Autres procédés de rechargement par soudage

Sommaire du dernier cours sur les rechargements en soudage. Le cours suivant sera le débit mécanique et le sommaire est ici.

8.6.6 Autres procédés de rechargement
1. Rechargement à l’arc électrique à l’électrode continue:

2. Procédé Eutronic – GAP (PTA)

3. Rechargement par projection à la flamme à haute vitesse (HVOF)

4. Rechargement par feuillard Electroslag (Placage)

• –a) Introduction
• –b) Description du rechargement par feuillard-Electroslag
• –c) Avantage du rechargement Electroslag
• –d) Paramètres
• –e) Applications
• –f) Remarque

5. Rechargement par soudage au Laser

• –a) Principe
• –b) Mise en œuvre de formation du dépôt
• –c) Avantages
• –d) Inconvénients
• –e) Comparaison des caractéristiques des différents procédés de rechargement
• –f) Micrographies de rechargement
• –g) Applications

8.6.6 Autres procédés de rechargement

1. Rechargement à l’arc électrique à l’électrode continue:

Les consommables sont deux fils métalliques pleins ou tubulaires. Ils sont dirigés au centre d’un jet gazeux (air ou azote) avec une vitesse de l’ordre de 250 m/s permettant des caractéristiques de dépôts performants. (porosité de 5 à 10 %); (eps dépôt de 0,2 à 3 mm); (force d’accrochage de 20 à 401 MPa) et (taux horaire de dépôt de 5 à 30 kg/h).
L’application d’un courant électrique génère un arc électrique permettant de fondre les fils (t° +/- 6000°C) Le métal fondu est atomisé et projeté sur la surface de la pièce à revêtir.
Ce procédé peut être manuel ou automatique, très simple à mettre en œuvre et particulièrement bien adapté aux impératifs de fiabilité et de reproductibilité imposés par la production en moyenne et grande séries.

2. Procédé Eutronic – GAP (PTA)

C’est un procédé combinant le TIG et le Plasma. Castolin Eutectic est très utilisé dans les opérations d’assemblage et de rechargement. Dans le processus GAP, le plasma est focalisé ou forcé, à travers l’anode résistante à la chaleur, générant une augmentation considérable de la densité de l’arc, de l’énergie et de la température. L’alliage de rechargement sous forme de poudre atomisée ou de fil froid, est amené à l’intérieur de la colonne de l’arc plasma ou un gaz de protection protège les composants du soudage de l’atmosphère. L’arc plasma et l’input de chaleur peuvent bien mieux être commandés qu’un arc électrique conventionnel, l’énergie est presque totalement utilisée pour la fusion du métal réduisant ainsi la chaleur introduite et la dilution à leur strict minimum.

Dépôt avec adhérence > 40 MPa, porosité < 10 %, taux de dépôts variant de 1 à 5 kg/h, rendements de projection de 50 à 90 %. Selon les matériaux projetés. Granulométrie des poudres comprise entre 22 et 120 µm.

• Haute densité de l’énergie dans un arc focalisé à l’extrême.
• Taux de dépôt élevés pour des temps de soudage plus courts
• Revêtements homogènes, exempts de porosités et d’éclaboussures
• Dilution, introduction de chaleur, distorsion et zone affectée par la chaleur plus petites que tout autre procédé de soudage à l’arc.
• Commande idéale de l’épaisseur du dépôt
• Pureté et performance maximales de l’alliage
• Surfaces plus douces pour des coûts d’usinage plus faibles
• Reproductibilité exceptionnelle
• Flexibilité d’alliage, les domaines d’application sont très fortes du fait de la diversité des matériaux d’apport et de la flexibilité de la technologie (industries automobiles et aéronautiques, industrie pour traiter les problèmes d’usure, de corrosion, d’oxydation, de frottement etc…. (ex. Fig 8-17).

