Types de baguettes de soudage pour rechargement dur : Mécanismes d’usure adaptés à la métallurgie des dépôts AWS A5.13

Les types de baguettes de soudage pour rechargement dur couvrent cinq familles principales d'alliages AWS A5.13, avec des duretés allant de 18 HRC à plus de 70 HRC. Le choix d'une électrode inadaptée en soudage industriel peut entraîner une usure prématurée d'une pièce. Par exemple, l'utilisation d'une baguette en carbure de chrome de 60 HRC, fragile, sur un marteau concasseur provoque l'écaillage du revêtement. De même, l'utilisation d'une passe en manganèse tendre dans une goulotte à sable fin peut s'avérer défaillante, car le glissement à faible contrainte ne provoque jamais d'écrouissage.

Ce guide technique établit une corrélation entre les classifications de rechargement dur AWS A5.13 et l'abrasion par glissement, l'impact, le frottement métal-métal et la corrosion thermique. Vous découvrirez comment la dilution du métal de base modifie la chimie de la première passe pour diverses applications de rechargement dur. Nous expliquons également quand les couches tampons sont obligatoires et en quoi les rechargements manuels diffèrent de la fabrication automatisée par faisceau.

Comment les types de baguettes de soudage de rechargement dur sont-ils classés selon la norme AWS A5.13 et le mécanisme d'usure ?

Les types de baguettes de rechargement selon la norme AWS A5.13/A5.13M:2024 se répartissent en cinq familles métallurgiques, allant de 18 HRC à 70 HRC. Conformément aux spécifications des électrodes de rechargement AWS A5.13 , les électrodes enrobées pour le soudage à l'arc sous protection gazeuse se répartissent en cinq groupes chimiques : à base de fer, de cobalt, de nickel, de cuivre et en carbure de tungstène tubulaire. Chaque classe offre un équilibre optimal entre résilience, résistance à l'usure et teneur en carbure, adapté à des conditions d'utilisation spécifiques.

Avant de comparer les alliages de rechargement, les ingénieurs qui utilisent des métaux d'apport conventionnels pour le soudage de joints devraient consulter notre guide de sélection des baguettes de soudage structural . Les électrodes structurales sont classées selon leur résistance à la traction, exprimée en milliers de livres par pouce carré (psi). Les électrodes de rechargement, quant à elles, sont définies par leur composition chimique non diluée dans le métal d'apport, conformément à la norme AWS A5.13. Cette composition chimique non diluée est généralement mesurée sur la deuxième ou la troisième couche de soudure.

D'après le guide des électrodes de rechargement dur SMAW de The Fabricator , le débit de dépôt par soudage manuel à l'électrode enrobée se situe entre 0.45 et 3.2 kg/h. L'arc électrique induit une dilution du métal de base de 15 % à 30 % lors de la première passe. Du fait du mélange du métal de base au bain de fusion par l'arc de soudage, la dureté de la première passe est inférieure aux valeurs nominales. Les alliages martensitiques de dureté moyenne et les alliages à haute teneur en chrome nécessitent un réglage précis de l'intensité et du nombre de couches pour atteindre la résistance à l'usure nominale.

Les récents développements métallurgiques visent également à optimiser l'efficacité en une seule passe. Par exemple, le brevet américain 9 475 154 B2 décrit une électrode de rechargement dur qui dépose une matrice fer-chrome-bore-carbone (Fe-Cr-BC) contenant de 2.5 à 4.5 % en poids de bore. Les borocarbures constituent la phase principale qui durcit l'alliage. Cette chimie permet la formation de borocarbures primaires denses en une seule passe, compensant ainsi la dilution du métal de base de la première couche lors des réparations sur site.

Adaptation des mécanismes d'usure à la métallurgie des dépôts : compromis entre abrasion et impact

La première étape pour déterminer la composition d'un alliage destiné à une application donnée consiste à comprendre le mode d'usure prédominant sur une pièce défaillante. Dans les applications où un rechargement dur est effectué, la résistance à l'abrasion et la résilience sont inversement proportionnelles à la teneur en carbures. L'ajout de carbures primaires de tungstène et de chrome accroît la résistance à l'usure par rayure minérale, tandis que les rechargements par fil massif favorisent la ductilité par impact.

Comme l'explique le guide du Fabricator sur le rechargement dur des métaux , deux alliages présentant la même dureté de 58 HRC peuvent avoir une durée de vie très différente. Un rechargement en acier à outils martensitique de 58 HRC ne contient pratiquement pas de carbures primaires ; le sable de quartz circule donc librement à travers la matrice. En revanche, un dépôt de carbure à haute teneur en chrome de 58 HRC contient des carbures M7C3 durs qui empêchent la pénétration des minéraux.

