6,67+ Si/24 +Mo/4+ Ni/12+ Cu/15+ (Cr(I-0, 16-VCr )/8)+f(B)

CE,, = C+Mn/4+ Cu/20 +Ni/9+ Cr/5+ Mo/4,

Avec : f(B)=O, si B<0,0001 %

f(B)= (0,03-1 ,35N) si 0,0001 %<B<0,00025%

f(B)=(0,06-2,7N) si 0,00025%<B<0,0004%

f(B)=(0,09-4,05N) si B≥O.0004%,

C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B, N désignant respectivement les teneurs en carbone, manganèse, silicium, molybdène, nickel, cuivre chrome, bore, et azote, exprimées en pourcentage pondéral, de l'acier soudé.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, on soude la partie en acier avec une pièce d'acier de composition identique ou différente, d'épaisseur identique ou différente, faisant partie ou non dudit objet, en utilisant un produit d'apport métallique

L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise, mais non limitative, en se rapportant aux figures annexées dans lesquelles :

- La figure 1 illustre la comparaison de la dureté de la Zone Affectée par la Chaleur avec celle de la zone fondue en soudage LASER et en soudage par faisceau d'électrons d'aciers de construction métallique.

- La figure 2 présente la comparaison de la température de transition Charpy V au niveau 28 Joules (TK₂Sj) de la Zone Affectée par la chaleur avec celle de la zone fondue en soudage LASER et par faisceau d'électrons d'aciers de construction métallique. - La figure 3 illustre une évolution typique de la température de transition ductile-fragile et de la dureté en Zone Affectée par la Chaleur d'un acier de construction métallique, en fonction de la vitesse de refroidissement.

- Les figures 4 et 5 illustrent l'influence de la quantité de martensite autorevenue sur la ténacité en zone fondue en soudage LASER et en soudage par faisceau d'électrons respectivement.

La figure 6 indique la modification de la teneur en azote dans la zone fondue par rapport à celle du métal de base lors du soudage par faisceau d'électrons.

Dans les assemblages obtenus par soudage LASER ou par faisceau d'électrons, la partie soudée est constituée de deux zones distinctes :

- La zone fondue, qui correspond à une zone passée par l'état liquide lors du soudage, c'est à dire celle où la température a été supérieure à celle du liquidus du matériau soudé.

- La Zone Affectée par la Chaleur (ou « ZAC »), qui peut englober au sens large toutes les zones ayant subi une transformation allotropique lors du soudage. Par la suite, on réservera ici ce terme de ZAC aux parties de l'assemblage demeurant à l'état solide portées aux plus hautes températures lors du soudage qui sont le siège d'un grossissement plus important du grain austénitique. Ces zones, très souvent les plus critiques du point de vue de la ténacité, correspondent à des températures maximales supérieures à 1200- 1300⁰C.

En se plaçant dans le cas d'un soudage autogène (c'est à dire sans matériau d'apport) et homogène (soudure effectuée entre deux parties ayant une composition chimique identique), on a mis en évidence pour une large gamme de compositions d'aciers de construction métallique, de teneur en carbone allant de 0,005% C à 0,27%C en poids, en manganèse allant de 0,5 à 1 ,6%, en Si allant de 0,1 à 0,4%, en Cr jusqu'à 2,5%, en Mo jusqu'à 1% que les propriétés mécaniques de la zone fondue et de la ZAC sont très voisines : Ainsi, la figure 1 indique que la dureté en soudage LASER et en soudage par faisceau d'électrons, sont très similaires dans ces deux zones. Cette similarité s'applique également aux propriétés de ténacité, comme le montre la figure 2, qui compare la température de transition Charpy V au niveau 28 Joules de la Zone Affectée par la chaleur avec celle de la zone fondue pour les deux types de soudage utilisant des faisceaux à haute densité d'énergie. Les microstructures de ces deux zones sont elles aussi très semblables. En d'autres termes, sous réserve que leur composition soit similaire, la zone fondue à haute densité d'énergie peut être assimilable à une ZAC de grande largeur du point de vue des propriétés mécaniques. Ceci indique que les moyens d'amélioration de la ténacité en zone fondue LASER peuvent se baser sur l'expérience acquise antérieurement dans le domaine des ZAC. A ce titre, la figure 3 présente un exemple typique de l'évolution de la dureté et de la température de transition ductile-fragile de la ZAC d'un acier de construction métallique à 0,04%C, 1 ,3%Mn en fonction de la vitesse de refroidissement après soudage. Cette vitesse est ici caractérisée par A/°°_o , paramètre qui désigne le temps qui s'écoule entre le passage à la température de 800⁰C et à la température de 500⁰C lors du refroidissement en soudage. Il existe une plage de vitesse de refroidissement (située pour cette composition d'acier vers ^₅₀₀ »1-2s), pour laquelle la ténacité est optimale. Pour des vitesses de refroidissement beaucoup plus rapides, on assiste à la formation de martensite non revenue (« fresh martensite »), dont les propriétés sont inférieures. A l'opposé, une diminution de la vitesse de refroidissement aboutit à la formation de bainite supérieure ou de structures ferritiques grossières, également moins tenaces. Les microstructures correspondant à l'optimum de ténacité sont constituées pour partie de martensite auto-revenue, le revenu étant dû au cycle de soudage lui-même, et pour partie de bainite inférieure. La structure auto-revenue est caractérisée par la présence de fins carbures précipités dans les lattes de martensite. Ces structures optimales du point de vue de la ténacité se situent vers la fin du domaine d'apparition martensitique, c'est à dire correspondent au début de la diminution de la dureté à partir d'un « plateau » sensiblement horizontal correspondant à la dureté de la martensite, lorsque ^₅₀₀ augmente.