3. Rechargement par projection à la flamme à haute vitesse (HVOF)

C’est un procédé de projection à froid, à vitesses supersoniques, permettant une liaison mécanique optimale et garantissant des qualités aéronautiques à des prix industriels. Une grande variété de matériaux, alliages métalliques, carbures ou oxydes extra durs pouvant être appliquée en couches fines.
Principe : Le carburant ou le gaz comburant et l’oxygène sont mélangés dans la chambre de combustion après passage au travers d’orifices calibrés. La combustion est stable, uniforme et provoque une pression constante.
La forme et les dimensions de la tuyère d’éjection permet de réaliser un jet supersonique et une zone à basse pression par l’introduction radiale de la poudre (Fig 8-19a).
La vitesse de sortie des particules est en relation directe avec la pression de la chambre de combustion. Une poudre fusionnée est projetée sur la surface de la pièce à revêtir.

4. Rechargement par feuillard Electroslag (Placage)

a. Introduction : Le placage est un procédé permettant de faire adhérer ayant des propriétés souhaitées à un métal de base qui peut être du carbone/manganèse ou faiblement allié bon marché et qui a surtout pour fonction de supporter une charge externe. Le matériau de placage plus sophistiqué donne au métal de base des propriétés de surface, telles que résistance à la corrosion et à l’usure.

Il existe différents procédés pour réaliser le rechargement :

• Soudage par pression (laminage)
• Soudage par explosion
• Rechargement par soudage par fusion

Parmi tous ces procédés, le placage à l’arc submergé et le placage Electroslag présente une vitesse de dépôt très élevée comme le montre la Fig 8-21, mais aussi les meilleures caractéristiques du bain de fusion, un travail sans problème et la possibilité d’utiliser un équipement de soudage non sophistiqué. Le principe du rechargement par feuillard-électrode a été mis au point aux environs de 1920 aux USA et a été amené en Europe lors du démarrage des industries nucléaires (fin des années 1950). Différentes variantes du soudage à l’arc submergé ont été mises au point afin d’augmenter la capacité de surfaçage.

b) Description du rechargement par feuillard-Electroslag : Ce rechargement diffère de la technique à l’arc submergé du fait que la chaleur nécessaire pour fondre le métal de base et le feuillard est fournie par effet Joule. Le courant de soudage passe par le feuillard au travers d’une couche fondue conductrice d’électricité obtenue grâce à un flux aggloméré, de formulation spéciale à forte teneuren fluor. Le procédé de rechargement Electroslag est caractérisé par l’absence d’arc électrique durant le rechargement.

L’arc créé lors du démarrage est éteint presque immédiatement. Afin d’avoir un procédé stable, l’épaisseur et la surface du bain doivent être maintenues aussi constantes que possible. A l’inverse du procédé à l’arc submergé où l’arc est la principale source de chaleur, dans le procédé Electroslag, c’est uniquement l’échauffement par résistance du laitier qui fait fondre le feuillard et le métal de base.

• Pénétration très régulière
• Faible niveau de pénétration donc peu de dilution, d’où moins de couches sont nécessaires pour obtenir les propriétés exigées.
• Qualité élevée et constante du dépôt. Répartition homogène des éléments d’alliage dans le métal déposé.
• Très faible sensibilité à la fissuration à chaud pour des matériaux qui y sont sensibles.
• Une surface très égale avec peu de recouvrements
• Peu d’investissements lors du passage du fil au feuillard
• Reproductibilité élevée
• Vitesse de dépôt élevée (Fig 8-21)

• Utilisation simple. En principe, le même équipement peut être utilisé pour les deux procédés
• La technique par Electroslag donne une vitesse de dépôt plus élevée que la technique sous flux pour un même apport de chaleur et des épaisseurs de couches comparables.
• Très faible dilution avec le métal de base (la dilution typique se situe entre 7 et 10 %)
• Procédé de rechargement très régulier et stable avec peu de risque de défauts, comme les inclusions de laitier, manque de pénétration, ….
  La Fig 8-23 donne une comparaison entre les principales caractéristiques et différences entre les techniques de rechargement (placage) sous flux et Electroslag.

• Utilisation de courant continu avec électrode au pôle positif. Le pôle négatif à l’électrode donnerait un fonctionnement instable et irrégulier.
• Fonctionnement stable obtenu à l’intérieur d’un champ déterminé en fonction de la dimension du feuillard. 40 à 45 A/mm² sont typiques pour le procédé Electroslag, tandis que 20 à 25 A/mm² sont typiques pour le procédé sous flux.

