PARTIE 2 : LA SOUDABILITÉ DES ALLIAGES D’ALUMINIUM

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Soudabilité des alliages d’aluminium

Les différentes séries d’alliage sont toutes soudables, mais certaines nuances de la série 7XXX sont plus difficilement soudables de par leur grande sensibilité à la fissuration. La soudabilité opératoire de l’aluminium est généralement bonne. Cependant, il faut prendre certaines précautions lors du soudage de l’aluminium.

Les familles d’alliages qui se soudent le plus facilement sont les séries 1XXX, 3XXX et 5XXX qui n’ont pas été traitées thermiquement. La série 6XXX peut aussi être soudée facilement, mais le soudage provoque une baisse des propriétés mécaniques.

Les alliages à résistance élevée des séries 2XXX et 4XXX sont soudables, mais il faut prendre des précautions particulières. À l’intérieur de la famille 7XXX, seulement les alliages 7039 et 7005 sont soudables. De plus, les soudures vieillissent naturellement et retrouvent 70 à 90% de leur résistance mécanique antérieure à l’intérieur de 30 à 90 jours suivant le soudage.

Soudabilité globale

La chaleur nécessaire pour fusionner le métal de base lors du soudage abaisse la résistance mécanique à l’intérieur de la zone affectée thermiquement en provoquant un recuit. Dans le cas d’un alliage ayant été écroui pour obtenir ses propriétés mécaniques, il n’est pas possible de régénérer les propriétés de cette zone par un traitement thermique.

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Soudabilité opératoire

La couche d’alumine (Al2O3) recouvrant l’aluminium et ses alliages est de l’ordre de 0,01 mm (0,0004 po) et a tendance à s’accroître avec la température. Cette mince couche est isolante thermiquement et électriquement en plus d’être insoluble dans le métal liquide. Elle est également de densité moindre et c’est pour cette raison que lors de la fusion du métal, elle demeure sur le dessus du bain de fusion.

Pour souder l’aluminium, il faut donc éliminer cette couche néfaste au soudage, soit par des moyens mécaniques, tels que la meule et la brosse d’acier inoxydable, soit par des moyens chimiques comme les solutions fortement alcalines.

Lors du soudage au gaz (Sodel 480) ou à l’électrode enrobée (Sodel 118), le décapant (flux) contenu dans la baguette ou le laitier provenant de la fusion de l’enrobage empêche la couche d’oxyde de se reformer. De même, avec les procédés de soudage GTAW (TIG) ou GMAW (MIG), la protection gazeuse utilisée protège le bain de fusion de la contamination de l’air et aide à minimiser la formation de la couche d’oxyde. De plus, lors du soudage au GTAW (TIG), l’utilisation du courant alternatif brise la couche d’oxyde qui se reforme à haute température.

Une autre difficulté lorsqu’on soude l’aluminium est due à sa grande conductibilité thermique. Pour contrer les pertes de chaleur par le phénomène de diffusion thermique, il est souvent nécessaire de préchauffer les parties à joindre entre 200 et 260/C (400 et 500/F). Le préchauffage stabilise l’arc de soudage en le rendant moins erratique en plus de favoriser une bonne pénétration. Lorsqu’il s’agit de pièces en aluminium traitables thermiquement ou sujettes au vieillissement, il est important de connaître les conséquences du préchauffage sur les propriétés mécaniques de l’alliage en cause. Parfois une température trop élevée provoque une baisse de certaines propriétés mécaniques ou une fragilisation.

Soudabilité métallurgique

Le soudage des alliages d’aluminium peut entraîner une baisse de la résistance mécanique du métal de base s’il est écroui, et ce partout où la température atteinte à l’intérieur de la pièce est supérieure à 350/C (660/F) lors du soudage. Il est impossible de régénérer les propriétés mécaniques qui ont été obtenues par écrouissage avec un traitement thermique après le soudage. Selon l’application, il est important de tenir compte de cette perte de résistance dans la ZAT.

Si l’alliage a subi un ou des traitements thermiques avant le soudage, il faut tenir compte que le soudage fera disparaître tous les effets des traitements thermiques précédents. Plus la zone affectée est grande, plus la diminution des propriétés mécaniques a un effet néfaste sur la performance de la pièce lorsque mise en service. Cependant une faible zone a des effets limités sur la baisse des propriétés mécaniques. C’est pourquoi, il est important de toujours restreindre au minimum la largeur de la zone affectée thermiquement.

Généralement dans le cas d’un alliage d’aluminium qui a été durci par précipitation, même si en pratique c’est difficilement réalisable, il est préférable de suivre dans l’ordre l’une ou l’autre des méthodes suivantes;

-homogénéisation                             -soudage d’un alliage déjà mis en solution

-Soudage                          ou               (exemple condition T4)

-mise en solution                              -Vieillissement

-Vieillissement

Métaux d’apport

Le choix du métal d’apport est surtout fonction de la soudabilité, des propriétés mécaniques désirées ou de la résistance à la corrosion.

Pour minimiser la fissuration à chaud, on utilise la Sodel 118 pour le soudage à l’électrode enrobée ou la Sodel 480 au chalumeau. La teneur élevée en silicium de cette électrode et cette baguette offre un bon pouvoir désoxydant en plus d’abaisser la température de fusion du métal d’apport. De plus, la faible teneur en magnésium de ces produits diminue également les risques de fissuration à chaud.

CONSEILS PRATIQUES LORS DU SOUDAGE DE L’ALUMINIUM

1- Dans le cas des alliages traités thermiquement :
– Choisir un alliage qui est le moins affecté par le cycle thermique de soudage.
– Concevoir les assemblages de telle sorte que le joint soudé soit situé dans un endroit moins sollicité.
– Utiliser un cycle de soudage aussi bref que possible.

2- Les alliages aluminium – cuivre (série 2XXX), sont très susceptibles aux effondrements du bain de fusion. Pour minimiser les risques, il faut passer l’intervalle de solidification rapidement.

3- Si la température du métal de base dépasse 350/C (660/F), il y a recristallisation de la zone écrouie entraînant une baisse de la résistance mécanique.

4- Lors du soudage, il peut se produire un recuit qui fait disparaître tous les effets des traitements thermiques antérieurs.

5- La sensibilité à la fissuration à chaud est plus grande si le bain de fusion contient entre 0,5% et 1,5% de silicium et / ou entre 0,5% à 2,5% de magnésium.

6- Les alliages aluminium – magnésium (série 6XXX) sont les plus résistants à la corrosion atmosphérique. Cependant, ils sont anodiques par rapport à plusieurs alliages non-traités thermiquement et peuvent se corroder lorsque joints à ces derniers.

7- L’utilisation d’un métal d’apport contenant du silicium (exemple 4043), pour le soudage d’un alliage sans silicium, entraîne un noircissement de la soudure lors d’un traitement d’anodisation postsoudage.

8- Une bonne préparation du joint assure une bonne pénétration et de bonnes propriétés mécaniques (voir le paragraphe sur la Soudabilité opératoire).

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PARTIE 1 : LES TYPES D’ALUMINIUM ET LEURS CARACTÉRISTIQUES

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Généralités

En raison de la couche d’oxyde réfractaire (alumine) qui le recouvre, l’aluminium était jadis considéré non soudable. Peu après, l’utilisation d’un décapant (flux) permettant d’éliminer l’alumine permit le soudage au gaz des alliages d’aluminium. Grâce au décapage électronique, il est maintenant possible de souder l’aluminium au GTAW et même à l’électrode enrobée. De nos jours, l’aluminium se soude facilement et il est facile de faire un dépôt de qualité ayant une belle apparence avec les procédés SMAW, OAW, GTAW et GMAW.

