Les aciers inoxydables duplex et super-duplex sont devenus incontournables sur les marchés exigeants : pétrochimie, offshore, dessalement, papeterie, agroalimentaire haute corrosion.
Leur secret : une microstructure biphasée ferrite/austénite à parts à peu près égales (≈ 50/50), qui combine la ténacité de l'austénite et la limite d'élasticité de la ferrite.
Mais cette microstructure est fragile au soudage : la moindre erreur de cycle thermique fait basculer l'équilibre, précipiter des phases délétères (sigma, chi, nitrures) et détruire à la fois la ténacité et la résistance à la corrosion.
Cet article décrit, dans la rigueur des normes EN ISO 17633, EN 10088-3, EN ISO 15614-1 et ASTM A923, les précautions opératoires, le choix du gaz de protection et les critères d'acceptation à connaître pour qualifier un soudage duplex.
1. Métallurgie des duplex : pourquoi le soudage est sensible
Les aciers duplex appartiennent à la famille des inoxydables ferrito-austénitiques. À température ambiante, ils présentent une microstructure mixte d'environ 50 % de ferrite α et 50 % d'austénite γ, obtenue par l'équilibre des éléments alphagènes (Cr, Mo, Si) et gammagènes (Ni, N, C, Mn).
Les nuances les plus rencontrées en France sont définies par la norme EN 10088-3 et leurs équivalences ASTM :
| Famille | Désignation EN | Équivalent UNS / ASTM | PREN typique |
|---|---|---|---|
| Lean duplex | 1.4162 / 1.4362 | S32101 / S32304 | 24-26 |
| Duplex standard | 1.4462 | S31803 / S32205 | 34-36 |
| Super-duplex | 1.4410 | S32750 | ≥ 40 |
| Hyper-duplex | 1.4658 | S32707 / S33207 | ≥ 49 |
Le PREN (Pitting Resistance Equivalent Number, calculé selon %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N) est l'indicateur central : il classe la résistance à la corrosion par piqûres. Plus il est élevé, plus la nuance résiste — mais plus le soudage devient critique.
Côté propriétés mécaniques, les duplex affichent typiquement une limite d'élasticité Rp 0,2 ≥ 460 MPa (contre ~ 200 MPa pour un 304L), une bonne ténacité et une résistance à la corrosion sous contrainte largement supérieure aux austénitiques classiques. C'est cette combinaison — légèreté pour une résistance équivalente — qui les rend incontournables en offshore et en process haute pression.
Le talon d'Achille : la cinétique de précipitation
Le problème du soudage tient à la cinétique des transformations : sous un cycle thermique trop rapide ou trop chaud, plusieurs phases délétères peuvent précipiter en quelques secondes ou minutes :
- Phase σ (sigma) : intermétallique riche en Cr-Mo, durcit fortement la matrice, effondre la ténacité et la résistance à la corrosion. Domaine de précipitation typique 650-1000 °C.
- Phase χ (chi) : précurseur de σ, mêmes effets délétères, domaine légèrement plus bas (~ 600-900 °C).
- Nitrures de chrome (Cr₂N) : précipitent en zone affectée thermiquement (ZAT) lors d'un refroidissement trop rapide à partir de la zone fondue.
- Fragilisation à 475 °C : décomposition spinodale α → α + α', concerne plutôt les expositions longues (problème de service, pas de soudage proprement dit).
2. Paramètres opératoires : énergie de soudage et refroidissement
Les deux paramètres décisifs sont l'énergie linéaire de soudage Q (en kJ/mm) et le temps de refroidissement t12/8 (durée de passage entre 1200 °C et 800 °C).
Une énergie trop basse génère un refroidissement trop rapide : la ferrite reste prédominante, les nitrures précipitent, on perd la ténacité. Une énergie trop élevée maintient longtemps la pièce dans la zone critique de σ : on perd la résistance à la corrosion. La fenêtre est étroite.
Plages d'énergie linéaire recommandées
| Famille | Q min (kJ/mm) | Q max (kJ/mm) | Commentaire |
|---|---|---|---|
| Lean duplex (1.4162 / 1.4362) | ~ 0,4 | ~ 2,5 | Tolérance large, plus facile à souder |
| Duplex 2205 (1.4462) | ~ 0,5 | ~ 2,5 | Référence industrielle, fenêtre confortable |
| Super-duplex 2507 (1.4410) | ~ 0,5 | ~ 1,5 | Fenêtre étroite, exige une qualification stricte |
| Hyper-duplex | ~ 0,5 | ~ 1,2 | Soudage très exigeant, paramétrage serré |
Plages communément citées dans les guides constructeurs (Outokumpu, Sandvik, Sumitomo) et la documentation IIW. À ajuster en qualification (DMOS) selon épaisseur, géométrie et conditions de bridage.
Préchauffage et température entre passes
- Préchauffage : généralement non requis sur duplex. Un préchauffage excessif allonge le séjour en zone σ et nuit à la microstructure. Réservé aux pièces très épaisses, très bridées ou humides.
