ESW: Introduction, Configuration et Applications

Après avoir lu cet article, vous en apprendrez plus sur: - 1. Introduction à la soudure par scellement électrolytique (ESW) 2. Matériaux requis pour le soudage par scotchage électrostatique (ESW) 3. Circuit électrique et configuration 4. Taux de déposition 5. Conception du joint de soudure 6. Structure de soudure et Propriétés 7. Applications.

Introduction à la soudure électrostatique:

Le soudage Electroslag est un procédé de soudage par fusion permettant d'assembler des pièces épaisses en une seule passe. Ce processus N'EST PAS un processus de soudage à l'arc, bien que la configuration soit en grande partie similaire aux processus de soudage à l'arc habituels. Un arc est nécessaire pour lancer le processus et peut également se produire ultérieurement lorsque la stabilité du processus est perturbée.

La chaleur est générée par le courant traversant le laitier en fusion, ce qui fournit la résistance nécessaire pour remplacer la résistance à l'arc. Le processus a des caractéristiques qui ressemblent aux processus de coulée mais dans ce cas les deux côtés de la paroi du moule fondent pour joindre le métal en fusion supplémentaire. Une caractéristique du processus est sa traversée verticale dans la plupart des cas. Il peut employer une ou plusieurs électrodes en fonction de l'épaisseur du travail.

L’invention du procédé en 1951 est à mettre au crédit de l’Institut Paton Welding de Kiev (URSS) et de certains développements ultérieurs de l’Institut de recherche sur le soudage de Bratislava (Tchécoslovaquie). Actuellement, le procédé est utilisé dans le monde entier pour le soudage de composants à parois épaisses tels que des réservoirs sous pression, des carters de turbine, des bâtis de machine, etc.

Ce processus élimine les problèmes associés aux soudures à plusieurs passes et conduit à des soudures économiques à une vitesse de soudage élevée et sans distorsion angulaire. Il n’existe aucune limite supérieure d’épaisseur pouvant être soudée selon ce procédé, bien que 50 mm soit généralement la limite inférieure pour un fonctionnement économique.

Ce procédé permet certes de souder de la fonte, de l’aluminium, du magnésium, du cuivre, du titane, etc., mais les fabricants d’acier en sont les principaux utilisateurs. Les aciers soudés par soudage sous laitier peuvent comprendre des aciers au carbone et faiblement alliés, des aciers fortement alliés, des aciers résistant à l'usure et à la corrosion.

Matériels requis pour le soudage à la laque:

Outre le matériel de travail, le fil d’électrode et le flux sont d’autres produits consommables. Les consommables de soudage peuvent être utilisés efficacement pour contrôler la composition du métal fondu et par conséquent ses propriétés mécaniques et métallurgiques.

1. électrodes:

On utilise généralement deux types d'électrodes, à savoir solide et à noyau métallique. Bien que les électrodes solides soient plus populaires, les électrodes à noyau métallique permettent d’ajuster la composition du métal d’apport pour le soudage des aciers alliés grâce à l’ajout d’alliages (par exemple, ferro-manganèse, ferro-silicium, etc.) dans le noyau et aident à reconstituer le flux dans le bain fondu. .

Dans le soudage sous laitier d'aciers au carbone et d'aciers HSLA, le fil d'électrode contient généralement moins de carbone que le métal de base. Cela évite les fissures dans le métal fondu des aciers contenant du carbone jusqu'à 0-35%. Cependant, les fils d'électrode utilisés pour le soudage. Les aciers au chrome correspondent généralement à la composition du métal de base. Les soudures Electroslag dans les aciers alliés sont généralement traitées thermiquement pour obtenir les propriétés souhaitées dans le métal fondu et dans la ZAT, et la composition du fil électrode correspondante garantit une réponse similaire à de tels traitements à partir de différentes parties de la structure soudée.

Les soudures Electroslag en raison de la préparation des bords carrés ont généralement une dilution élevée comprise entre 25 et 50%. Lorsque le fil d’électrode assorti est utilisé, cela n’a guère d’importance, car le métal de l’électrode et le métal de base fondu se mélangent parfaitement pour fournir une composition chimique presque uniforme.

