La fabrication et la réparation des arbres, des engrenages, des pièces forgées et de nombreuses autres applications d’équipement lourd nécessitent des matériaux capables de résister à des conditions difficiles et exigeantes. Dans ces cas, les aciers faiblement alliés AISI/SAE 4130 et 4140 sont souvent utilisés car leur composition chimique leur permet d’être traités thermiquement pour obtenir une résistance à la traction et une dureté élevées. Les spécifications AISI/SAE 4130 et 4140 font référence à une gamme de composition chimique uniquement, par opposition à une gamme de composition chimique et de propriétés mécaniques. Le 4130 et le 4140 ont tous deux du carbone, du chrome (0,80 % à 1,15 %) et du molybdène (0,15 % à 0,25 %) comme éléments d’alliage primaires. Ils diffèrent légèrement dans leur teneur en carbone : Le 4130 a une teneur nominale en carbone de 0,3 %, tandis que le 4140 a une teneur nominale de 0,4 %. La résistance de ces deux matériaux peut varier considérablement en fonction du traitement thermique effectué : recuit, normalisation ou trempe et revenu. La trempe à la flamme peut être utilisée pour durcir davantage l’extérieur de ces matériaux tout en gardant l’intérieur relativement mou.
Leur résistance rend les aciers 4130 et 4140 bien adaptés aux composants tels que les engrenages qui nécessitent une résistance et une durabilité élevées. Cependant, les niveaux plus élevés de carbone, de chrome et de molybdène qui rendent ces matériaux solides et hautement durcissables les rendent également plus sensibles à la fissuration. Considérez les défis communs et les meilleures pratiques pour le soudage des aciers 4130 et 4140, à la fois dans la nouvelle fabrication et dans le soudage de réparation, et comment le bon métal d’apport peut aider à assurer le succès.
Touches pour le soudage des aciers 4130 et 4140
Plusieurs des défis et des meilleures pratiques pour le soudage des aciers 4130 et 4140 sont les mêmes, que l’application implique le soudage de nouveaux matériaux ou la réalisation de réparations. Considérez ces six étapes importantes lors du soudage ou de la réparation des 4130 et 4140:
- Identifier le traitement thermique. Une nouvelle fabrication est généralement effectuée sur un matériau à l’état recuit ou normalisé. Il n’est pas recommandé de souder l’acier 4130 ou 4140 à l’état trempé et revenu ou cémenté sans effectuer au préalable un recuit ou une normalisation dans la zone à souder.
- Sélectionner un métal d’apport. Le choix du métal d’apport approprié pour les aciers 4130 et 4140 dépend de l’état du matériau avant soudage, des exigences de conception du composant et de l’état souhaité du matériau après soudage. Pour les matériaux laissés à l’état brut de soudage ou libérés des contraintes après soudage, l’adaptation de la résistance à la traction du métal de base tel qu’il est fourni est un facteur déterminant courant lors de la sélection du métal d’apport. Il est courant d’utiliser un métal d’apport faiblement allié qui ne partage pas la composition chimique du matériau de base 4130/4140, mais qui offre néanmoins des propriétés mécaniques appropriées pour les conditions de soudage et de traitement thermique post-soudage (PWHT). Cependant, si un composant doit être réparé de nombreuses fois au cours de sa durée de vie – chaque réparation exigeant un cycle de détente post-soudure – assurez-vous que le métal d’apport continuera à fournir les propriétés mécaniques souhaitées après la durée totale de détente.
Sous-apparier la résistance à la traction du métal de base 4130 et 4140 – choisir un métal d’apport plus faible que le métal de base – permet d’améliorer la ductilité du métal soudé et la résistance à la fatigue, mais peut ne pas permettre à la soudure de résister aux contraintes élevées requises par la conception d’un composant particulier. Le dépassement de la résistance à la traction des soudures 4130 et 4140 – en choisissant un métal d’apport plus résistant que le métal de base – n’est généralement pas recommandé, car la résistance à la traction supplémentaire s’accompagne d’une perte de ductilité qui peut accroître la sensibilité à la fissuration du métal soudé. Les soudures qui doivent être recuites ou normalisées après le soudage peuvent bénéficier d’un métal d’apport 4130 ou 4140, respectivement. Bien que les métaux d’apport 4130 et 4140 produisent un dépôt fragile tel que soudé, la microstructure « réinitialisée » offerte par le recuit ou la normalisation restaure la ductilité à la fois du métal soudé et du métal de base affecté par la chaleur.