- Température entre passes (interpass) : c'est le paramètre clé. Pour le duplex 2205, on recommande typiquement ≤ 150 °C. Pour le super-duplex 2507, ≤ 100 °C. Au-delà, la pièce reste trop longtemps en zone critique.
- Mesure : crayon thermique ou thermocouple en sortie de passe précédente, à distance définie du bain.
3. Gaz de protection : Ar + N₂, le cœur du sujet
Le gaz de protection est l'arme principale pour préserver l'azote de la zone fondue, et donc l'équilibre austénite/ferrite.
Pourquoi l'azote ? Parce que c'est l'élément gammagène le plus puissant des duplex : il stabilise l'austénite et compense l'effet alphagène du chrome et du molybdène. Or, en bain liquide, l'azote a tendance à s'évaporer ; la protection gazeuse compense cette perte.
Recommandations de gaz selon procédé
| Procédé | Gaz recommandé | Commentaire |
|---|---|---|
| TIG (GTAW) | Ar + 1 à 3 % N₂ | Préserve l'azote du bain. Au-delà de 3 % : porosités. Référence ISO 14175 type R1. |
| MIG / MAG (GMAW) | Ar + 30 % He + 1-2 % N₂ + 1-2 % CO₂ | Mélange tertiaire ou quaternaire selon fournisseur. ISO 14175 type Z. |
| Électrode enrobée (SMAW) | — | Pas de gaz, mais enrobage rutile-basique formulé pour duplex. |
| Fil fourré (FCAW) | Ar + 20-25 % CO₂ | CO₂ supérieur à 25 % : risque de carburation et d'oxydation. |
| Soudage plasma (PAW) | Ar + 1-3 % N₂ | Variante TIG, mêmes recommandations. |
| Backing / envers | Ar pur ou Ar + N₂ ou N₂ pur | Indispensable côté envers pour éviter oxydation et perte d'azote. |
Le cas particulier du gaz d'envers (purge)
Sur les tubes et tôles soudés en première passe accessible un seul côté, l'envers doit être protégé par un gaz de purge. Sans purge, on observe :
- Une coloration noirâtre ou bleutée caractéristique de l'oxydation à chaud (heat tint).
- Une perte d'azote en racine, donc une ferrite excessive et une chute de résistance à la corrosion par piqûres.
- Un risque de fissuration si l'oxydation est sévère.
Les bonnes pratiques offshore (NORSOK M-601, DNV) imposent souvent une teneur en O₂ résiduel ≤ 50 ppm avant amorçage de la première passe, mesurée à l'oxymètre.
Pour une purge efficace, on prévoit un volume de gaz d'au moins 5 fois le volume du tube, avec sortie en partie haute pour éliminer les poches d'air, et fenêtre de soudage commencée seulement après stabilisation du taux d'O₂.
4. Métal d'apport et procédés (TIG, MIG, électrode enrobée)
Le métal d'apport est volontairement sur-allié en nickel par rapport au métal de base. Cette sur-alimentation compense l'effet ferritisant du cycle thermique de soudage et favorise la formation d'austénite à la solidification.
Les normes de référence sont EN ISO 17633 (fils fourrés inox), EN ISO 17632 / 14343 (fils massifs et électrodes), EN ISO 3581 (électrodes enrobées). En ASTM, on consulte AWS A5.4 / A5.9 / A5.22.
Correspondances métal de base / métal d'apport
| Métal de base | Apport AWS / ISO | Notes |
|---|---|---|
| 1.4162 / 1.4362 (lean) | ER2209 / 22.9.3.L | Apport duplex standard sur-allié Ni |
| 1.4462 (2205) | ER2209 | Couple le plus utilisé en industrie |
| 1.4410 (2507) | ER2594 | Spécifique super-duplex, plus alpha-stable |
| Hyper-duplex | ER3207 ou apport dédié constructeur | Souvent qualifié projet par projet |
| Soudure hétérogène duplex / austénitique | ER309LMo ou ER2209 | Choix selon contraintes corrosion |
Procédés les plus courants
- TIG manuel (141) : référence pour les passes de fond et les piquages stratégiques. Maîtrise totale du bain, qualité optimale.
- TIG orbital (141) : automatisé sur tubes industriels (chimie, pharma), répétabilité élevée, idéal pour l'inox sanitaire et les boucles de procédé.
- MIG impulsionnel (135) : productivité élevée sur grandes longueurs, à condition de maîtriser strictement le mélange gazeux et l'énergie.
- Électrode enrobée (111) : pratique en chantier, sur sites peu accessibles. Demande un soudeur qualifié duplex (la croûte de scories diffère de l'inox classique).
- Fil fourré (136) : compromis productivité / qualité pour tôleries lourdes. Vigilance gaz et énergie.
- Soudage par points / résistance : marginal sur duplex.
5. Les défauts métallurgiques typiques à éviter
Au-delà des défauts géométriques classiques (manques de fusion, pénétration insuffisante), trois familles de défauts spécifiquement métallurgiques sont à surveiller sur duplex.
