Soudure inox TIG : chaleur, coloration et corrosion

L’acier inoxydable — l’inox — n’est pas difficile à souder. Le difficile est de le souder et qu’il reste inoxydable — et presque tous les défauts qui comptent se ramènent à la même grandeur : combien de chaleur est entrée et combien de temps le métal a mis à s’en défaire.

Ce qui rend l’inox inoxydable

La résistance à la corrosion ne vient pas de la masse du métal. Elle vient d’une couche passive d’oxyde de chrome, épaisse de quelques atomes, qui se forme en surface et se reconstitue seule après une rayure — tant qu’il reste assez de chrome libre dans le métal en dessous.

Tout ce que contient cette page sert à protéger cette couche ou à la rétablir ensuite.

La sensibilisation : le défaut qu’on ne voit pas

Si l’inox austénitique séjourne entre environ 425–815 °C, le chrome se combine au carbone en carbures qui précipitent aux joints de grains. Le carbure lui-même n’est pas le problème ; le problème est ce qu’il emporte : le métal immédiatement voisin du joint de grain reste appauvri en chrome, et un métal appauvri ne peut plus reconstituer la couche passive.

La pièce ressemble toujours à de l’inox. En service, elle corrode le long des joints de grains — corrosion intergranulaire — et le fait sans se voir, de l’intérieur.

Deux parades, et la bonne pratique utilise les deux :

• Les nuances à bas carbone. Le 1.4307 (304L) et le 1.4404 (316L) limitent le carbone à 0,03 %, si bien qu’il en reste trop peu pour former du carbure en quantité notable. Les nuances stabilisées 1.4541 (321) et 1.4550 (347) règlent la question autrement : le titane ou le niobium capturent le carbone d’abord.
• Un apport thermique faible. La sensibilisation dépend de la température et du temps. Moins la zone affectée thermiquement séjourne dans cette plage, moins il se forme de carbure — c’est pourquoi la vitesse d’avance et l’apport thermique pèsent ici plus que la conduite manuelle.

La coloration thermique : le défaut qu’on voit

Les couleurs apparaissant le long d’un cordon d’inox sont la couche d’oxyde qui s’épaissit. Elles se lisent comme un relevé de température :

Le métal coloré corrode avant le métal voisin. Sur une pièce décorative, c’est une question d’aspect. Sur une ligne pharmaceutique, un échangeur de chaleur ou un collecteur offshore, c’est un défaut, et la spécification le dira.

Deux façons de traiter cela : l’éviter par une protection envers correcte et un apport thermique faible, ou l’éliminer ensuite — pâte de décapage, électropolissage ou nettoyage mécanique avec une brosse qui n’a jamais touché d’acier au carbone. L’élimination est plus lente, emploie des produits agressifs et, sur un cordon long, coûte plus cher que d’avoir maîtrisé la chaleur dès le départ.

Protéger la racine

Un joint pénétré de part en part expose la racine à ce qui se trouve derrière. Sans protection, elle s’oxyde en une croûte rugueuse, sombre et granuleuse — le sugaring — qu’aucune technique côté endroit ne corrige, qu’on ne peut pas atteindre pour la nettoyer dans un tube fermé, et qui reste un point de corrosion pour toute la vie de la pièce.

On protège à l’argon, en chassant réellement l’air avant d’amorcer. La cible usuelle sur inox est en dessous d’environ 50 ppm d’oxygène résiduel ; un appareil de mesure vaut mieux que n’importe quelle estimation. Le volume protégé se garde faible avec des obturateurs plutôt qu’en remplissant un tronçon entier. Le guide du gaz de protection traite le détail.

Déformation : deux chiffres qui surprennent

L’inox austénitique se comporte autrement que l’acier au carbone sur deux points, et tous deux poussent dans le même sens :

• La dilatation thermique est supérieure d’environ 50 %. La même chaleur déplace davantage la pièce.
• La conductivité thermique vaut environ un tiers. La chaleur ne s’évacue pas : elle s’accumule près du joint.