Classification

Il existe différents alliages d’aluminium. Ils sont généralement classés selon « l’Aluminum Association Alloy Number” pour les alliages de corroyage. C’est une désignation de quatre chiffres :

XXXX                série d’alliage (voir ci-dessous) basée sur l’élément majeur de l’alliage,

XXXX                si différent de 0, dénote une modification dans l’alliage de base;

XXXX                dans la série 1XXX, indique la pureté de l’aluminium et pour les séries                                   2XXX à 8XXX désigne un alliage spécifique de la série.

Exemple                                         Série d’alliage                                    Élément majeur

1100                                                       1XXX                                              Al – 99% et plus

2219                                                       2XXX                                             Cuivre (Cu)

3003                                                       3XXX                                             Manganèse (Mn)

4043                                                       4XXX                                             Silicium (Si)

5356                                                       5XXX                                             Magnésium (Mg)

6061                                                       6XXX                                             Mg + Si

7005                                                       7XXX                                             Zinc (Zn)

8006                                                       8XXX                                             Autres éléments

Les séries 1XXX, 3XXX, 4XXX, 5XXX et quelques alliages de la série 8XXX ne sont pas traitables thermiquement, c’est-à-dire qu’on ne peut pas changer de façon significative leurs propriétés mécaniques par des traitements thermiques. Cependant, les séries 2XXX, 6XXX, 7XXX et certains alliages de la série 8XXX sont traitables thermiquement. On peut modifier leurs propriétés mécaniques par des traitements thermiques parce qu’ils contiennent certains éléments d’alliage qui peuvent se dissoudre à l’intérieur de l’alliage à haute température et précipiter par la suite, de façon naturelle ou artificielle, pour améliorer les propriétés mécaniques.

Utilisations typiques

Les alliages de la série 1XXX sont souvent utilisés en raison de leur bonne conductibilité thermique et électrique. Ainsi, ils se retrouvent dans la fabrication des câbles aériens (exemple 1350), les échangeurs de chaleur et les casseroles (exemple 1050).

La série 2XXX est constituée des alliages aluminium – cuivre que l’on retrouve surtout dans le domaine aéronautique ou dans les transports civils et militaires en raison de leurs propriétés mécaniques élevées et de leur bonne usinabilité (exemple 2017).

Les alliages aluminium – manganèse de la série 3XXX sont utilisés pour leur résistance à la corrosion, leur soudabilité et leur aptitude au formage. On les retrouve dans la fabrication des tôles de toiture, les réservoirs d’entreposage et les chaudrons (exemple 3003).

Pour les pièces de moteur et les blocs moteurs , on utilise les alliages aluminium – silicium de la série 4XXX. Ils ont une très bonne coulabilité en plus de bien se comporter au forgeage (exemple 4356).

En raison de leur grande soudabilité, de leur résistance à la corrosion et de leurs propriétés mécaniques élevées, les alliages aluminium – magnésium de la série 5XXX sont utilisés dans la fabrication des bennes de camion, des couvercles pour boissons gazeuses et des bouteilles de plongée (exemple 5356).

La série 6XXX est constituée des alliages aluminium – magnésium – silicium, qui sont utilisés dans la fabrication de caravane de camping, de lampadaires, de boîtes de camions et pour certaines applications marines (exemple 6061).

En ce qui concerne les alliages aluminium – zinc de la série 7XXX, ceux-ci sont employés pour des applications particulières, tel que l’alliage 7020 qui est utilisé pour la construction du premier et deuxième étage de la fusée Ariane. Ce sont les alliages les plus complets. Ils sont résistants à la corrosion et possèdent une bonne coulabilité, une bonne usinabilité et de bonnes propriétés mécaniques en raison de leur teneur en zinc. On les utilise même pour fabriquer les plaques de blindage de certains avions militaires (exemple 7075).

Désignation des états métallurgiques

La désignation de l’état métallurgique est séparée par un tiret à la suite de celle de l’alliage. Cette désignation (“Aluminum Association Temper Designation System”) est utilisée pour l’aluminium et ses alliages coulés ou corroyés. Elle tient compte des diverses séquences de traitements effectués pour obtenir les caractéristiques métallurgiques désirées.

Elle est constituée d’une lettre caractérisant l’état de base et, pour les états écrouis ou traités thermiquement, elle est complétée par un ou plusieurs chiffres.

On retrouve les quatre états de base suivants :

– F, Brut de fabrication. Ce sont les matériaux dont l’état physique n’est pas contrôlé lors du processus de fabrication. Il n’y a pas d’exigences spécifiques pour les propriétés mécaniques de ces matériaux.

– O, Recuit. Caractérise un matériau dont la ductilité et la stabilité dimensionnelle sont préférées à la dureté et la résistance mécanique. C’est l’état le moins dur et le moins résistant des alliages corroyés.

– H, Écroui. Ce sont les alliages dont les propriétés mécaniques ont été améliorées par écrouissage à froid avec ou sans traitements thermiques. Le symbole H est toujours suivi par deux chiffres et plus. Le premier chiffre définit une suite d’opérations bien établie.

   – H1X, Écroui par déformation à froid et s’applique aux produits dont les propriétés            mécaniques sont obtenues seulement par écrouissage. Le deuxième chiffre définit le          taux d’écrouissage : 1 étant le plus faible, 8 le plus élevé et 9 s’applique pour les                  matériaux ultra-durs (ultra-écrouis).
– H2X, Écroui et partiellement recuit. Produits durcis à un niveau élevé par écrouissage,      puis restaurés partiellement par un recuit jusqu’à l’obtention des propriétés désirées.        Le taux d’écrouissage résiduel est caractérisé de la même façon que H1X, par un                second chiffre.
– H3X, Écroui et stabilisé. S’applique aux alliages contenant du magnésium et dont les          propriétés mécaniques ont été stabilisées lors d’un traitement thermique à basse                température. Le taux d’écrouissage résiduel est désigné de la même façon que dans les      cas précédents.

– T, Traité thermiquement. Produit ayant subi différents traitements thermiques avec ou sans durcissement par écrouissage pour obtenir un état stable autre que F, O et H. Le symbole T est suivi d’un chiffre entre 2 et 10 inclusivement qui détermine la série de traitements thermomécaniques à laquelle a été soumis l’alliage.

-T1   Formage à chaud et vieillissement naturel

-T2   Formage à chaud, écrouissage et vieillissement naturel

-T3   Mise en solution, écrouissage et vieillissement naturel

-T4   Mise en solution et vieillissement naturel

-T5   Formage à chaud et vieillissement artificiel

-T6   Mise en solution et vieillissement artificiel

-T7   Mise en solution et survieillissement ou stabilisation

-T8   Mise en solution, écrouissage et vieillissement artificiel

-T9   Mise en solution, vieillissement artificiel et écrouissage

-T10 Formage à chaud, écrouissage et vieillissement artificiel

Propriétés physiques des alliages d’aluminium

Capacité thermique
La capacité thermique de l’aluminium, soit la quantité de chaleur nécessaire pour élever un gramme d’aluminium de 1/C, est deux fois plus élevée que celle du fer. C’est pourquoi il faut plus de chaleur ou d’énergie pour élever la température de l’aluminium comparativement au soudage de l’acier.

Coefficient de dilatation thermique
Il est environ le double de celui de l’acier. Par contre la déformation de l’acier est du même ordre que celle de l’aluminium en raison de la température de fusion de l’aluminium qui est environ la moitié de celle de l’acier soit 660/C (1220/F) contre 1540/C (2800/F) pour le fer.

Conductibilité thermique
L’aluminium est trois à cinq fois plus conducteur que l’acier. C’est pourquoi la chaleur se dissipe très rapidement dans les parties adjacentes à la soudure. Il faut donc fournir plus de chaleur en raison de la capacité thermique, mais aussi la fournir rapidement pour minimiser les pertes de chaleur de chaque côté de la soudure.

Intervalle de solidification
Certains alliages ont un intervalle de solidification élevé, comme les alliages aluminium – cuivre qui ont un intervalle de 60/C (140/F). À l’intérieur de cet intervalle, l’alliage est encore liquide et ne possède aucune résistance mécanique. Il est nécessaire de passer cet intervalle le plus rapidement possible pour éviter l’effondrement du bain de fusion à l’intérieur de cette zone.