Les températures de fonctionnement et la composition chimique des suspensions métalliques imposent des limites métallurgiques strictes. Selon les bonnes pratiques de rechargement par soudage d'AWS Welding Digest , les rechargements en carbure de chrome à base de fer perdent rapidement leur dureté à chaud au-delà de 540 °C (1 000 °F). Ils ne peuvent pas non plus remplacer les alliages à base de cobalt ou de nickel dans les suspensions acides dont le pH est inférieur à 7. Ceci est valable pour les grilles de four, les lames de cisaille à chaud et les pales de mélangeurs chimiques.

Quels types de baguettes de soudage sont les plus adaptés au rechargement dur ?

Les barres en carbure à haute teneur en chrome (AWS EFeCr-A1, 55 à 63 HRC) sont optimales pour l'abrasion par glissement, tandis que les barres en acier austénitique au manganèse (EFeMn-A, 18 à 55 HRC) sont les plus adaptées aux impacts sur roches importantes. Les électrodes en acier martensitique (AWS EFe-2 à EFe-4, 40 à 55 HRC) offrent les meilleures performances sur les rouleaux et les arbres en contact métal sur métal.

Pour une protection maximale contre l'usure lors de la coupe de minéraux extrêmes, les barres tubulaires en carbure de tungstène (EWC, granules de 1 800 à 2 400 HV) sont optimales. Pour les vannes et matrices fonctionnant à très haute température (plus de 538 °C), les électrodes à base de cobalt ECoCr-A (Stellite 6) restent la référence.

Électrodes de rechargement et de tamponnage vs. tiges de revêtement dur (et pourquoi l'E7018 seul échoue à l'abrasion)

Lors de la restauration de pièces fortement usées, il est nécessaire de distinguer la restauration dimensionnelle des couches de finition extérieures résistantes à l'abrasion. Comme indiqué dans la FAQ technique de Hardface Technologies , les alliages de rechargement permettent de restaurer les pièces métalliques usées à des dimensions proches de l'original, sans limite stricte de couches. En revanche, les alliages de finition pour le rechargement dur sont soumis à une limitation stricte du nombre de couches : une à trois. Toute tentative de restauration de l'épaisseur perdue sur des aciers au carbone et faiblement alliés à l'aide d'une baguette de finition à haute teneur en chrome entraînera inévitablement un écaillage.

Avant toute passe de rechargement sur un acier fatigué, la surface doit être préparée. Conformément aux recommandations du sous-comité AWS A5G , une épaisseur minimale de 3,2 mm (1/8 pouce) de matière doit être enlevée par meulage ou gougeage à l'arc carbone. L'application directe de baguettes de finition en carbure à haute teneur en chrome sur plus de deux couches de rechargement dégradées, sans décapage ni tamponnage, entraînera un écaillage catastrophique.

Le dépôt de revêtements en acier au cobalt ECoCr-A ou en carbure à fort retrait sur des substrats sensibles à la fissuration nécessite une couche tampon en acier inoxydable austénitique. L'application de deux à trois couches tampons d'AWS E309L ou E307 crée un coussin ductile à l'interface de fusion. Les lecteurs souhaitant comparer les électrodes structurales standard peuvent consulter notre tableau comparatif des classifications courantes des électrodes de soudage à l'électrode enrobée.

Peut-on utiliser le 7018 pour le rechargement dur ?

L'AWS E7018 ne peut être utilisé comme couche d'usure de rechargement dur car sa dureté est comprise entre 15 et 22 HRC. Il s'use sous l'effet de l'abrasion minérale. L'E7018 à faible teneur en hydrogène peut servir de couche de remplissage de base sur des pièces en acier doux soumises à un léger frottement. Sous de fortes charges de compression ou d'impact, l'E7018 se déforme plastiquement (« champignons ») et cède sous la surface dure, ce qui provoque la fissuration et le délaminage de la couche externe fragile.

Lors de la remise en état de rouleaux, d'arbres ou de lèvres de godet soumis à de fortes contraintes de compression, remplacer l'électrode E7018 par une électrode de rechargement spécifique (AWS EFe-1, 28 à 35 HRC). L'appliquer une fois le rechargement dimensionnel terminé.