Le tableau Fig 8-24 donne quelques valeurs d’intensités de soudage.

L’intensité du courant influence évidemment la vitesse de soudage et ces deux caractéristiques sont déterminantes pour l’épaisseur de la couche et de la dilution.

• Tension de soudage : Elle doit être maintenue constante (+/- 1 V). La tension optimale dépend du flux utilisé en tenant compte de la très fine couche de laitier fondu dans lequel l’extrémité du feuillard doit rester. Une tension faible peut engendrer des courts circuits de sorte que le feuillard colle au métal de base. Une tension trop élevée fait apparaître des projections et le bain de fusion se comporte irrégulièrement. La tension devra être contrôlée au moyen d’appareil de mesure calibré, directement connecté entre l’alimentation du feuillard et la pièce.
• Vitesse de soudage : Dépend de l’épaisseur de couche souhaitée et de l’intensité de courant. L’épaisseur varie de 3,5 à 5,5 mm en fonction des conditions pratiques de soudage et de la spécification de la soudure. Une vitesse exagérée provoquera des arcs et des défauts. On a tendance actuellement à modifier le flux, de telle façon à ce que des vitesses de soudage plus élevées puissent atteindre des valeurs de 35 cm/min avec une épaisseur de couche inférieure à 3 mm.
• Stick-out du feuillard : C’est-à-dire la longueur libre mesurée à partir de l’extrémité du feuillard jusqu’au flotteur, varie entre 25 et 40 mm (35 mm est une valeur typique).
• Recouvrement : C’est la distance entre le bord du feuillard et le bord du rechargement précédent
  (soudure) soit entre 5 et 10 mm. Il est fonction d l’épaisseur de la couche. Plus cette couche est épaisse, plus petit sera le recouvrement (pour une couche de 4,5 mm, le recouvrement sera de 8 à 10 mm). Le contrôle magnétique favorise la transition douce dans le recouvrement avec une différence minimale de hauteur entre les couches.
• Quantité de flux : La hauteur de la couche de flux est souvent supérieure de 5 mm à la longueur du Stick-out. Une hauteur supérieure entraîne une forte consommation de flux et une quantité de flux derrière le feuillard qui couvre le bain de fusion et le flux fondu, d’où moins de dégazage et un laitier poreux, laissant des traces inacceptables sur le rechargement.
• Position de soudage : Le soudage en position descendante, à plat ou en position montante a une influence sur le taux de dilution et sur le profil de dépôt. La position de la tête de placage est d’une grande importance lors du soudage des surfaces courbes (intérieures ou extérieures).
• Champ magnétique : La géométrie du métal déposé peut être influencée négativement par le champ magnétique créé par le courant de soudage. Pour contrer ce soufflage magnétique, qui est souvent la cause de défauts de soudage dans la zone de recouvrement, on utilise un appareil pour contrôle magnétique (Fig 8-25). Un positionnement approprié des pôles magnétiques influence la forme de la soudure. Les bords sont optimaux et la couche la plus large est plus plane.
• Produits de rechargement
• Electroslag (feuillards de soudage)

Des feuillards standardisés sont disponibles avec des tolérances très strictes. Les dimensions standards sont : 30 x 0,5 ; 60 x 0,5 et 90 x 0,5 mm. D’autres dimensions peuvent également être utilisées. Afin d’obtenir une composition donnée dans le dépôt, il est toujours nécessaire de considérer la combinaison du feuillard et du flux avec le métal de base.

• Placage avec un Ni Cu type 400 sur des appareils Ø 4000 eps des parois de 200 mm (Soudotape Ni Cu-7 et Record EST 201).
• Rechargement de laminaire pour coulée continue avec un alliage 420 (45 Rc) utilisation de Soudotape 420 (60 x 0,5 mm) et Record EST 420.
• Placage Electroslag d’un réacteur chimique (Ø 1,4 m, eps paroi 48 mm), utilisation de Soudotape Ni Cr Mo 22 + Record EST 201C.

f) Remarque : Il existe beaucoup d’autres procédés de rechargement qu’il nous est impossible de traiter dans cet ouvrage généraliste. Le lecteur peut s’informer chez les principaux fabricants, via internet par exemple.