Prochaine partie (2) : La soudabilité des alliages d’aluminium (11 novembre)

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Partie 3 : Méthode de soudage des fontes

Afin de minimiser la surchauffe de la pièce, il est recommandé d’utiliser le plus petit diamètre d’électrode possible pour les premières passes qui sont en contact avec la fonte. Les électrodes de 2,5 mm (3/32″) conviennent très bien pour cela. De la même façon, il faut choisir la plus basse intensité de courant, tout en s’assurant d’obtenir un bon mouillage et un accrochage parfait. L’accrochage est souvent plus facile en courant alternatif. Il est préférable de s’abstenir d’osciller l’électrode en cours de soudage, de diriger l’arc dans le bain de fusion pour minimiser la dilution et de faire des cordons d’au plus 20 à 50 mm (¾ » à 2″) de long. Il est avantageux de marteler les cordons avec un outil au bout arrondi pendant qu’ils sont encore suffisamment chauds, soit au-dessus de 540°C (1000°F).

Le martelage a pour but de déformer le cordon par des efforts de compression de manière à réduire l’effet des contraintes de retrait qui se créent au cours du refroidissement. Il faut faire attention de ne pas utiliser un outil à bout pointu tel que le marteau qui sert à enlever le laitier, car les empreintes en forme de piqûres qu’il laisse sont des amorces de fissure. Si le métal déposé contient des porosités, cela signifie que le métal de base est contaminé ou imprégné de sable. Il faut alors enlever le cordon avec un ciseau à froid puis sceller cette partie de la pièce avec une électrode à âme d’acier conçue pour la fonte (Sodel 352) avant de continuer le soudage.

Il est important d’amorcer l’arc dans le chanfrein pour ne pas créer de point fragile sur la pièce. Pour minimiser l’effet de surchauffe locale, il est préférable d’espacer les cordons successifs sur toute la surface du chanfrein en prenant soin de toujours déposer les cordons dans la même direction, de s’assurer que la fin des cordons ne soient pas alignés pour ne pas former un plan de ruptures et de prendre soin que chacun des cratères soit rempli.

Il est parfois préférable, surtout pour les pièces épaisses, de beurrer les faces du chanfrein avec une électrode de type nickel (Sodel Ni99, Sodel 355) avant de compléter le remplissage avec une électrode de type ferronickel (Sodel Ni60, Sodel 35, Sodel Cu89). De cette façon, le métal déposé par beurrage absorbe une partie des contraintes en se déformant facilement, ce qui diminue les risques de fissuration.

Il est recommandé de ne pas utiliser les électrodes de type nickel (Sodel Ni99, Sodel 355) lorsque plus de trois couches sont requises à cause de la susceptibilité à la fissuration à chaud des dépôts à très hautes teneurs en nickel. Il est préférable de compléter le remplissage avec une électrode de type ferronickel (Sodel Ni60, Sodel 35, Sodel Cu89) ou d’alterner l’électrode de type nickel avec celle de type ferronickel.

Le soudage s’effectue toujours en commençant par les parties les plus bridées pour se diriger vers celles qui sont moins bridées. Le schéma fonte ci-dessous illustre le principe.

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Lors du remplacement d’une partie de la pièce par une plaque d’acier, il est préférable de percer un trou au centre de la plaque, de la segmenter en quatre parties et de joindre les quarts à la pièce avant de les souder ensemble selon la séquence indiquée au schéma fonte 6. Il demeure important de minimiser l’échauffement selon la méthode décrite au début de la section Méthode de soudage.

Les trous empêchant la propagation des fissures sont remplis à la toute fin du soudage.

Lorsque l’épaisseur de la pièce nécessite un remplissage en plusieurs passes superposées, cette superposition est réalisée dès le début en progressant avec la pleine section du chanfrein de façon à laisser tout le jeu possible à la fissure au cours du soudage (voir schéma plus bas).

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Si la méthode du soudage à chaud est utilisée, la longueur des cordons peut aller jusqu’à 75 – 125 mm (3″ – 5″). Par la suite, la méthode de soudage demeure la même à l’exception du refroidissement qui doit être le plus lent possible, soit au maximum 15 – 30°C / heure (30 à 55°F / heure) en utilisant par exemple des couvertures isolantes.

Avec le soudage à chaud, il est possible d’utiliser une baguette pour le soudage oxyacéthylénique qui dépose de la fonte grise (Sodel 65FC). De cette façon, le métal déposé possède une structure métallurgique et une couleur similaire à celles de la pièce.

Il faut cependant opter pour des températures de préchauffe élevées, soit 540 à 650°C (1000 à 1200 °F), utiliser des angles de chanfrein plus ouverts, même jusqu’à 120°, et bien arrondir les arrêtes et le fond du joint.

La température interpasse ne doit pas baisser sous 315°C (600°F) et il faut faire attention de ne pas surchauffer la pièce au-dessus de 675°C (1250°F).

La flamme utilisée doit être neutre ou légèrement carburante.

On forme d’abord un bain de fusion d’environ 25 mm (1″) dans le fond du chanfrein en conservant le dard du chalumeau à 3 – 6 mm (1/8″ – ¼ ») de la surface. Ensuite, on dirige graduellement la flamme d’une face à l’autre jusqu’à ce qu’elles fondent dans le bain de fusion. À ce moment, la flamme est dirigée vers la baguette pour ainsi ajouter le métal d’apport au bain de fusion. L’épaisseur de chaque passe ne devrait pas dépasser 10 mm (3/8″).

Nettoyage du laitier

Le laitier sur le dépôt peut être enlevé avec des outils manuels et une brosse d’acier inoxydable. Lors du soudage en multipasses, il est essentiel d’enlever toutes les traces de laitier sur la soudure avant de refaire un cordon.

Postchauffage
Il est possible de faire un recuit postsoudage pour :

– améliorer la ductilité de la zone affectée thermiquement;
– améliorer l’usinabilité du dépôt et de la zone affectée thermiquement;
– relâcher les contraintes résiduelles.

La température, le temps de maintien et le taux de chauffage et de refroidissement varient selon le type de fonte et sa teneur en éléments d’alliage. Le fabricant demeure la meilleure personne à contacter pour le choix du cycle thermique. De façon générale, pour la fonte grise non alliée, un recuit à 500°C (900°F) suivi d’un refroidissement à l’air libre réduit les contraintes résiduelles de 30% alors qu’un recuit à 600°C (1100°F) les réduit de 50%. Pour les éliminer presque totalement, il faut :

– monter jusqu’à 900°C (1650°F);
– maintenir la pièce à cette température pendant 60 minutes par 25 mm (1″) d’épaisseur;
– refroidir à l’air libre.

Pour la fonte ductile, le cycle qui confère le maximum de ductilité à la pièce consiste à :

– chauffer à 900 – 950°C (1650 – 1750°F) pour 1 heure plus 1 heure par 25 mm (1″) d’épaisseur;
– refroidir au four jusqu’à 690°C (1275°F);
– maintenir à cette température pour 5 heures plus 1 heure par 25 mm (1″) d’épaisseur;
– refroidir au four jusqu’à 345°C (650°F) à raison de 55°C / heure (100°F /heure);
– laisser refroidir à l’air libre.

Pour la fonte ductile, le cycle qui confère le maximum de ductilité à la pièce consiste à :

– chauffer à 900 – 950°C (1650 – 1750°F) pour 1 heure plus 1 heure par 25 mm (1 ») d’épaisseur;

-refroidir au four jusqu’à 690°C (1275°F);

-maintenir à cette température pour 5 heures plus 1 heure par 25 mm (1 ») d’épaisseur;

-refroidir au four jusqu’à 345°C (650°F) à raison de 55°C / heure (100°F / heure);

-laisser refroidir à l’air libre

CONSEILS PRATIQUES
LORS DU SOUDAGE DE LA FONTE

1- Pour nettoyer la fonte de la présence de graisse ou d’autres contaminants, chauffer les pièces de fonte entre 370 et 540°C (700 et 1000°F) jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de volatilisation (environ 1 heure). Référez-vous à la section Préparation de la surface et des joints.