Le fil d'électrode pour F.SW varie généralement entre 1, 6 et 4, 0 mm de diamètre; cependant, les fils de diamètre 2, 4 et 3, 2 mm sont plus populaires. Ces fils sont fournis sous forme de bobines, les bobines variant en taille et pesant jusqu'à 350 kg; mais l'emballage le plus populaire pèse environ 25 kg.

2. Flux:

Le flux est peut-être le matériau consommable le plus important d'ESW. À l'état fondu, il transforme l'énergie électrique en énergie thermique, ce qui contribue à la fusion du fil électrode et du métal de base afin de former un joint soudé. Il est également nécessaire de protéger le métal fondu en fusion de l'atmosphère et d'assurer un fonctionnement stable.

Le flux à l'état fondu est nécessaire pour conduire l'électricité, mais il doit en même temps offrir une résistance suffisante à son écoulement pour générer une chaleur suffisante pour le soudage. Si la résistance est inférieure à celle requise, il en résulte un arc électrique. Les scories doivent également avoir une viscosité optimale, c’est-à-dire qu’elles ne doivent pas être trop épaisses pour empêcher une bonne circulation et causer l’inclusion de scories ni trop minces pour provoquer des fuites excessives.

Le point de fusion du flux doit être bien inférieur à celui du métal de base et son point d'ébullition doit être bien supérieur à la température de fonctionnement pour éviter des pertes excessives qui pourraient avoir des effets néfastes sur les caractéristiques de fonctionnement. La température de fonctionnement des aciers à souder est d'environ 1650 ° C. Le flux fondu devrait être assez inerte vis-à-vis du métal de base et devrait être stable dans une large gamme de conditions de soudage.

Les principaux constituants des flux ESW sont les oxydes complexes de silicium, de manganèse, de titane, de calcium, de magnésium et d'aluminium avec des ajouts de fluorure de calcium.

En négligeant les pertes par fuite, la quantité de fondant utilisée est d’environ 5 à 10 kg pour environ 100 kg de métal déposé. Avec l'augmentation de l'épaisseur de la plaque ou de la longueur de soudure, la consommation de flux diminue à 1, 5 kg pour environ 100 kg de métal déposé. Une autre approximation est d'environ 350 g de flux par mètre vertical de la hauteur du joint.

Deux types de flux sont normalement utilisés pour les EES. L'un s'appelle le flux de départ et l'autre un flux courant. Le flux de départ est conçu pour stabiliser rapidement le processus ESW; il a un point de fusion bas et une viscosité élevée. Il fond rapidement et mouille la surface du puisard pour faciliter le démarrage.

Il est hautement conducteur et génère rapidement une chaleur intense. Une petite quantité de ce flux est utilisée pour démarrer le processus. Cela peut aider à lancer le processus sans le puisard. Le flux de fonctionnement ou le flux de fonctionnement est conçu pour assurer un bon équilibre entre les paramètres de fonctionnement afin d’obtenir une conductivité électrique, une température de bain et une viscosité correctes, de manière à obtenir l’analyse chimique souhaitée. Un flux en cours peut fonctionner dans une large gamme de conditions.

Les électrodes solides pour ESW des aciers au carbone et HSLA sont divisées en trois classes, à savoir le manganèse moyen (environ 1% Mn), le manganèse élevé (environ 2% Mn) et les classes spéciales. Les flux ESW sont classés sur la base des propriétés mécaniques d'un dépôt de soudure réalisé avec une électrode particulière et un métal de base spécifié.

La composition du flux est laissée à la discrétion du fabricant mais deux niveaux de résistance à la traction du métal fondu sont spécifiés: 415-550 MPa et 485-655 MPa; une exigence de ténacité minimale doit également être remplie. Un flux typique pour le soudage d'acier de construction à faible teneur en carbone comporterait une analyse nominale des principaux constituants, comme indiqué dans le tableau 11.1.

L'ajout de CaF ₂ réduit la viscosité et améliore la conductivité électrique du laitier en fusion.