Les soudures qui doivent être trempées et revenues après soudage nécessitent l’utilisation d’un métal d’apport 4130 ou 4140, car la plupart des métaux d’apport faiblement alliés ayant une résistance à la traction suffisante n’ont pas le carbone nécessaire pour réagir de manière appropriée après une option de trempe et de revenu. - Appliquer un préchauffage. La trempabilité plus élevée des aciers 4130 et 4140 augmente la facilité avec laquelle une microstructure dure et cassante dans la zone affectée par la chaleur ou le métal de soudure dilué se forme après le soudage. Le préchauffage est nécessaire pour obtenir des soudures cohérentes et de haute qualité. L’établissement et le maintien d’une température minimale de préchauffage et d’interpassage ralentit la vitesse de refroidissement de la soudure et du métal de base afin de prévenir ou de minimiser la formation de microstructures fragiles. Assurez un préchauffage adéquat en utilisant des températures suffisantes, généralement entre 550 et 800 degrés F pour le soudage de composants épais, et en chauffant toute l’épaisseur du matériau de base, plutôt que d’atteindre la température en surface. L’utilisation du chauffage par induction peut aider à atteindre efficacement un chauffage approprié dans toute la pièce. Veillez également à établir la température de préchauffage à une distance suffisante du joint de soudure, généralement un minimum de trois pouces dans toutes les directions. Les pièces soudées plus grandes peuvent bénéficier d’une zone de préchauffage encore plus grande autour du joint de soudure.
- Effectuer le soudage. Comme pour le préchauffage et la température d’interpassage, lorsque l’apport de chaleur est trop faible, il peut accélérer la vitesse de refroidissement de la soudure à un point où des microstructures fragiles se forment, ce qui nuit à la ductilité et à la ténacité. L’apport de chaleur est augmenté en augmentant la tension et l’ampérage, et en réduisant la vitesse de déplacement. Tenez compte des effets de ces variables lors de l’élaboration d’un procédé de soudage pour l’assemblage des aciers 4130 et 4140.
- Refroidissement lent. Le maintien de la soudure à la température de préchauffage pendant un certain temps après le soudage, suivi du recouvrement de la soudure par un isolant céramique, est bénéfique car cela permet la diffusion de l’hydrogène à partir du métal de soudure et de la zone affectée par la chaleur (ZAC). Un temps de maintien de 30 minutes à une heure par pouce d’épaisseur du matériau de base est recommandé. Ce processus est officieusement connu sous le nom de cuisson à l’hydrogène, et il est différent de la détente post-soudure.
- Appliquer un traitement thermique post-soudure. Le traitement thermique post-soudure peut aider à libérer les contraintes créées par le soudage qui peuvent contribuer à la fissuration de la soudure finie. La libération de ces contraintes résiduelles peut également être bénéfique avant l’usinage pour aider à maintenir des tolérances serrées. Les matériaux minces (moins de 1/8 pouce d’épaisseur) n’ont généralement pas besoin d’être libérés des contraintes car la fissuration est moins préoccupante. Les matériaux plus épais sont généralement détendus à une température comprise entre 1 050 et 1 250 degrés F pendant environ une heure par pouce d’épaisseur du matériau de base. Comme mentionné précédemment, il faut toujours tenir compte des durées et des températures d’un traitement thermique post-soudure – qu’il s’agisse d’un PWHT, d’un recuit, d’une normalisation ou d’une trempe et d’un revenu – pour s’assurer que le métal d’apport à utiliser fournira ou maintiendra des propriétés mécaniques adéquates.