2- S’il y a présence de fissures sur la pièce avant le soudage, bloquer leur propagation en perforant un trou dans leur prolongement à environ 10 mm (d ») de leur fin apparente.

3- Pour minimiser les risques de fissuration lors du soudage, préférer les préparations en U et arrondir les arrêtes.

4- Pour détecter la présence d’une zone durcie, utiliser une perceuse afin de voir si la mèche est capable de pénétrer la pièce.

5- Lorsqu’une couche dure (zone de trempe) est présente dans le joint, il faut enlever cette couche avant le soudage.

6- Éliminer les traces de meulage trop prononcées à l’aide d’un burin ou d’une lime avant le soudage.

7- Pour améliorer la résistance mécanique du joint, introduire des goujons dans la surface du chanfrein voir schéma.

8- Il est possible de souder les fontes sans préchauffage, voir la section Préchauffage.

9- L’utilisation du courant alternatif pour le soudage de la fonte permet un très bon accrochage.

10- Pour limiter l’apport thermique, faire des cordons d’une longueur d’environ 25 mm (1″) et les déposer l’un après l’autre de façon aléatoire et discontinue.

11- Le beurrage des pièces à l’aide d’une électrode de nickel avant le soudage aide à réduire les risques de fissuration en réduisant les contraintes à l’intérieur de la fonte.

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Partie 2 : Soudabilité des fontes

Préparation de la surface et des joints

Il est important de bien nettoyer la surface à souder de toute trace d’huile, de graisse, de rouille, de saleté, de solution pour l’inspection par liquide pénétrant ou peinture à l’aide de solvants appropriés. De par sa nature poreuse, la fonte a tendance à s’imprégner de ces contaminants et il faut alors la chauffer entre 370 et 540/C (700 et 1000°F) pour environ une heure ou jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de volatilisation. Il faut faire attention de ne pas créer de surchauffe locale et de ne pas chauffer ou refroidir trop rapidement la pièce pour éviter les risques de fissuration (voir l’article sur le préchauffage (partie 3)).

Tous les défauts ou fissures doivent être enlevés. Pour éviter la propagation des fissures lors de la préparation ou du soudage, il est recommandé de les bloquer en perforant un trou dans leur prolongement à environ 10 mm (d ») de leur fin apparente. Ce trou est de 6 mm (¼ ») de diamètre pour les faibles épaisseurs et son diamètre augmente lorsque la section de la pièce est plus grande. Si l’équipement disponible ne permet pas le perçage d’un trou, il est possible de souder perpendiculairement la fissure avec un cordon de 20 à 40 mm (1″ à 1½ ») de long à chacune de ses extrémités. Si ce cordon fissure dû aux tensions lors du soudage, il faut localiser la fin de la nouvelle fissure et répéter l’opération.

Si la pièce à déjà été soudée auparavant, il faut vérifier s’il y a une zone durcie près du cordon. Une méthode rapide et efficace pour détecter la présence d’une couche dure est d’utiliser une perceuse et de voir si la mèche est capable de pénétrer la pièce. Toute zone durcie doit être enlevée avant le soudage.

Les fontes étant fragiles, il est préférable de préparer les chanfreins en forme de U et d’arrondir les arrêtes. De plus, lorsque des produits d’apport à base de nickel sont utilisés, les angles de chanfrein doivent être environ 30% plus ouverts que pour l’acier et les méplats à la racine du joint plus minces pour assurer une pénétration complète. Pour les épaisseurs supérieures à 13 mm (½ »), l’utilisation de chanfrein en forme de U ou de J sur les deux faces minimise la quantité de métal d’apport et les tensions de retrait.

Pour les fontes grises possédant une charge de rupture inférieure à 275 MPa (40 000 psi), il est possible de chanfreiner seulement les deux tiers de l’épaisseur des pièces ayant plus de 13 mm (½ ») de section lorsque des électrodes de type ferronickel (Sodel Ni-60, Sodel 35, Sodel Cu89) sont utilisées pour le soudage.

Plusieurs méthodes sont disponibles pour enlever les défauts, les fissures, la couche de calamine ou d’oxyde et préparer les chanfreins. Il est possible d’usiner, de meuler, de ciseler ou de gouger à l’électrode (Sodel 512PLUS) les bords à souder. Le gougeage à l’électrode demeure la méthode la plus rapide mais elle peut entraîner la formation d’une mince couche durcie. Lorsqu’il y a formation d’une couche dure, cette dernière doit être enlevée par des moyens mécaniques avant le soudage. De plus, lorsque le meulage est utilisé comme moyen de préparation, il est préférable d’éliminer les traces ou les résidus de la meule avec une lime ou un ciseau à froid.

Si la pièce est trop fissurée, il est possible d’enlever une partie de celle-ci et de la remplacer par une plaque d’acier doux. Pour minimiser les risques de fissuration, il est important de bien arrondir les coins de la plaque. Étant donné la grande résistance mécanique de l’acier doux, l’épaisseur de la plaque peut être jusqu’à 33% inférieure à celle de la section de la pièce pour les fontes grises possédant une charge de rupture inférieure à 275 MPa (40 000 psi).

Pour les pièces de section importante, il est possible de minimiser la fragilité de la zone affectée thermiquement en gougeant des cannelures dans la face du joint (voir schéma plus bas). Ces cannelures sont remplies avec le métal d’apport sélectionné, puis les faces sont beurrées et finalement, le soudage des faces est effectué. Le soudage doit être effectué selon la méthode décrite plus bas. Cette méthode empêche la formation de plans de faiblesse continus dans la zone affectée thermiquement, ce qui minimise la propagation des fissures qui peuvent se créer en service ou lors du retrait du métal déposé durant le refroidissement.

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Une autre méthode pour renforcer le joint consiste à introduire des goujons dans la surface du chanfrein (voir schéma plus bas). Lorsque les goujons sont en acier, le nombre de goujons sera tel que leur surface représente environ 30% de la section de la pièce à l’endroit où est la rupture.

Les goujons sont vissés ou pressés, dans les trous préalablement percés, jusqu’à une profondeur au moins égale au diamètre du goujon.

De plus, il est recommandé de ne pas insérer tous les goujons à la même profondeur et de ne pas les mettre vis-à-vis l’un de l’autre. Il faut laisser les goujons dépasser de 3 à 5 mm (c » à 3/16″) au-dessus de la face du chanfrein pour qu’ils se

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 marient bien au métal déposé. Les goujons sont par la suite soudés en place puis les surfaces du

chanfrein sont beurrées et enfin, on procède au soudage des faces entre elles. Cette méthode permet de lier le métal déposé à la partie de la pièce qui n’a pas été influencée thermiquement.

Préchauffage
Lors du soudage des fontes grise, malléable, ductile ou à graphite compacté, une partie de la zone affectée thermiquement a tendance à se transformer en fonte blanche ou en structures fragiles. Cette transformation, qui survient au cours du refroidissement, est favorisée par leur forte teneur en carbone, leur teneur plus ou moins grande en éléments d’alliage et par la rapidité à laquelle la chaleur est dissipée dans la section de la pièce.

Pour éviter que la chaleur se dissipe trop rapidement dans la pièce, il est possible de la préchauffer entre 315 et 650°C (600 et 1200°F). Il faut cependant qu’elle soit à l’abri de tout courant d’air pour éviter les problèmes de fissuration. De plus, il n’est pas toujours possible de préchauffer la pièce à cause de sa taille ou des équipements qui s’y rattachent.