Circuit électrique et configuration pour ESW:

Les circuits électriques du processus ESW sont illustrés à la figure 11.5 (a) et le schéma correspondant à l'installation est représenté à la figure 11.5 (b).

Taux de déposition de la soudure électrostatique:

Les taux de dépôt du procédé de soudage sous laitier sont parmi les plus élevés de tous les procédés utilisés pour le même travail. La Fig. 11.11 montre les vitesses de dépôt en fonction du courant de soudage pour des fils d'électrode de 2, 4 mm et 3, 2 mm de diamètre.

Le nombre d'électrodes utilisées est également un facteur important affectant la vitesse de dépôt dans ESW et il est d'environ 16 à 20 kg / h par électrode. Pour les travaux de forte épaisseur utilisant trois électrodes, il est possible de déposer 45 à 60 kg / h de métal fondu. En utilisant un espacement des joints de 30 mm, la vitesse de soudage est indiquée à la figure 11.12. Des tôles épaisses variant d'épaisseur de 75 à 300 mm sont soudées à des vitesses variant de 60 à 120 cm / h.

Conception du joint de soudure pour le soudage à la laize:

Les principaux types de joints pouvant être soudés par procédé ESW sont les joints bout à bout, les congés d'angle, les angles, les joints de transition, les joints en T et la soudure transversale, comme illustré à la Fig. 11.13; Cependant, des chaussures de retenue spécialement conçues sont nécessaires pour les joints autres que les joints bout à bout, les coins et les joints en T. Quelques coutures typiques soudées sous laitier sont illustrées à la figure 11.14.

Préparation et aménagement des arêtes:

La préparation des arêtes pour le soudage sous laitier est beaucoup plus simple que pour le soudage à l'arc et la plupart des cas ne nécessitent que le découpage de plaques à bords carrés. Pour des épaisseurs jusqu'à 200 mm, ceci peut être effectué avec des oxycoupeuses oxyacétyléniques. Étant donné que le soudage sous laitier provoque une pénétration profonde, la douceur des bords coupés importe peu; En fait, des rainures de 2 à 3 mm de profondeur peuvent être facilement logées sans effets néfastes. Cependant, dans les sections plus épaisses, de telles rainures, appelées coquilles Saint-Jacques, poussent souvent en profondeur et nécessitent donc l'usinage de bords découpés à la flamme.

Pour ajuster les pièces pour ESW, on utilise généralement des colliers en U du type illustré à la Fig. 11.15. Ceux-ci sont soudés par points à l'arrière du joint. Les pinces en forme de U sont utilisées pour permettre un mouvement libre des blocs de retenue en cuivre ou pour le passage du chariot libre. Parfois, les étriers en U peuvent être remplacés par des sangles qui sont retirées à l'aide d'un marteau ou d'un chalumeau à gaz à l'approche de la tête de soudage.

Pour adapter les pièces pour l'ESW, il est impératif de maintenir l'écart créé. Cependant, il est généralement admis qu’il existe une différence entre l’écart de conception et l’écart d’aménagement. L’écart de conception est souvent considéré comme une quantité supposée utilisée pour calculer les dimensions d’un assemblage fini et il est inférieur à l’écart d’aménagement en raison du retrait du métal déposé. L'espace de montage est la distance entre les faces de fusion assemblées pour le soudage.

Il varie normalement sur la longueur du même joint. En général, il augmente de 2 à 5 mm pour chaque mètre de la longueur du joint lorsqu’il monte le long de la couture. L'écart d'aménagement ainsi ajusté, l'écart réel après le soudage et la contraction s'avère être uniforme sur toute la longueur du joint et est égal à l'écart de conception. Les valeurs suggérées pour les écarts de conception et d'aménagement sont données dans le tableau 11.3 et la figure 11.16 illustre un aménagement typique pour l'ESW.