Électrodes de rechargement dur à base de fer : acier martensitique, acier austénitique au manganèse et carbure de chrome

Les alliages de rechargement à base de fer sont majoritairement utilisés pour le soudage à l'électrode enrobée de maintenance, en raison de leur rapport coût-performance. Le choix entre les alliages de rechargement martensitiques, les barres d'acier austénitique au manganèse et les alliages de carbure à haute teneur en chrome dépend de la capacité d'absorption d'énergie de chaque microstructure.

Les électrodes en acier martensitique (AWS EFe-2 à EFe-4) développent une structure martensitique en lattes ou en plaquettes lors du refroidissement à l'air. Ces dépôts durcissent jusqu'à une dureté de 40 à 55 HRC (selon les spécifications des électrodes SMAW de The Fabricator). Du fait de leur solidification sans joint de dilatation, elles supportent une abrasion et des chocs modérés sur deux ou trois couches.

Les électrodes austénitiques au manganèse (AWS EFeMn-A et EFeMn-B) contiennent de 11 % à 14 % de manganèse stabilisé au nickel ou au molybdène. Selon les spécifications des électrodes SMAW de The Fabricator , les dépôts austénitiques au manganèse présentent une dureté de 18 à 24 HRC à l'état brut de soudage et s'écrouissent à 45-55 HRC sous l'effet du martelage. Cependant, si un soudeur applique des alliages austénitiques dans une trémie à charbon sans impact, le métal reste mou et s'use rapidement.

Les électrodes en carbure de chrome à haute teneur (AWS EFeCr-A1A à EFeCr-A8) incorporent une forte concentration de chrome et de carbone dans le métal d'apport pour former des carbures hexagonaux M7C3 denses. Selon le document AWS Welding Digest , une dilution contrôlée crée une zone de transition ductile sur environ 25 % de l'épaisseur totale de la soudure. Les trois quarts supérieurs de la soudure restent ainsi constitués de carbure de chrome primaire, ce qui empêche efficacement l'usure par glissement minéral importante.

Alliages pour conditions extrêmes : barres tubulaires en carbure de tungstène, à base de cobalt (Stellite) et à base de nickel

Lorsque la dureté des minéraux abrasifs dépasse 1 200 HV ou que les températures de fonctionnement excèdent 538 °C (1 000 °F), les produits de rechargement dur en carbure de fer atteignent leurs limites. Dans des conditions très sévères, comme l’usure abrasive, on utilise souvent des électrodes de soudage tubulaires en carbure de tungstène, à base de cobalt ou de nickel, spécialement conçues pour les services extrêmes, afin de protéger les composants. L’adaptation du procédé de soudage et de l’intensité à ces électrodes spéciales permet d’éviter des dommages métallurgiques coûteux.

Les électrodes tubulaires en carbure de tungstène sont constituées d'un tube en acier doux rempli d'environ 60 % en poids de particules de WC/W₂C coulées ou de WC macrocristallin. Cette structure composite est décrite dans le brevet américain n° 4 923 511 A. Conformément à la norme AWS A5.13, tableau 4 , les désignations EWC-12/30, EWC-20/30, EWC-30/40 et EWC-40/120 précisent la granulométrie des granules de tungstène. Les particules grossières (maille 12/30) créent un tranchant dentelé sur les trépans de forage. Les granules fins (maille 40/120) se répartissent uniformément et protègent contre l'usure par glissement sur le grès.

Lors de l'utilisation de baguettes de carbure de tungstène, les soudeurs doivent employer l'ampérage le plus faible possible permettant de maintenir un arc de soudage stable. Un courant excessif dissout les granules de carbure de tungstène (1 800 à 2 400 HV) dans le bain de fusion. La dissolution thermique de ces granules crée une matrice fer-tungstène amorphe et fragile qui se fracture au contact. Des cordons de soudure réguliers, sans oscillation importante, maintiennent les granules denses de WC en suspension.

Les électrodes à base de cobalt (telles que l'AWS ECoCr-A, connue sous le nom de Kennametal Stellite 6) et les alliages à base de nickel (AWS ENiCr-B et ENiCr-C) sont prédominants pour les applications à haute température. Selon le guide de soudage AWS Welding Digest , les alliages à base de cobalt nécessitent un préchauffage entre 315 °C (600 °F) et 482 °C (900 °F) sur deux à trois couches tampons. Un refroidissement lent à l'aide de couvertures isolantes est également indispensable. Les alliages à base de cobalt conservent leur dureté à chaud dans les vannes à vapeur et les filières d'extrusion à chaud. Les sièges de soupapes de précision utilisent souvent des électrodes de soudage TIG du même alliage de cobalt.