Pour toutes ces raisons, il est généralement préférable d’utiliser la méthode du soudage à froid. Avec cette méthode, la pièce n’est pas préchauffée en autant qu’elle soit à la température ambiante, 20°C (68°F). De plus, l’écart de température entre la soudure et le métal de base est limité à environ 50°C (90°F) de façon à ce que le soudeur puisse garder sa main nue en contact prolongé avec les parties voisines de la soudure. Autrement dit, pour une pièce qui est à 20°C (68°F), la température de la région voisine de la soudure ne devrait pas dépasser 70°C (158°F).

Il peut arriver que même si la méthode du soudage à froid est utilisée, il soit avantageux de préchauffer certaines parties de la pièce. Ceci peut permettre au joint de s’ouvrir lorsque l’on chauffe ces parties pour être ensuite soumis à des efforts de compression lors du refroidissement, ce qui diminue l’importance des contraintes de retrait. Le schéma suivant illustre bien ce phénomène :

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Prochaine partie (3) : Méthode de soudage (15 octobre)

Partie 1 : Fonte

Les fontes sont essentiellement des alliages de fer et de carbone contenant aussi d’autres éléments tels que du silicium, du manganèse, du soufre et du phosphore. Elles sont parfois alliées avec du chrome, du nickel, du cuivre, du molybdène, du vanadium ou d’autres éléments pour augmenter leur résistance à l’usure, à la corrosion ou aux hautes températures.

Contrairement à la plupart des métaux, les fontes ne sont pas classées selon leur composition chimique mais plutôt selon leur microstructure. La microstructure d’une fonte se présente sous forme de particules de graphite ou de carbure entourées d’une matrice d’acier qui peut être ferritique, perlitique, austénitique ou martensitique selon les éléments d’alliage, le taux de refroidissement et les traitements thermiques reçus. Nous pouvons donc distinguer plusieurs types de fonte :

Fonte blanche
Elle se nomme ainsi de par l’aspect blanc de sa cassure. Le carbone demeure lié au fer pour former des carbures lors de la solidification. La présence de ces carbures lui confère une très grande dureté mais aussi une grande fragilité. Cette dureté en fait un matériau idéal pour les applications nécessitant une grande résistance à l’usure comme des boulets de broyeurs, des matrices d’emboutissage ou des buses d’extrusion.

Fonte grise
Elle se nomme ainsi de par l’aspect gris de sa cassure. Le carbone précipite sous forme de lamelles de graphite (voir schéma plus bas). Les lamelles de graphite agissent comme des faiblesses qui facilitent la propagation d’une fissure à l’intérieur du matériau et diminuent sa résistance à la traction.

Cependant, ces mêmes lamelles lui confèrent une très bonne capacité d’absorption des vibrations et une bonne conductibilité thermique. Cette fonte est très commune car elle possède une bonne coulabilité et elle est facile à usiner car les lamelles de graphite agissent comme lubrifiant. Elle est utilisée pour la fabrication des pièces de transmission, des bouches d’incendie, des boîtiers, des blocs moteurs, des contrepoids ou des bases de machine.

Fonte malléable
Cette fonte est obtenue par le recuit d’une fonte blanche selon un cycle déterminé de température et de temps de maintien. Ce recuit permet la décomposition des carbures en nodules de graphite déchiquetés aussi appelés carbone de recuit (voir schéma plus bas). Ces nodules sont cependant moins compacts que ceux de la fonte ductile. Il existe deux types de fonte malléable, la plus commune est celle dite à “coeur noir” et est obtenue par le procédé décrit plus haut. L’autre type, qui se retrouve surtout en Europe, est celle dite à “coeur blanc” et s’obtient par la décarburisation de la fonte blanche.

La formation de nodules de graphite confère aux fontes malléables des propriétés mécaniques supérieures à celles des fontes grises. Elles sont surtout utilisées dans la fabrication de pièces mécaniques pour les industries de l’automobile, agricole, ferroviaire, de l’armement et des équipements lourds, pour des brides de tuyaux, pour de petits outils ou pour des éléments de structure.

Fonte ductile
Par l’addition de quantités minimes d’éléments spéciaux tels que le magnésium ou le cérium, le carbone précipite sous la forme de nodules de graphite compacts sans avoir à faire de traitement thermique (voir schéma plus bas). Cette fonte contient habituellement beaucoup moins de soufre que les autres fontes mentionnées auparavant. Ses propriétés mécaniques sont en général légèrement supérieures à celles de la fonte malléable. Elle est utilisée pour les mêmes applications que la fonte malléable et aussi pour de gros engrenages, des matrices de formage, des cylindres ou des cages de laminoir.

Fonte à graphite compacté
Cette fonte s’obtient elle aussi par l’addition minime d’éléments spéciaux tels le magnésium, le calcium, le titane ou l’aluminium. Le carbone précipite sous une forme de lamelles compactes (voir schéma plus bas). Ses propriétés mécaniques se situent entre celles de la fonte grise et celles de la fonte ductile. Elle se retrouve dans la fabrication de disques de freins, de culasses, de pignons, de manifolds, de boîtiers ou de poulies.

Fonte alliée
Il est possible d’ajouter des éléments d’alliage aux fontes blanche, grise, malléable, ductile et à graphite compacté pour augmenter leur résistance à l’usure ou à la corrosion, leur tenue à chaud ou encore leurs propriétés mécaniques. Les plus communs sont le chrome (jusqu’à 35%), le nickel (jusqu’à 45%), le molybdène (jusqu’à 5%), le cuivre (jusqu’à 10%) et le silicium (jusqu’à 18%). Dans la majorité des cas, ils sont ajoutés en combinaison car l’effet d’un élément renforce ou améliore l’effet d’un autre.

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Grise                           Malléable                       Ductile                  Graphite compacté

La composition chimique typique des fontes énumérées précédemment se retrouve dans le tableau suivant :

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Propriétés physiques des fontes

Conductibilité thermique
Les fontes avec du graphite de forme lamellaire conduisent mieux la chaleur que celles à graphite nodulaire et encore mieux que la fonte blanche. De façon générale, un acier donné conduira moins bien la chaleur qu’une fonte grise ayant une matrice identique car la conductibilité thermique du graphite est très bonne. Elle est cinq fois supérieure à celle d’une matrice ferritique, huit fois à celle d’une matrice perlitique et cinquante fois à celle du carbure de fer. De plus, la présence d’éléments d’alliage dans une matrice réduit sa conductibilité.

Conductivité électrique
La présence d’éléments d’alliage dans un acier ou une matrice de fonte diminue la conductivité électrique du matériau. De la même façon, la présence de graphite diminue la conductivité des fontes et ce, d’autant plus lorsque le graphite est présent sous forme lamellaire car il y a alors plus d’obstacles au passage du courant.

Coefficient de dilatation thermique
Les fontes ont un coefficient de dilatation thermique similaire à celui des aciers au carbone, à l’exception des fontes très alliées pour qui le coefficient peut être soit inférieur, soit supérieur selon les éléments d’alliage.

(Prochaine partie (2) : La soudabilité des fontes) (8 octobre)

Ce qu’il faut savoir au sujet du rechargement dur aux carbures de tungstène

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Les dépôts de rechargements durs en carbures de tungstène consistent en des matériaux composites constitués de  matrice d’alliage métallique renforcée par des particules de carbures de tungstène. La charge du renfort peut même atteindre 85% dans la matrice, laquelle peut être à base d’alliage ferreux, à savoir l’acier, ou non ferreux tels que l’alliage NiCrBSi,les maillechorts (Laitons allié au nickel: Cu-Zn-Ni) ou les alliages de cobalt. Contrairement à la matrice d’acier qui se durcit avant d’être prédisposée à la fissuration suite à la dissolution d’une certaine partie de carbures pendant leur séjour dans le bain de fusion. Cependant, les matrices de ces alliages non ferreux  présentent une capacité de mouillage supérieure pour les carbures en plus de conférer une tenue supérieure à la corrosion et aussi à la fissuration pour les dépôts.