Plus de dilatation avec moins d’évacuation signifie sensiblement plus de déformation pour le même cordon. Il faut pointer plus souvent que sur acier au carbone, garder basse la température entre passes — usuellement sous 150 °C, sauf indication contraire du mode opératoire — et travailler avec support envers ou barre de cuivre sur tôle fine.

Métal d’apport

En Europe, on commande selon EN ISO 14343 ; les références AWS figurent à côté parce qu’elles apparaissent dans la documentation internationale.

Le L est déterminant. Les nuances sans L contiennent assez de carbone pour sensibiliser ; ce sont les versions à bas carbone que prescrivent les modes opératoires actuels, et l’écart de résistance est négligeable pour l’assemblage.

Le duplex est un autre problème

Le duplex — 1.4462 (2205) et les nuances super duplex — est à peu près moitié austénite, moitié ferrite, et cet équilibre lui donne à la fois la résistance mécanique et la tenue aux chlorures. Le soudage le dérange dans les deux sens :

• Avec trop peu de chaleur, le cordon refroidit trop vite pour que l’austénite se reforme. L’assemblage reste chargé en ferrite, dur et peu tenace.
• Avec trop de chaleur, des phases intermétalliques précipitent — dont la phase sigma — et détruisent la résistance à la corrosion pour laquelle l’alliage a été acheté.

Le duplex n’est donc pas un matériau de la règle « le plus froid possible ». Il a une fenêtre d’apport thermique, habituellement citée entre 0,5–2,5 kJ/mm, et c’est le mode opératoire qualifié qui la fixe. Le gaz de protection envers comporte souvent un faible ajout d’azote pour que la racine conserve le sien, et la température entre passes est strictement limitée.

S’il est un matériau sur lequel le DMOS n’est pas une formalité, c’est bien celui-là.

Discipline d’atelier

• Brosses et abrasifs dédiés. Tout ce qui a touché de l’acier au carbone incruste des particules de fer, qui rouillent et amorcent la corrosion par piqûres. C’est la cause la plus fréquente de l’« inox qui a rouillé ».
• Stockage séparé. Ne pas laisser d’inox sur l’établi où l’on coupe de l’acier au carbone.
• Nettoyer avant, pas après. Dégraisser d’abord : brosser une surface grasse enfonce la graisse dans le métal.

Pourquoi l’apport thermique est tout l’argument

En relisant les défauts ci-dessus, le motif se voit sans peine. La sensibilisation est un temps à température. La coloration est une température maximale. La déformation est une énergie totale. Le duplex est une fenêtre d’apport thermique. Aucun de ces points n’est un problème d’adresse manuelle.

C’est pour cela que le procédé pèse sur l’inox plus que sur la plupart des matériaux, et c’est là que le TIG à fil chaud présente son dossier. Amener l’apport mécaniquement et préchauffé signifie que l’arc n’a pas à fondre du fil froid : le même joint se remplit donc à une vitesse d’avance nettement supérieure — et moins de temps sur un point, c’est moins de chaleur dans la pièce. TIP TIG offre le plus faible apport thermique de tous les procédés à fil, ce qui, sur inox, se traduit directement par moins de temps dans la plage de sensibilisation, moins de coloration à éliminer et moins de déformation à corriger.

La preuve pratique se trouve en travail contrôlé : sur une conduite sous-marine à revêtement intérieur Inconel pour CNOOC, où le TIG conventionnel était trop lent et le MIG pulsé ne tenait pas la qualité, l’exigence était 100 % de radiographie sans reprise — le cas complet est ici. Le guide des métaux et alliages montre où le même raisonnement vaut.

En résumé

L’inox se soude facilement et perd sa résistance à la corrosion tout aussi facilement, et les deux dépendent de la chaleur. Un apport à bas carbone assorti au métal de base, une protection envers sur toute racine pénétrée, une température entre passes basse et la coloration traitée comme un défaut et non comme une finition. Le duplex a besoin de son apport thermique dans une fenêtre, pas simplement bas. Et les brosses en acier au carbone restent de l’autre côté de l’atelier.