Déséquilibre ferrite/austénite
Cible : 30-70 % de ferrite en zone fondue et ZAT. Hors plage : ferrite trop élevée (refroidissement trop rapide) → fragilité ; austénite trop élevée (énergie excessive) → perte de Rp 0,2.
Mesuré par métallographie (comptage de phases) ou ferritoscope (Fischer FMP30).
Précipitation de phase σ
Liée à un séjour trop long entre 650 °C et 1000 °C (interpass trop chaude, énergie trop forte). Quelques % de σ suffisent à effondrer la ténacité Charpy et la corrosion.
Détection : métallographie attaque KOH, essai Charpy KV à -40 °C, essai ASTM A923 méthode A/B/C.
Nitrures de chrome (Cr₂N)
Précipitent en ZAT lorsque le refroidissement est trop rapide (énergie trop basse, pièce massive). Aiguilles intragranulaires dans la ferrite. Effet : sensibilisation à la corrosion intergranulaire.
Détection : MEB, EDX, attaque chimique sélective.
Heat tint en racine
Coloration jaune-bleue à noire en envers de soudure non purgée. Très souvent corrélée à un appauvrissement local en Cr et N → corrosion préférentielle en service.
Critère NORSOK : pas de heat tint sur la surface de service. Décapage / brossage si exposé.
Visualisation : la fenêtre opératoire à respecter
Représentation indicative de la fenêtre de % ferrite cible (zone verte) en fonction de l'énergie linéaire pour un duplex 2205. Données indicatives selon retours d'expérience secteur ; à ajuster en qualification réelle (DMOS).
6. Critères d'acceptation : essais et normes
L'acceptation d'un soudage duplex se joue à la qualification (DMOS / QMOS, EN ISO 15614-1) et au contrôle final (CND + essais destructifs ou échantillons de coupon).
Les 5 essais clés
| Essai | But | Référence normative |
|---|---|---|
| Métallographie / comptage de phases | Vérifier le ratio ferrite/austénite (cible 30-70 %) | ASTM E562, ISO 9042, NORSOK M-601 |
| Ferritoscope (mesure magnétique) | Mesure rapide en chantier de la ferrite (FN) | EN ISO 8249 |
| Charpy KV à -40 °C (ou -46 °C offshore) | Vérifier la ténacité (chute si σ ou nitrures présents) | EN ISO 148-1, NORSOK M-601 |
| Essai de corrosion par piqûres | Vérifier l'absence de phases délétères en service | ASTM G48 méthode A ou E ; ASTM A923 méthode C |
| Pli, dureté, traction transversale | Validation mécanique classique de la qualification | EN ISO 15614-1, EN ISO 5173, EN ISO 9015 |
Spécifications projet typiques
- NORSOK M-601 (offshore Norvège, devenue de facto un standard pétrolier européen) : Charpy KV ≥ 45 J à -46 °C, pas de heat tint sur surface de service, ferrite 30-70 %, ASTM G48 sans piqûres > 0,025 g/m² à température définie.
- DNV-OS-F101 (pipelines sous-marins) : exigences proches de NORSOK avec essais de corrosion plus poussés sur super-duplex.
- NACE / ISO 15156 (services H₂S) : restrictions de dureté (≤ 28 HRC pour duplex, ≤ 32 HRC pour super-duplex), conditions d'aptitude au sour service.
- Réglementation pression européenne (DESP / EN 13445) : qualifications EN ISO 15614-1 obligatoires pour les équipements sous pression.
Les CND complémentaires
- Visuel (VT) selon EN ISO 17637 : 100 % systématique.
- Ressuage (PT) selon EN ISO 3452 : alternative à la magnétoscopie qui ne fonctionne pas sur duplex (matériau trop austénitique côté magnétisme).
- Radiographie (RT) selon EN ISO 17636 ou ultrasons (UT) selon EN ISO 17640 : détection des défauts internes.
- Phased array (PAUT) : largement déployé en duplex offshore depuis 10 ans.
Conclusion : un soudage de précision, pas un soudage standard
Souder un duplex, c'est piloter une fenêtre étroite où chaque paramètre compte : énergie linéaire, interpass, gaz de protection, gaz d'envers, métal d'apport sur-allié, métallographie de contrôle. La sanction d'une erreur n'est pas immédiatement visible — elle se révèle 6 mois plus tard, par une corrosion locale, une fissure ou une chute de Charpy.
Pour les ateliers et soudeurs qui souhaitent monter en compétence sur ces nuances, le passage par une qualification EN ISO 15614-1 spécifique et une requalification annuelle sont les fondamentaux. À l'échelle d'un site offshore ou pétrochimique, c'est aussi un signal qualité fort vis-à-vis du client final : un atelier qui maîtrise vraiment le 2205 ou le 2507 sait justifier ses paramètres, ses essais et son retour d'expérience — et c'est précisément ce que les inspecteurs cherchent.