Les matrices en alliages non ferreux commencent à fondre généralement à des températures inférieures, NiCrBSi (1050°C/2100°F)/ Maillechorts (750-900°C (1400-1650°F) a comparer à  celles en acier. Le choix de ces alliages de matrice préserve contre la dissolution des particules,  d’une part, et réduit la faible déformation du métal de base d’une autre part. L’autre avantage de l’alliage NiCrSiB réside dans sa qualité d’auto-décapage (self-fluxing) et de sa résistance supérieures aux attaques chimiques. De plus, les particules de tungstène se déposent et se mouillent mieux dans ces alliages.

Les rechargements aux carbures de tungstène procurent une résistance à l’abrasion supérieure à celle des carbures de chrome, donc un rendement et une longévité supérieurs. Leur emploi suscite alors un grand intérêt surtout pour les pièces ou équipements  subissant  de sévères contraintes en abrasion tels que les équipements et têtes de forage, tunneliers, vis sans fin dans les briqueteries, pâles de malaxeurs, racleurs de fonderies, lames de grattage, lames de patins de motoneige, équipements de dragage, aubes de pompes, etc.

Quant aux particules de tungstène, celles-ci se caractérisent par :

  • une grande densité – 15 g/cm3;
  • bonne résistance à l’oxydation jusqu’à 500-600°C;
  • très bonne inaltérabilité dans les milieux acides et basiques

*les particules de tungstène se trouvent souvent sous forme de mélange eutectique (polycristallins) WC-W2C. Les particules WC (2000- 3000 HV) sont plus dures que les particules W2C (1200-2300 HV).

À l’opposé des carbures de chrome qui se forment à partir de l’état liquide, lors de la solidification du bain de fusion, les carbures de tungstène se trouvent préalablement préparés  à partir de poudres de tungstène et de graphite et englobées à l’intérieur  des électrodes tubulaires (SMAW), dans le flux pour les fils fourrés (FCAW) ou bien enrobées dans la matrices des baguettes de soudage à la flamme (OFW). En soudage, les particules de tungstène tombent aussitôt dans le bain de fusion du métal d’apport en fusion, diluées par le métal de base, avant d’être liées par ce dernier en cours de solidification. La résistance à l’usure abrasive  est aussi tributaire de la préservation des carbures dans le bain de fusion. Pour ce faire, l’énergie de soudage et le temps d’interaction carbures-sources d’énergie doivent être optimisés pour éviter ou réduire le phénomène de dissolution des particules.

FACTEURS- intégrité RED _WC

 Parmi les facteurs ayant un effet déterminant sur la résistance et l’intégrité des dépôts de rechargements durs aux carbures de tungstène :

  • La ductilité de l’alliage de la matrice permet de réaliser des dépôts multipasses avec une fissuration moindre et une faible tendance à l’arrachement;
  • La fraction en volume et la dureté du dépôt évoluent proportionnellement avec le nombre de couches déposées;
  • Morphologie des particules : Plus large est la taille des particules, meilleure est la résistance à l’abrasion, et inversement.
  • Les carbures de forme sphérique présentent une faible tendance à la dissolution à comparer aux carbures concassés qui peuvent subir une refusion à partir de leurs arêtes. De  plus, dans les carbures eutectiques WC-WC2, c’est la phase WC2 de l’eutectique qui subit une dissolution  préférentielle plutôt que la phase WC qui  s’avère être la plus stable thermiquement.
  • Ségrégation : à cause de leur densité, les grosses particules se déposent au fond du dépôt tandis que les petites particules remontent en haut du dépôt. Les régions riches en carbures contiennent principalement des carbures WC/W2C. Cependant, un possible  effet de durcissement par solution solide du (W & C) peut toujours avoir lieu dans le cas de matrices en acier suite à la dissolution des carbures. L’ampleur de cet effet dépend toutefois du procédé et du mode de transfert. À cet effet, si l’on prend le cas du procédé GMAW avec un transfert par court-circuit (CC), on peut produire un dépôt avec un taux de carbures ou un ratio WC/Matrice presque similaire à celui du fil consommable. Cependant, une dilution de 1% propre à ce type de transfert est considérée trop basse pour l’intégrité du dépôt dans certaines conditions d’usage.
  • Procédé de soudage : certains procédés, à cause de leur faible énergie de soudage,  préservent mieux les particules carbures contre la dissolution. En effet, il a été démontré par des essais d’abrasion selon la norme ASTM G65 que la résistance à l’abrasion de certains dépôts provenant de même type de métal d’apport a été classée dans l’ordre décroissant suivants selon le procédé : 1) TIG, 2)OFW, 3)SMAW.

Khemici Badri, ing., M.Ing., IWE/EWE

khemici.badri@sodel.com

Opération déneigement : Stratégies afin d’augmenter la durabilité des patins d’usure

Les lames de grattage des équipements de déneigement sont considérés originellement comme des pièces de remplacement suite à leurs altération diverses dans les conditions de leur exploitation. Cependant, et afin de prévenir l’usure directe de ces lames et d’améliorer leurs équipements, les constructeurs procèdent à l’adaptation et la fixation de patins d’usure (wear pads) par en arrière des lames de manière que ces dernières se trouvent légèrement relevé par rapport au niveau du sol. Ce sont ces patins qui deviennent comme des pièces d’usure plutôt que les lames.

Les particules solides d’agrégats d’asphalte, sable, glace, etc.)issues des chaussées et des accotements glissent, sillonnent et rayent la surface du dessous des patins lors des opérations de déneigement. Ainsi, le mécanisme dominant de l’usure dans cette situation consiste essentiellement en l’abrasion. La surface d’usure se manifeste à travers des rayures parallèles au déplacement et de profondeur variable. Le taux d’usure a dégradation croît en fonction des propriétés du matériau du patin et aussi des conditions de travail telles que, entre autres, la pression ou la charge, la nature du sol, la distancée totale de glissement ou le temps de contact, l’agressivité du milieu, etc.

Compte tenu de la grande amplitude du mouvement, les débris d’usure se trouvent généralement évacués de la zone de contact mais certaines particules peuvent se trouver émoussées en surface avant de s’en détacher avec l’évolution de l’usure. Les surfaces endommagées par abrasion présentent des sillons et traces de rayures parallèles au déplacement et de profondeur variable. L’usure est assez constante au cours du temps, le volume des débris croît linéairement avec la charge appliquée et la distance parcourue.

Patins d’usure : matériaux et fabrication

Les patins d’usure sont constitués généralement soit entièrement en aciers durcis sur toute leur section, soit d’une base d’acier mi-dur avec une couche de surface en rechargement très dur. Cette dernière constitue la solution de prédilection pour prévenir l’abrasion des patins d’usure, prolonger leur durée de vie et ainsi augmenter le rendement des équipements. Dans les conditions d’usure sus-décrites, les matériaux devant être choisis sont des alliages ferreux de composition similaire à celle des fontes blanches a haut chrome avec d’autres éléments d’alliages formateurs de carbures très stables(Nb, V. W). La microstructure typique de ce type d’alliage hyper-eutectique est composée d’une grande fraction de carbures de chrome primaires, lesquels sont également renforcés par d’autres mono carbures au sein d’une matrice d’austénite et de carbures secondaires. La concentration élevée de ces carbures fait en sorte que les particules abrasives émanant du sol tendent à glisser sur la surface du rechargement au niveau des particules de carbures plutôt que d’indenter ou de gruger la matrice.

Selon les expériences précédentes, il s’avère les couches de rechargement dur déposées suivant un motifs en points ronds (Dot pattern) offre une meilleure résistance l’arrachement en comparaison a un rechargement continu déposé sur toute la base. Dans cette optique, il faut que le rechargement dur soit effectué dans des trous préalablement aménagés pour assurer un meilleur ancrage du dépôt. De plus, le métal de base doit être compatible avec le matériau de rechargement. Ce dernier doit aussi être soudé de façon assurer un minimum de pénétration et de prévenir les manque de fusion qui peuvent résulter a la limite des trous.