Selon l'invention, on a mis en évidence, comme le montre la figure 4, qu'une proportion de martensite autorevenue comprise entre 60 et 75 %, associée en complément à une proportion de bainite inférieure comprise entre 40 et 25%, conduit à obtenir une excellente ténacité en zone fondue LASER. Lorsque la proportion de martensite est plus spécialement comprise entre 60 et 70% associée en complément à une proportion de bainite inférieure comprise entre 40 et 30%, la température de transition est inférieure à - 100⁰C, ce qui traduit un niveau de ténacité particulièrement élevé.

Une conclusion similaire peut être tirée de la figure 5, relative à des essais de soudage par faisceau d'électrons sur des aciers de construction métallique dont la teneur en carbone est comprise entre 0,1 et 0,17%. Une proportion de 60 à 75% de martensite auto-revenue et, en complément, de 40 à 25% de bainite inférieure, est donc particulièrement favorable pour l'obtention de zones fondues d'excellente ténacité en soudage à haute densité d'énergie. A composition d'acier donnée, parmi les différentes variables d'assemblage en soudage à haute densité d'énergie (puissance et vitesse de soudage, éventuel pré ou post-chauffage ou moyens de refroidissement), on choisira celles qui conduisent à une proportion de 60 à 75% de martensite en zone fondue, et préférentiellement de 60 à 70% , associée à un complément adéquat de bainite inférieure. Les relations entre la vitesse de refroidissement en soudage et la fraction de martensite vont être explicitées maintenant, en tenant compte de la similitude entre la ZAC et la zone fondue dans l'assemblage à haute densité d'énergie :

Dans le domaine des zones affectées par la chaleur, il est connu d'après la publication de « Métal Construction », avril 1987, pp. 217-223, que la proportion de martensite peut être évaluée par les expressions suivantes :

log— f

Fraction martensitique f_M= ^

te_r

log- ou, de manière équivalente :

^M)

avec :

At _f5 ⁸8_Q0_O0

f500 = Temps s'écoulant entre 800 et 500⁰C lors du refroidissement de la zone soudée après soudage,

Δt_M= Temps de refroidissement critique conduisant à 100% de martensite, Δt_B= Temps de refroidissement critique conduisant à 100% de bainite.

log et Ln désignant respectivement les logarithmes décimaux et Népériens Cette expression s'applique lorsque : Δtwi≤Δt⁸™ < Δt_B

Les temps critiques de refroidissement sont reliés à la composition chimique par les expressions suivantes :

Δt_B= exp <⁶-^{2 CE Il + 0}'⁷⁴⁾,

Δt_M= exp ⁽¹⁰-^{6 CE l} -⁴-⁸⁾ .

avec :

CE, = C+Mn/6+ Si/24 +Mo/4+ Ni/12+ Cu/15+ (Cr(1-0,16VCr )/8)+f(B)

CE,, = C+Mn/3,6+ Cu/20 +NÎ/9+ Cr/5+ Mo/4,

Avec : f(B)=O, si B<0,0001 % f(B)= (0,03-1 ,5N) si 0,0001 %<B<0,00025%

f(B)=(0,06-3N) si 0,00025%<B<0,0004%

f(B)=(0,09-4,5N) si B>0,0004%,

ces expressions supposant que f(B)>0, c'est à dire que N≤0,020%.