Certains ensembles de variables suggérés pour les EES sont résumés dans le tableau 11.4.:

Structure et propriétés de soudage du soudage par glissement électrolytique:

Le soudage Electroslag est principalement utilisé pour le soudage des aciers, bien que les aciers Q & T (trempé et revenu) ne soient généralement pas assemblés par ce procédé. La température atteinte dans la zone de soudure immédiate est d'environ 1925 ° C. Cette température élevée avec un cycle thermique prolongé résulte en une structure de métal de soudure constituée de gros grains d'austénite antérieurs avec des motifs de solidification en colonne ayant des grains grossiers qui produisent des parties cassantes dans le produit fini.

Habituellement, il est souhaitable de normaliser le métal de soudure en chauffant à environ 40 ° C au-dessus de la température de transformation inférieure du matériau de travail, suivi d'un refroidissement lent. Cela améliore considérablement les propriétés des aciers au carbone et des aciers faiblement alliés, en particulier de leur résistance à l’initiation et à la propagation de la rupture fragile.

Les structures de contraintes résiduelles produites à l'état tel que soudé sont assez favorables, comme le montre la figure 11.17. Normalement, aucune distorsion angulaire n'est produite dans les joints E5W en raison de la symétrie de la plupart de ces soudures (joint rainure carré en une seule passe). La résistance à la traction des soudures en acier varie de 380 MPa à 420 MPa.

Applications de la soudure électrostatique (ESW):

Les principaux domaines d'application du procédé ESW comprennent le soudage de structures, de machines, de navires, d'appareils à pression et de moulages.

Le soudage des soudures bout à bout de type transition pour assembler différentes épaisseurs est une application ESW structurelle courante. Une autre utilisation importante dans ce domaine est le soudage de raidisseurs dans des colonnes en caisson et des brides larges; dans tous ces cas, la soudure de raidisseur serait un joint en T.

La jonction de grosses poutres à larges ailes est une autre application impressionnante d'ESW. Encore une autre utilisation courante d'ESW est l'épissage des brides, c'est-à-dire le soudage bout à bout de plaques de même épaisseur.

Dans la fabrication de machines, la fabrication de grandes presses et de machines-outils nécessitant des plaques lourdes et grandes est réalisée à l'aide d'ESW. Les applications spéciales incluent son utilisation dans les fours, les ébauches d’engrenages, les bâtis de moteurs, les bâtis de presses, les anneaux de turbines, les corps de concasseurs et les jantes pour rouleaux compresseurs.

Les blocs de truie de grande taille, illustrés à la figure 11.18, sont utilisés dans les presses pour le travail des métaux à haute résistance, notamment le titane, car elles améliorent la précision dimensionnelle des pressages. Un bloc de truie est un prisme tétraédrique de 1800 mm de hauteur et pèse environ 140 tonnes.

Il est fabriqué en soudant trois pièces forgées en acier allié (0, 25 C - Cr - 3 Ni - Mo - V). La forme, la taille et le poids d'un moufle ne permettent pas le forgeage après le soudage pour garantir les propriétés mécaniques souhaitées dans les joints soudés. Il est donc réalisé par un cycle de traitement thermique élaboré, comme illustré à la Fig. 11.19.

Le soudage électrolytique est populaire dans la fabrication de récipients sous pression à parois épaisses pour les industries de la chimie, du pétrole, de la marine et de l'énergie, mais le traitement après soudage est essentiel dans cette application pour restaurer la ductilité de l'entaille qui est souvent perdue en raison des cycles de refroidissement ESW lents dans le HAZ.

ESW sert également à raccorder des tuyaux de dérivation à des navires à parois épaisses et à souder des oreilles de levage aux navires.

La caractéristique intéressante d'ESW est que la distorsion peut être prédite et prise en compte. Cela l'a rendu particulièrement populaire dans la construction navale où des joints verticaux dans les coques de grands pétroliers ont été soudés avec succès.

Pour réduire les coûts et améliorer la qualité, de nombreux composants de grande taille et difficiles à couler sont produits dans des unités plus petites et de meilleure qualité, puis soudés sous laitier électroconducteur. Les caractéristiques métallurgiques d'une coulée et d'une soudure sous laitier étant similaires, les deux réagissent de manière similaire au traitement thermique post-soudure, ce qui permet d'obtenir des structures et des propriétés uniformes.