Préparation et soudage

  1. Perçage de trous de 1/4 » de profondeur et de 1/2-3/4 » de diamètre à chaque 2 » selon un motif à carreaux sur la surface du patin;
  2. Chanfreinage de l’ouverture des trous;
  3. Rechargement dur : Sodel 2045, Sodel 2024Plus ou autres produits selon le métal de base et la stratégie préconisée

Pour la séquence du rechargement, procédez comme suit :

  1. Préchauffez à 400°F;
  2. Amorcez l’arc au fond du trou et soudez/rechargez suivant un mouvement circulaire, soit du bord vers le centre;
  3. Déposez une surépaisseur de 2 à 3 couches une fois le trou rempli;
  4. Laissez refroidir jusqu’à la température ambiante;
  5. Meulez la périphérie du rechargement pour le rendre en forme de  »tête de rivet ».

khemici.badri@sodel.com

Prévenir les porosités lors du soudage de l’aluminium

Porosite_aluminiumLa porosité figure parmi les principaux défauts rencontrés dans le cas du soudage de l’aluminium. Ce phénomène est causé par l’hydrogène qui ne peut s’échapper du métal liquide et qui est reste alors piégé dans la microstructure après refroidissement. En fait, la concentration de l’hydrogène, très soluble dans l’aluminium liquide avec une limite d’environ 2.2 cm3/100 gr de métal, décroît rapidement pour passer à 0.069 cm3/100 gr de métal à la limite de solidification, avant de s’annuler quasiment (0.036 cm3/100 g de métal) après refroidissement. Le graphique ci-après illustre ce phénomène. La bonne conductivité thermique de l’aluminium précipite également la porosité notamment dans le cas de joints ou d’assemblages épais.

Graphique_aluminium_complet

Ainsi, en n’étant plus soluble dans l’aluminium à l’état solide, l’hydrogène libre se matérialise dans le métal sous forme de vides ou de poches d’air appelés défauts de porosité. Dépendant des conditions de refroidissement, ces derniers peuvent déboucher à la surface, rester occlus à l’intérieur du métal ou bien même prendre les deux formes. En effet, une porosité grossière ou groupée peut affecter certaines des propriétés du métal dont principalement la résistance mécanique et la ténacité.

SOURCES D’HYDROGÈNE :
En soudage, la présence de l’hydrogène dans l’aluminium tire principalement son origine de l’humidité, de la contamination et, dans une certaine mesure, des conditions de fabrication et des paramètres de soudage.

  1. Humidité
  • Couche d’oxyde hydraté sur la surface du métal;
  • Conditions de stockage du consommable de soudage (électrodes enrobées, baguette et fils solides);
  • Condensation dans les torches de soudage refroidies à l’eau (fuite dans les joints et les raccords);
  • Tuyaux de gaz de protection (plastique défectueux, non hermétique);
  • Gaz de protection inerte de faible pureté;
  • Changement de températures entre l’endroit d’entreposage des métaux d’apport et la station de soudage (condensation-point de rosée)

2. Contamination

L’hydrogène est le produit de la décomposition des substances hydrocarbures telles que les huiles de coupe, les graisses, les solvants, les lubrifiants solides, la saleté, etc. Ces matières contaminantes peuvent être présentes soit sur le métal de base ou métal d’apport, soit sur les outils de préparation ou de nettoyage.

3. Conditions de fabrication et paramètres de soudage

Procédés de fabrication

  • Les métaux de base produits par la coulée sous pression (Die casting)  contiennent initialement un taux de porosité excessif par rapport  à ceux de la coulée statique ou de l’extrusion. Ceci les rend vulnérables à la manifestation de la porosité soit dans le joint ou la zone affectée par la chaleur.

Paramètres de soudage

  • Soudage près de sources de courants d’air (portes ouvertes, ventilateurs en fonctionnement, etc.);
  • Une longueur d’arc ou une distance buse-surface(CTWD) excessives;
  • Couverture gazeuse insuffisante due à un débit de gaz insuffisant;
  • Turbulence dans le bain de fusion causée par un débit de gaz excessif;
  • Soudage GMAW en mode court-circuit (CC) ou globulaire (G) produisant de la projection,
  • Alimentation irrégulière ou erratique du fil en soudage semi-automatique;
  • Éclaboussures déposées autour de la buse affectant l’écoulement normal des gaz de protection;
  • Angle de soudage très inclinée par rapport à la normale;
  • Faible énergie de soudage;
  • Nombre de passes : le soudage multipasse (joints épais) plus enclin à produire de la porosité que le soudage monopasse (joints minces).

Prévention de la porosité

La porosité peut être contrôlée en procédant à un diagnostic exhaustif des principales sources de l’hydrogène avant de pouvoir apporter les actions correctives nécessaires. Cela implique le contrôle des conditions d’entreposage des matériaux d’apport, l’usage d’outils appropriés et propres pour le nettoyage ainsi que la mise en application des bonnes procédures de soudage, comme décrits ci-après.

Métaux d’apport 

Les électrodes ou métaux d’apport doivent être :

  • Entreposés dans un environnement sec ou sous une humidité relative maximale de 35% et à une température minimale de 15°C;
  • Conservés dans leur emballage d’origine jusqu’au moment de leur utilisation;

Les électrodes enrobées ayant absorbé de l’humidité peuvent être reconditionnées par un étuvage à 100-120°C pendant 1 à 2 heures.

Les fils et baguettes d’apport doivent être exempts de toute trace de lubrifiant solides utilisés lors des opérations de formage (tréfilage) pour réduire le frottement.

Outils, nettoyage et préparation:

  • Utiliser seulement des outils propres dédiés à l’aluminium tels que les brosses en acier inoxydable ou meules en céramiques pour enlever le film d’oxyde en surface;
  • Choisir des tuyaux de gaz de bonne résistance à l’humidité, soit en métal ou en néoprène;
  • Vérifier l’étanchéité des torches (Joints torique et raccords);
  • Dégraisser ou essuyer les baguettes d’apport solides avec des solvants tels que l’acétone;
  • Porter des gants propres pour manipuler le métal (pièces ou métaux d’apport);
  • Mettre les métaux d’apport au même endroit que les pièces à souder au moins une heure avant le soudage;
  • Respecter un intervalle de temps de 6 h max entre le nettoyage de la surface du métal et le début de soudage. Autrement, le nettoyage doit se faire  de nouveau avant le soudage.
  • Utiliser des gaz de protection et de purge qui rencontrent les exigences minimales de pureté selon les codes en vigueur.

3-Méthode de soudage :

  • Préchauffer le métal de base (ép.>1/4″) et aussi la plaque support (si utilisée) vers 200°C (400°F);
  • Utiliser le courant alternatif-haute fréquence pour le soudage TIG, afin d’assurer une meilleure action de décapage de la surface;
  • Augmenter l’énergie de soudage pour avoir un bain de fusion très fluide;
  • Utiliser un mélange de gaz inerte Ar-He (He>25% jusqu’à 75%) plutôt que l’argon pur afin d’avoir un arc très chaud et induire davantage de chaleur dans le métal et le bain de fusion;
  • Éviter les turbulences dans le bain de fusion en assurant une alimentation constante en fil;
  • Réduire le taux de refroidissement en réduisant la vitesse linéaire de soudage;
  • Garder la plus petite distance possible entre la buse et la surface du joint, soit 1-2 cm maximum;
  • Souder suivant un angle de plus ou moins 20° maximum par rapport à la normale.