C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B et N désignent respectivement les teneurs en carbone, manganèse, silicium, molybdène, nickel, cuivre, chrome, bore et azote, exprimées en pourcentage pondéral, de l'acier.

Or, comme on l'a montré précédemment, la similarité de la ZAC et de la zone fondue en soudage homogène et autogène à haute densité d'énergie indique que les formulations précédentes valables pour la ZAC sont également applicables à la zone fondue.

Selon l'invention, dans la zone fondue, une teneur en martensite comprise entre 60 et 75%, préférentiellement entre 60 et 70%, associée à un complément en bainite inférieure conduit à obtenir une excellente ténacité. Ceci est obtenu si le paramètre de refroidissement obéit à l'expression suivante :

Δt_B exp^" °-^{75 Ln ( ΔtB/ Δt M)} <( ΔC_o )^{≤ Δt}B ^eχP^" °'^{6 Ln ( ΔtB/ M M)}

et de préférence :

Δte exp- ^{α7 Ln ( ΔtB/ Δt M)} <(

)^{≤ Δt}B ^eχP^" °^{'6 Ln ( ΔtB/ At M)}

Selon le procédé à haute densité d'énergie utilisé, deux cas sont à distinguer :

- Dans le cas de soudage LASER homogène et autogène, la composition de la zone fondue est pratiquement identique à celle du métal de base. Les expressions mentionnées ci-dessus, relatives à la composition élémentaire de la zone fondue, s'appliquent également à la composition du métal de base, c'est à dire à la composition de l'acier à partir duquel on réalise l'assemblage.

- Dans le cas de soudage par faisceau d'électrons homogène et autogène, on a observé une modification de la composition de la zone fondue par rapport au métal de base : La teneur en azote est abaissée en moyenne d'environ 10%, comme l'indique la figure 6, par la suite de la faible pression partielle au-dessus du métal liquide. D'autre part, on observe également une réduction moyenne de 10% de la teneur initiale du manganèse, élément possédant une tension de vapeur élevée. A partir des teneurs initiales en N et en Mn dans le métal de base, les teneurs en

N et en Mn dans la zone fondue sont respectivement égales à 0,9C et 0,9Mn. Dans ces conditions, les expressions précédentes deviennent - Δt_B= exp ⁽⁶-^{2 CE II + 0}Λ

Δt_M= exp ⁽¹⁰-^{6 CE l}-⁴'⁸⁾

CEi = C+Mn/6,67+ Si/24 +Mo/4+ NÏ/12+ Cu/15+ (Cr(I-O₁IeVO⁷ )/8)+f(B)

CEn = C+Mn/4+ Cu/20 +Ni/9+ Cr/5+ Mo/4,

Avec : f(B)=0, si B≤O.0001 %

f(B)= (0,03-1 ,35N) si 0,0001 %<B<0,00025%

f(B)=(0,06-2,7N) si 0,00025%<B<0,0004%

f(B)=(0,09-4,05N) si B>0,0004%,

ces expressions supposant que f(B)>0, c'est-à-dire que N<0,022%.

C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B et N désignent respectivement les teneurs en carbone, manganèse, silicium, molybdène, nickel, cuivre, chrome, bore et azote, exprimées en pourcentage pondéral, de l'acier soudé.

Naturellement, l'invention peut être également transposée au cas où l'on soude une partie en acier avec une autre pièce d'acier de composition différente, et ceci en tenant compte de la participation relative de chaque élément pour former la zone fondue, c'est à dire du coefficient de dilution. La même remarque s'applique également au cas du soudage avec produit d'apport métallique, dont il convient de tenir compte de la composition et du coefficient de dilution, ceci afin d'évaluer la composition de la zone fondue.

La présente invention va être maintenant illustrée à partir de l'exemple suivant, relatif au soudage par faisceau LASER :

Un acier de 12 mm d'épaisseur utilisé pour la fabrication de tubes de limite d'élasticité supérieure à 400 MPa ayant la composition suivante :C=0,1%, Mn=1 ,45%, Si=0,35%, AI=0,030%, Nb=0,040%, N=0,004%, a été soudé en mode autogène par faisceau LASER sans métal d'apport avec des paramètres choisis de telle sorte que la vitesse de refroidissement Δ^°° soit égale à 1 ,7 s. Dans ces conditions, la fraction de martensite auto-revenue de la zone fondue calculée à partir de l'expression ci-dessus (cas du soudage homogène et autogène) est égale à 68%, très voisine de celle déterminée par observation métallographique, complétée par 32% de bainite inférieure. Ces conditions correspondent à celles de l'invention, qui sont associées à une ténacité optimale de la zone fondue : de fait, la température de transition, déterminée à partir d'essais de traction par choc sur éprouvettes cylindriques entaillées de 4mm de diamètre, est de -120⁰C, ce qui traduit une excellente ténacité et une grande résistance à la rupture fragile des tubes fabriqués dans ces conditions par soudage LASER. Grâce à l'invention, on réalise donc la fabrication de structures soudées à haute densité d'énergie de manière économique, sans faire appel à des éléments d'addition coûteux. L'invention permet de choisir les conditions d'assemblage de façon à satisfaire aux exigences de sécurité vis-à-vis du risque de rupture brutale.

