Maîtrise de l’apport thermique lors du soudage de tubes en acier duplex : prévention de l’embrittlement par phase sigma dans la zone affectée thermiquement (ZAT)

Si vous soudez des aciers inoxydables duplex ou super duplex (DSS/SDSS), vous évoluez sur un fil ténu. Si la température est trop basse, vous obtenez un excès de ferrite et une perte de ténacité. Si elle est trop élevée, vous favorisez le tueur silencieux des soudures duplex : L’embrittlement par phase sigma (σ) dans la zone thermiquement affectée (ZTA).

La phase sigma est un composé intermétallique qui rend les soudures cassants et détruit leur résistance à la corrosion. Bien qu’elle se forme dans le métal de base lors d’un traitement thermique inadéquat, en soudage, elle résulte directement d’un mauvais contrôle de la chaleur d'entrée .

Cet article propose une analyse technique approfondie sur la manière d’ajuster votre apport de chaleur afin d’éviter la formation de la phase sigma lors du soudage de tubes duplex, garantissant ainsi l’intégrité mécanique et la résistance à la corrosion localisée.

Le problème : pourquoi la phase sigma se forme-t-elle dans la ZAT ?

La précipitation de la phase sigma se produit lorsque la zone affectée thermiquement (ZAT) du cordon de soudure est exposée à des températures comprises approximativement entre 600 °C et 950 °C pendant trop longtemps . Dans une microstructure duplex, la phase sigma se forme principalement aux interfaces ferrite/austénite. Elle croît en consommant la ferrite (δ), riche en chrome et en molybdène — précisément les éléments qui confèrent au duplex sa résistance à la corrosion. .

Le mécanisme est eutectoïde : δ → σ + γ₂ (austénite secondaire) . Lorsque la phase sigma se forme, elle extrait du chrome et du molybdène de la matrice environnante. Une fois précipitée, la phase sigma ne peut être éliminée que par un traitement complet de recuit de solution (1050–1100 °C), ce qui est impraticable pour de grands tronçons de tuyauterie. à l’état après soudage, la phase sigma constitue une phase dure et fragile qui réduit fortement la ténacité au choc et la résistance à la corrosion localisée.

La variable principale : apport de chaleur et vitesse de refroidissement (t12/8)

Bien que la composition chimique soit critique, le cycle thermique constitue le déclencheur. La norme industrielle pour mesurer ce paramètre est le temps de refroidissement allant de 1200 °C à 800 °C (t12/8) . Cette plage couvre la fenêtre critique tant pour la formation de l’austénite que pour la précipitation de la phase sigma.

Pour éviter la formation de la phase sigma tout en maintenant l’équilibre des phases, vous devez généralement obtenir un t12/8 compris entre 8 et 15 secondes . Si le t12/8 dépasse environ 15 secondes (ce qui se produit avec un apport de chaleur élevé), vous risquez la formation de la phase sigma. .

Pour un acier duplex au chrome 22 % (tel que le 2205), l’apport de chaleur recommandé pour le soudage de tubes se situe généralement entre 0,5 kJ/mm et 2,5 kJ/mm pour une épaisseur de paroi de 10 à 15 mm cependant, des études récentes suggèrent que ces limites ne sont pas fixes ; elles varient en fonction de l’épaisseur de la paroi et de la géométrie du joint.

Nouvelles perspectives : l’épaisseur de la plaque modifie les règles

Des recherches récentes remettent en question l’hypothèse selon laquelle « une forte entrée de chaleur est toujours néfaste ». Une étude menée en 2025 sur le soudage duplex de tôles épaisses a démontré que, pour des tôles d’une épaisseur supérieure à 10 mm, la limite supérieure de l’apport de chaleur augmente sensiblement. .

• Pour les tubes à paroi mince (< 10 mm) : La dissipation lente de la chaleur maintient la zone affectée thermiquement (ZAT) à haute température. L’utilisation de calculs standard de l’apport de chaleur est essentielle afin d’éviter la perforation ou une surchauffe.

• Pour les tubes à paroi épaisse (> 14 mm) : La masse du tube agit comme un puissant puits de chaleur, évacuant rapidement celle-ci. Dans ces cas, un apport de chaleur plus élevé est requis pour obtenir une fusion adéquate et la formation d’austénite. L’étude a confirmé que, pour des tôles de 20 mm d’épaisseur, des apports de chaleur de 5 kJ/mm et 7 kJ/mm ont été utilisés sans aucune précipitation de phase sigma dans la zone affectée thermiquement (ZAT) .

À retenir : Vous devez calculer l'apport de chaleur en fonction de l'épaisseur du matériau. Plus le tuyau est épais, plus l'apport de chaleur « sûr » peut être élevé, car la vitesse de refroidissement reste suffisamment rapide pour éviter la zone « sigma » de la courbe TTT.