Comme vous avez pu le voir, la porosité est créée par l’hydrogène qui n’a pu s’échapper lors du refroidissement de la soudure. Afin d’obtenir une soudure exempte de porosités, ont doit éliminer plusieurs sources qui favorisent la présence d’hydrogène que ce soit l’humidité, la contamination du matériel d’apport ou de base, les conditions de fabrication ou les paramètres de soudage. En assurant un meilleur contrôle des sources d’hydrogène vous augmenterez grandement vos chances d’obtenir une soudure sans porosité.

khemici.badri@sodel.com

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INDUSTRIE ALIMENTAIRE : ALIMENTER LA DURABILITÉ ET LA CONFORMITÉ DES PIÈCES D’ÉQUIPEMENTS

Dans les secteurs de l’industrie laitière et de transformation des aliments, on retrouve un grand nombre d’équipements et d’outils (cuves, mélangeurs, chariots, autoclave, récipients, plateaux, robinets, etc.) qui sont faits de matériaux métalliques et dont les critères de sélection sont basés principalement sur la non-toxicité et la durabilité. Le critère de durabilité implique dans ce contexte une résistance parfaite à la corrosion dans les différents milieux de transformation et les constituants des produits alimentaires en contact. Cela sous-entend qu’aucune contamination ni attaque localisée ou dissolution ne soient tolérées sur ces métaux ou alliages.

Les alliages d’aluminium (séries 1000 « aluminium pur » et série 3003), aciers inoxydables austénitiques (séries ferritiques et austénitique) et les alliages de nickel (nickel pur, Monel, Inconel, etc.) figurent, entre autres, parmi les meilleurs matériaux candidats pour l’industrie alimentaire. Ces matériaux sont couramment délivrés sous de multiples formes, à savoir des feuilles et des plaques laminées, des pièces coulées, des barres, des fils, des tubes, des raccords de tuyauterie, etc. La question d’assemblage, d’usinage et aussi du fini de surface occupe une place déterminante sur la qualité du produit fini. En s’intéressant d’aussi près à l’assemblage ou à la réparation qui se justifie parfois au moyen du soudage ou du brasage, on doit s’attarder normalement sur les propriétés des matériaux en question ainsi que les procédés et méthodes à mettre en œuvre. Pour cela, on voudrait évoquer ci-après quelques points sur ce qui s’avérerait utile pour la fabrication de ces produits qui doivent répondre à des normes de qualités et d’intégrité bien strictes.

Procédés de fusion à l’arc : le procédé TIG (GTAW), entre autres, présente toujours une meilleure qualité de soudure surtout pour l’aluminium avec l’avantage de produire une quantité négligeable voire nulle d’éclaboussures ou de projection. Ceci rend le procède bien adapté aux applications qui requièrent un degré de propreté ou d’esthétique élevés tels que des joints sur des tubes ou raccords.

Procédé de brasage : à cause de la toxicité de certains éléments d’alliage, on recommande d’utiliser:

  • des produits d’argent sans cadmium pour le brasage fort (Brazing),
  • des produits exempts de plomb ou d’antimoine pour le brasage tendre (Soldering).

Quelques critères de choix des aciers inoxydable (austénitiques et ferritiques)

Grades

  • grades à bas carbone pour les grades austénitiques et aussi les grades ferritiques pour des raisons de résistance à la corrosion et de soudabilité;
  • grades à très bas souffre pour prévenir la formation de sulfures qui rendent les surfaces irrégulières avec des traces ou points qui surgissent à la surface après polissage, lesquels sont à l’origine d’une corrosion localisée par piqures. Cependant, les teneurs en soufre ne doivent pas être inférieures à un certain niveau, soit 0.005% minimum, pour préserver une pénétration optimale de la soudure.

Autres facteurs :

  • Gaz de purge : la purge pour la protection du revers de la soudure surtout dans le cas des tubes ou assemblages à parois minces.
  • Passivation : ce traitement final s’impose après des opérations de soudage pour faire disparaître la couche tintée par la chaleur (couche appauvrie en chrome) qui prend naissance à côté des joints soudés et ainsi restaurer la bonne couche d’oxyde à la surface nécessaire pour la résistance à la corrosion.

Fini de surface : une surface très rugueuse favorise l’incrustation de produits corrosifs ou des contaminants, ce qui active généralement la corrosion bactérienne. La surface doit ainsi être dépourvue de rainures, stries, trous, etc. De ce fait, une rugosité optimale de l’ordre de 0.4 à 0.5μm favorise une meilleure résistance à la corrosion.

Design : un design bien pensé permet un accès facile à l’ensemble des surfaces et coins du produit. En fait, de bonnes pratiques de formage, d’usinage et de finition permettent d’éviter la présence de discontinuités géométriques indésirables telles que des cavités à la surface, manque de soudure, bourrelet de métal, ou des vides qui servent de sites privilégiés de corrosion par crevasses ou de corrosion bactérienne.

On en conclut que la fabrication de pièces ou d’équipements dans le secteur alimentaire est assujettie à des critères multiples et bien strictes depuis le stade du design jusqu’au procédés de fabrication en passant évidemment par le bon choix des matériaux. Une pièce bien conçue permettra d’éviter plusieurs problèmes en service et en facilitera la maintenance.

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Axe d’articulation coincé : On veut que ça bouge !

Photo_grizzly.jpgL’entretien d’équipements lourds peut apporter son lot de défis qui pourraient retarder la remise en fonction de ceux-ci.  Dans cet article, il sera question d’une pièce qui reste souvent coincée et qui peut retarder énormément le temps de maintenance sur les équipements lourds soit : l’axe d’articulation (pin). Il sera donc question d’une solution relativement facile à appliquer, afin d’éviter bien des soucis au point de vue financier et de la productivité.

Lorsqu’un axe d’articulation est coincé, il peut être très difficile et long avant de pouvoir le dégager, afin de continuer la maintenance de l’équipement. Certains vont tenter de lubrifier la pièce et frapper sur celle-ci, d’autres vont tenter de la chauffer ou vont utiliser un équipement hydraulique, afin de forcer l’extraction de celle-ci.  Il peut arriver que ces solutions fonctionnent mais à quel prix ? La lubrification suivie de coups sur la pièce pourrait être extrêmement long et inefficace. Tandis que l’utilisation d’un équipement hydraulique, afin d’extraire l’axe d’articulation pourrait causer de lourds dommages à l’équipement et ne garantit pas le succès pour autant, surtout, si celle-ci ne bouge tout simplement pas. Sans compter que souvent, plusieurs employés participent à l’extraction donc plus c’est long et plus cela coûte cher à la compagnie en temps non productif.

Notre expérience sur le terrain, nous a démontré que l’utilisation d’un équipement pouvant percer un trou et chauffer la pièce en même temps permettait d’extraire la pièce coincée rapidement. L’utilisation de tubes de coupage & perçage «exothermik » est un choix très sensé qui pourrait vous faire épargner beaucoup de temps en maintenance (heures / employé) et donc augmenter vos bénéfices.

Voici la procédure à utiliser avec l’équipement approprié et les tubes de coupage « exothermik », afin de procéder à l’extraction de l’axe d’articulation d’un équipement lourd.

  • Débutez le perçage de la pièce, tout en prenant bien soin de créer un espcylindre.jpgace d’écoulement (flèche rouge sur le dessin), afin de permettre au métal en fusion de sortir plus facilement et du même coup faciliter grandement le travail de l’opérateur.
  • griz5Continuez le perçage jusqu’à ce que vous passiez de bout en bout de l’axe.
  • Dès quegriz1 le trou est complété, aspergez immédiatement l’axe d’eau froide, à l’aide d’un boyau d’arrosage. La pièce extrêmement brûlante va se contracter au contact de l’eau froide.
  • Retirez l’axe d’articulation à l’aide d’un moyen mécanique ou manuel.

Afin de retirer un axe d’articulation coincé, plusieurs techniques peuvent être utilisées mais si l’extraction ne semble pas fonctionner avec vos techniques habituelles et que le temps presse, il pourrait être intéressant et payant d’essayer le duo Sodel Vulcain-Grizzly.

Pour plus d’information ou obtenir une démonstration : Support@sodel.com / www.sodel.com

Voir le duo Vulcain-Grizzly en action