Claims

REVENDICATIONS

1. Objet comprenant au moins une partie en acier dont la composition comprend, les teneurs étant exprimées en poids, du carbone en teneur comprise entre 0,005 et 0,27%, du manganèse entre 0,5 et 1 ,6%, du silicium entre 0,1 et 0,4%, du chrome en teneur inférieure à 2,5%, du Mo en teneur inférieure à 1 %, éventuellement un ou plusieurs éléments choisis parmi le nickel, le cuivre, l'aluminium, le niobium, le vanadium, le titane, le bore, le zirconium, l'azote, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, ladite partie en acier comportant au moins une zone fondue par faisceau à haute densité d'énergie, caractérisé en ce que ladite zone fondue présente une microstructure constituée de 60 à 75% de martensite auto-revenue et, en complément, de 40 à 25% de bainite inférieure, et préférentiellement 60 à 70% de martensite auto-revenue et , en complément, de 40 à 30% de bainite inférieure.

2. Objet selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il s'agit d'un tube en acier, comprenant au moins un tronçon présentant une zone soudée dans le sens longitudinal ou transverse.

3. Objet selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins deux tôles laminées ou forgées à chaud d'acier de composition identique ou différente, d'épaisseur identique ou différente, soudées entre elles.

4. Objet selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit faisceau à haute densité d'énergie est un faisceau LASER

5. Objet selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit faisceau à haute densité d'énergie est un faisceau d'électrons

6. Procédé de fabrication d'un objet selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à :

- approvisionner un objet comprenant au moins une partie en acier dont la composition comprend les teneurs étant exprimées en poids, du carbone en teneur comprise entre 0,005 et 0,27%, du manganèse entre 0,5 et 1 ,6%, du silicium entre 0,1 et 0,4%, du chrome en teneur inférieure à 2,5%, du Mo en teneur inférieure à 1 %, éventuellement un ou plusieurs éléments choisis parmi le nickel, le cuivre, l'aluminium, le niobium, le vanadium, le titane, le bore, le zirconium, l'azote, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration,

- souder par un procédé à haute densité d'énergie ladite partie en acier avec une pièce d'acier de composition identique ou différente, faisant déjà partie ou non dudit objet,

- la puissance de soudage, la vitesse de soudage, les moyens d'un éventuel pré ou post-chauffage ou de refroidissement, étant choisis de telle sorte que l'on obtienne une zone fondue avec une microstructure constituée de 60 à 75% de martensite auto-revenue et, en complément, de 40 à 25% de bainite inférieure, préférentiellement 60 à

70% de martensite auto-revenue et, en complément, de 40 à 30% de bainite inférieure.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en outre en ce que la teneur en azote de ladite zone fondue est inférieure ou égale à 0,020%, que la puissance de soudage, la vitesse de soudage, les moyens d'un éventuel pré ou post-chauffage ou de refroidissement, sont choisis de telle sorte que ladite zone fondue refroidisse selon un paramètre At^ tel que :

Δt_B exp °-^{75 Ln} < ^{ΔtB/ Δt M}> <( ΔCo )^{≤ Δt}B ^eχP^" °^{'6 Ln ( ΔtB/ Δt M)}

et préférentiellement : Δt_B exp °-^{7 Ln ( ΔtB/ Δt M)} <( fa™ )< Δt_B exp^" °'^{6 Ln} < ^{ΔtB/ Δt M)}

Δt|oo exprimé en secondes désignant le temps s'écoulant entre la température de 800⁰C et la température de 500⁰C lors du refroidissement après soudage de ladite zone soudée,

avec : Δt_B= exp ⁽⁶-^{2 CE II + 0}'⁷⁴⁾,

Δt_M= exp <¹⁰'^{6 CE |} -⁴'⁸⁾

CE, = C+Mn/6+ Si/24 +Mo/4+ Ni/12+ Cu/15+ (Cr(1-0,16VCr )/8)+f(B)