Le défi des aciers super duplex (grades à 25 % Cr)

Lors du soudage de grades super duplex (par exemple, 2507, Zeron 100), la marge d’erreur se réduit. Ces matériaux à teneur plus élevée en éléments d’alliage présentent une force motrice accrue favorisant la précipitation de la phase sigma.

• Sensibilité de la passe de racine : Dans le soudage de tuyaux, la passe de racine est particulièrement vulnérable. Des recherches suggèrent que la passe de racine doit être réalisée avec un plus élevé apport de chaleur (supérieur à 1,0 kJ/mm) comparé aux premières passes suivantes. Pourquoi ? Un apport de chaleur faible à la racine peut provoquer la précipitation de nitrures de chrome sur la surface intérieure, en raison de l’absence de réchauffage. .

• Adéquation à l’usage : Bien que les spécifications exigent souvent une teneur nulle en phase sigma, la réalité industrielle (notamment dans les projets de la mer du Nord au Royaume-Uni) montre qu’une teneur limitée en phase sigma dans la zone affectée thermiquement (ZAT) à basse température (à 2–5 mm de la ligne de fusion) peut parfois être tolérée. Des études ont admis jusqu’à 2,5 % en fraction volumique de phase sigma dans la ZAT, à condition que les essais de ténacité à la rupture (CTOD — déplacement d’ouverture de la pointe de fissure) et les essais de corrosion ASTM G48 soient réussis . Toutefois, cette valeur constitue une limite de qualification, et non un objectif de production.

Recommandations pratiques à l’intention de l’ingénieur en soudage

Pour éviter la formation de la phase sigma dans les soudures de tubes duplex, dépassez les règles génériques de « faible apport de chaleur ». Appliquez les contrôles suivants :

1. Maîtriser la température entre passes

La phase sigma s’accumule progressivement. À mesure que vous ajoutez des passes, la ZAT des passes précédentes est réchauffée dans la zone critique (700–900 °C). Limitez strictement la température entre passes. Pour les aciers duplex superduplex (25 % Cr), la température maximale entre passes est généralement 150°C  . Pour les aciers duplex standard à 22 % Cr, la limite est généralement fixée à 200 °C .

2. Éviter le piège des « nombreuses passes fines »

Cela peut sembler contre-intuitif, mais l’utilisation d’un grand nombre de passes à faible apport de chaleur peut être plus dangereuse que moins de passes plus importantes. Chaque petite passe réchauffe la zone affectée thermiquement (ZAT) précédente, vieillissant effectivement le matériau et provoquant la précipitation des phases sigma et chi (χ). .

• Stratégie : Utilisez une séquence de soudage qui minimise le nombre de cycles thermiques sur toute zone spécifique de la ZAT.

3. Équilibrer les nombres de ferrite

La phase sigma se forme plus facilement dans la ferrite. Si la teneur en ferrite de votre ZAT dépasse 70–75 %, le risque de précipitation de la phase sigma augmente considérablement, car vous disposez alors d’une plus grande quantité de ferrite instable susceptible de se transformer.

• Assurez-vous que vos gaz de protection et vos métaux d’apport favorisent une reformulation adéquate de l’austénite. Les métaux d’apport à base de nickel sont utiles, mais soyez prudent : une teneur plus élevée en nickel élargit la plage de températures propice à la formation de la phase sigma. .

4. Calculer l’apport de chaleur effectif

Ne vous fiez pas à votre « sensation ». Utilisez la formule suivante :

$$\text{Apport thermique (kJ/mm)}=\frac{\text{Tension (V)}\times \text{Courant (A)}\times 60}{\text{Vitesse de déplacement (mm/min)}\times 1000}$$

Pour les procédés GTAW (TIG), n’oubliez pas de tenir compte du facteur d’efficacité thermique (η), qui est généralement d’environ 0,6 pour le TIG. .

Conclusion

L’embrittlement de la phase sigma est un mode de défaillance évitable. Il indique que le cordon de soudure a été soumis à une température trop élevée pendant une durée trop longue — soit globalement (apport calorifique élevé sur une conduite mince), soit localement (réchauffages multiples dus à des passes de petite taille).

Le soudage moderne des tuyaux duplex exige un passage de « suivre la procédure de soudage qualifiée (WPS) » à la compréhension de l’ historique thermique . En maîtrisant les temps de refroidissement t12/8, en respectant les limites de température entre passes et en ajustant l’apport calorifique en fonction de l’épaisseur réelle de la paroi de la conduite, il est possible d’obtenir des microstructures dans la zone affectée thermiquement (ZAT) exemptes de phase sigma, résistantes aux chocs et résistantes à la corrosion.