5. Rechargement par soudage au Laser

Dans ce procédé, un métal d’apport est transporté sous forme de fil ou de poudre, injecté latéralement ou coaxialement dans un faisceau Laser et soudé sur le métal de base.
a) Principe : Le rechargement par Laser est une technique de rechargement par soudage qui consiste à déposer sur la surface d’une pièce, une couche de matériau de nature, le plus souvent, différente (Fig 8-27a). L’installation industrielle est associée à une machines à 4 axes (Fig 8-27b) avec plateau diviseur, pilotée par une commande numérique (Fig 8-26a) qui gèrent les déplacements relatifs de la pièce sous le faisceau Laser, ainsi que les paramètres du procédé (puissance du Laser, débit de poudre, largeur des passes, etc …).

Un logiciel de CFAO intégré, permet d’élaborer les programmes CN à partir d’un ordinateur.
Les produits de rechargement sont principalement des matériaux composites à base de poudres de carbures de tungstène fondus sphériquement (3500 HV) mélangés à une matrice métallique Ni-Cr (40 HV). Mais d’autres matériaux peuvent être projetés, tels que : base cobalt (stellite grade 6,12,21), superalliages base nickel (inconel 718, 625, astroloy), base fer (inox 304, 316, 420, aciers rapides), etc
On peut citer, parmi la gamme des matériaux traités: les aciers non alliés, aciers au chrome, inox martensitiques ou austénitiques, aciers à outils, aciers amagnétiques, superalliages nickel, fontes GS, fontes grises lamellaires, alliages titane (TA6V).

• Une partie de l’énergie délivrée par le faisceau Laser sert à préchauffer la poudre dans le faisceau
• La fraction d’énergie transmise à travers le jet de poudre permet de refondre superficiellement la surface à recharger du métal de base (substrat).
• Le bain de fusion est entretenu par l’apport d’énergie du Laser et déplacé sur le métal de base.

L’utilisation d’une buse coaxiale autorise :

• Des rendements de projections élevés (> 90%)
• Une excellente projection gazeuse contre l’oxydation du bain de fusion
• Des trajectoires complexes (fonctionnement multidirectionnel).

• Procédé entièrement automatisés, très robuste
• Dépôts d’épaisseur 0,3 à 2 mm par couche
• Grande précision dans la construction des dépôts: tolérances de l’ordre de 0,1 mm
• Liaison métallurgique parfaite : pas de “délamination”, pas d’écaillage
• Dépôts denses, pas de porosité
• Absence de fissurations
• Taux de dilution dans le métal très faible (< 1%): les dépôts présentent des caractéristiques optimales dès les premiers 0,1 mm d’épaisseur
• Grande finesse des microstructures favorable à la tenue à l’usure et à la corrosion
• Faible affection du métal de base : ZAT réduites, peu, voire pas de déformation

• Coût de fonctionnement élevés dus à un faible rendement électrique (7%), des consommations de gaz élevées, un faible couplage optique avec les matériaux utilisés (absorption par le fer à 20°C = 10%)
• Coûts de maintenance élevés : maintenances fréquentes
• faisceau non transportable par fibre optique[/b]

f) Micrographies de rechargement
Revêtements à base de poudre (Wc + Ni + Cr) et de stellite (Fig 8-29 a & b). On constate que la liaison métallurgique est excellente, la dilution très faible, pas de porosité dans les dépôts. Les épaisseurs variant de 0,3 mm à quelques millimètres par couche.

• Dépôts anti-usure sur broyeurs, lames, ….
• Réparation d’outillages, moules d’injection, …
• Stellitage d’aubes de turbine, siège de vanne, matrices, poinçons, …
• Dépôts base de fer, Al, Ni, Co, Cu sur aciers, aluminium, superalliages, ….

Le cours précédent traitait des procédés de rechargement courants
Le cours suivant sera le débit mécanique et le sommaire est ici.