CE,, = C+Mn/3,6+ Cu/20 +Ni/9+ Cr/5+ Mo/4,

Avec : f(B)=O, si B<0,0001 %

f(B)= (0,03-1 ,5N) si 0,0001 %<B<0,00025%

f(B)=(0,06-3N) si 0,00025%<B<0,0004%

f(B)=(0,09-4,5N) si B≥0,0004%,

8 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit soudage est effectué par faisceau LASER d'une manière homogène et autogène, que la teneur en azote dudit acier est inférieure ou égale à 0,020%, et que la puissance de soudage, la vitesse de soudage, les moyens d'un éventuel pré ou post-chauffage ou de refroidissement, sont choisis de telle sorte que ladite zone fondue refroidisse selon un paramètre At₅ ⁸ _O0 ⁰ tel que :

Δt_B exp °-^{75 Ln ( ΔtB/ Δt M)} <( fa™ )^{≤ Δt}B ^e>Φ^~ °'^{6 Ln ( ΔtB/ Δt M)}

et préférentiellement : Δt_B exp- ^{0J Ln ( ΔtB/ Δt M)}≤( fa™ )^{≤ Δt}B ^eχP^" °'^{6 Ln ( ΔtB/ At M)} Δt₅ ⁸oo _» exprimé en secondes, désignant le temps s'écoulant entre 800 et

500⁰C lors du refroidissement après soudage de ladite zone fondue, avec : Δt_B≈ exp <^{6 2 CE} " ⁺ °Λ

Δt_M= exp ⁽¹⁰'^{6 CE |} -⁴-⁸⁾

CE, = C+Mn/6+ Si/24 +Mo/4+ Ni/12+ Cu/15+ (Cr(1-0,16VCr )/8)+f(B)

CE_n = C+Mn/3,6+ Cu/20 +Ni/9+ Cr/5+ Mo/4,

Avec : f(B)=O, si B<0,0001 %

f(B)= (0,03-1 ,5N) si 0,0001 %<B<0,00025%

f(B)=(0,06-3N) si 0,00025%<B<0,0004%

f(B)=(0,09-4,5N) si B>0,0004%,

C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B, N désignant respectivement les teneurs en carbone, manganèse, silicium, molybdène, nickel, cuivre, chrome, bore et azote, exprimées en pourcentage pondéral, de l'acier soudé.

9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit soudage est effectué par faisceau d'électrons, d'une manière autogène et homogène, que la teneur en azote dudit acier est inférieure ou égale à 0,022%, que la puissance de soudage, la vitesse de soudage, les moyens d'un éventuel pré ou post-chauffage ou de refroidissement, sont choisis de telle sorte que ladite zone fondue par le faisceau d'électrons refroidisse selon un paramètre Δt₅ ⁸o° tel que :

Δt_B exp- °-^{75 Ln ( ΔtB/ Δt M}> <( fa™ )^{≤ Δt}B ^eχP^" °'^{6 Ln ( ΔtB/ Δt M)}

et préférentiellement : Δt_B exp °-^{7 Ln ( ΔtB/ Δt M)} <( fa™ )≤ Δt_B exp^" °-^{6 Ln ( ΔtB/ Δt M)}

Δt⁸oo , exprimé en secondes, désignant le temps s'écoulant entre 800 et 500⁰C lors du refroidissement après soudage de ladite zone fondue, avec : Δt_B= exp <" ^CE " ⁺ °^>74\

Δt_M= exp ⁽¹⁰'^{6 CE |} -⁴'⁸⁾

CE, = C+Mn/6,67+ Si/24 +Mo/4+ Ni/12+ Cu/15+ (Cr(1-0,16Λ/Cτ )/8)+f(B)

CE,, = C+Mn/4+ Cu/20 +Ni/9+ Cr/5+ Mo/4,

Avec : f(B)=O, si B<0,0001 %

f(B)= (0,03-1 ,35N) si 0,0001 %<B<0,00025% f(B)=(0,06-2,7N) si 0,00025%<B<0,0004%

f(B)=(0,09-4,05N) si B≥O.0004%,

C, Mn, Si, Mo, Ni, Cu, Cr, B, N désignant respectivement les teneurs en carbone, manganèse, silicium, molybdène, nickel, cuivre chrome, bore et azote, exprimées en pourcentage pondéral, de l'acier soudé.

10. Procédé de fabrication selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'on soude ladite partie en acier avec une pièce d'acier de composition identique ou différente, d'épaisseur identique ou différente, faisant partie ou non dudit objet, en utilisant un produit d'apport métallique