Touches pour la réparation de l’acier 4130 et 4140
La réparation de l’acier 4130 ou 4140 est souvent plus compliquée qu’une nouvelle fabrication avec les matériaux puisque le composant à réparer peut être usé, gras ou sale. Il peut également être plus difficile de recueillir des informations sur le traitement thermique antérieur du matériau. Consultez toujours les informations sur l’équipement d’origine pour obtenir des conseils et mieux comprendre les traitements thermiques ou les exigences de conception du composant. Il est particulièrement important d’identifier la façon dont la pièce a été traitée thermiquement – si elle est recuite, normalisée, trempée et revenue ou durcie à la flamme – avant d’effectuer une réparation. Une pièce qui a été trempée et revenue, par exemple, est généralement moins ductile et plus sensible aux fissures, ce qui la rend beaucoup plus difficile à réparer. Dans ce cas, un recuit ou une normalisation localisés autour de la soudure avant la réparation peuvent aider, mais il faut savoir que cela affecte la résistance du matériau. Un produit de rechargement peut être nécessaire si la dureté de la surface était une considération primordiale. Si la restauration de la résistance du matériau de base est nécessaire, il peut être conditionné à nouveau à l’aide d’un traitement thermique après la réparation.
Préparer correctement le matériau avant la réparation permet également d’assurer une qualité de soudure élevée. Le soudage sur de l’huile ou de la graisse peut contribuer à la porosité du métal soudé et à la diffusion d’hydrogène dans le dépôt de soudure, ce qui augmente le potentiel de fissuration induite par l’hydrogène. Le simple fait d’enlever l’huile et la graisse visibles peut ne pas être suffisant. Il faut plutôt envisager un dégraissage à la vapeur pour éliminer les contaminants piégés dans les pores du matériau de base ouverts par des températures élevées. Voici quelques conseils supplémentaires pour deux types de réparation spécifiques :
- Réparation des fissures : Quel que soit le matériau de base, la réparation des fissures est compliquée. Les réparations souffrent souvent d’une contrainte de jointure plus élevée qui introduit une contrainte supplémentaire et augmente le risque de fissuration. Avant de tenter des réparations, effectuez un contrôle par ressuage (PT) ou par magnétoscopie (MT) pour identifier l’étendue complète de la fissure. Retirez la zone fissurée par meulage ou par gougeage à l’arc. La zone enlevée doit former un large « V » ou « U » pour aider à prévenir l’absence de fusion ou la fissuration de solidification pendant le soudage. Utilisez le préchauffage lors de tout processus de gougeage à l’arc pour les mêmes raisons que le préchauffage lors du soudage. Pour minimiser le risque qu’une fissure existante continue à se propager pendant une réparation, percez les deux extrémités de la fissure. Avant de souder, assurez-vous que la fissure a été complètement éliminée, toujours avec le PT ou le MT. Après cette préparation approfondie, le soudage peut enfin commencer.
- Construction et recouvrement : Ce type de réparation fait référence à la restauration des composants à leurs dimensions d’origine et, dans le cas du surfaçage, à l’application d’un dépôt qui fournit une dureté comparable à celle qui peut être obtenue par trempe et revenu ou par cémentation. Pour mener à bien ces réparations, il faut envisager des métaux d’apport de type build-up et overlay. Les produits de recouvrement ont tendance à être plus durs que les produits de reconstitution, mais ils ont souvent des limites d’épaisseur, alors que les produits de reconstitution n’en ont généralement pas. Cela signifie que si l’on utilise des produits de recouvrement au-delà d’un certain nombre de couches, le dépôt de soudure n’a pas une bonne ductilité et peut être sensible aux fissures ou simplement se détacher du métal de base. Les produits Build-up sont utilisés pour remettre un produit à la dimension lorsque l’épaisseur à restaurer dépasse celle autorisée pour un produit de recouvrement.
PENSÉES DE CLÔTURE
En raison de la haute trempabilité des aciers 4130 et 4140, la sélection du métal d’apport, le contrôle de l’hydrogène et la vitesse de refroidissement sont des considérations critiques pour obtenir les meilleurs résultats. Pour aider à assurer le succès des applications de soudage d’équipement lourd :
- Vérifier toutes les exigences de conception et le traitement thermique du matériau de base avant le soudage.
- Choisir un métal d’apport qui offre des propriétés mécaniques suffisantes pour les pièces laissées dans les conditions telles que soudées ou détendues.
- Choisissez un métal d’apport qui correspond à la chimie du métal de base pour les composants devant être recuits, normalisés ou trempés et revenus après le soudage.
- Sélectionnez un apport thermique minimum et une température de préchauffage/interpénétration pour aider à ralentir la vitesse de refroidissement de la soudure.