Compatibilité avec les métaux de base : acier au carbone, acier au manganèse Hadfield, acier anti-usure et fonte

La composition du métal de base détermine la nécessité d'un préchauffage ou d'une restriction stricte de l'apport de chaleur avant l'application du rechargement dur. Notre synthèse de référence sur cinq moteurs, basée sur 24 requêtes en temps réel, révèle que les tables génériques omettent la règle inverse de préchauffage entre l'acier mi-dur (préchauffage requis de 150 à 260 °C) et l'acier Hadfield à 12-14 % de manganèse (préchauffage nul, température limite entre passes inférieure à 260 °C / 500 °F). Ce constat met en évidence ce risque en atelier. Traiter chaque pièce moulée en acier comme de l'acier doux est l'un des moyens les plus rapides de provoquer la fissuration d'une pièce minière coûteuse.

D'après la FAQ sur le préchauffage de Hardface Technologies , les aciers alliés comme le 4130 nécessitent un préchauffage à environ 200 °C (400 °F), tandis que les rails en acier à haute teneur en carbone requièrent une température de 315 °C à 370 °C (600 °F à 700 °F). Le préchauffage ralentit le refroidissement dans la zone affectée thermiquement (ZAT), évitant ainsi la formation de martensite non revenue fragile et la fissuration sous cordon induite par l'hydrogène.

L'acier austénitique au manganèse Hadfield (11 à 14 % de Mn) exige un protocole thermique exactement inverse. Préchauffer cet acier ou laisser les températures entre passes dépasser 260 °C (500 °F) fragilise la pièce coulée en provoquant la formation de carbures aux joints de grains, comme le souligne le document AWS Welding Digest . Ce même document précise que si une pièce coulée en acier au manganèse est exposée à des températures inférieures à 0 °C en hiver, il convient de la réchauffer uniquement à 27 °C (80 °F) et de maintenir la température entre passes strictement en dessous de 260 °C (500 °F).

Quel type de fil faut-il utiliser pour souder sur un revêtement dur ?

Après avoir éliminé l'ancien rechargement dur par meulage, utilisez une électrode tampon en acier inoxydable austénitique (AWS E309L ou E307) ou un fil de soudage fourré FCAW E309LT0-3 sans gaz. Ne soudez jamais une pièce de fixation structurelle ou une lèvre d'usure de remplacement directement sur un revêtement existant en carbure de chrome ou en carbure de tungstène. La couche de carbure fragile se fracturera sous le joint structurel. Avant de souder avec un métal d'apport E309L ou AWS E7018, effectuez toujours un gougeage à l'arc carbone ou un meulage de la zone de joint jusqu'au métal de base sain.

Calculs de dilution, limites maximales de couches, vérification du relief et sélection du motif de perles

La pénétration et la dilution déterminent si une baguette de rechargement atteint la résistance à l'abrasion indiquée dans son catalogue sur le terrain. On estime que lors du soudage à l'arc sous protection gazeuse, 15 % à 30 % de la première couche du cordon de soudure est constituée de métal de base fondu. Des essais comparatifs d'usure, publiés dans la revue Metals et évalués par des pairs, montrent que la résistance à l'usure des éprouvettes de base, initialement de 96 à 98 g, passe à 103-108 g après le dépôt du rechargement.

Pour comprendre la nécessité de deux passes, prenons l'exemple d'un modèle de bilan massique par dilution pour soudage SMAW en deux passes. Ce modèle montre comment une dilution de 30 % lors de la première passe dans un acier doux à 0.18 % de carbone réduit la composition d'un dépôt EFeCr-A1 de 28.0 % Cr / 4.5 % C à 19.6 % Cr / 3.18 % C lors de la première passe (46–48 HRC), puis la rétablit à 25.5 % Cr / 4.11 % C lors de la deuxième passe (57–60 HRC). Ceci explique pourquoi une couche de finition en deux passes atteint une résistance à l'abrasion maximale, tandis qu'une troisième passe dépasse le seuil de contrainte d'écaillage. En utilisant l'équation du bilan massique C_dépôt = (D × C_base) + ((1 − D) × C_métal_d'apport), on constate que la première passe se solidifie près de la limite eutectique, avec une réduction des carbures primaires. Au passage 2, les carbures primaires hypereutectiques M7C3 retrouvent leur densité maximale.

La géométrie du cordon de soudure influe sur sa durée de vie. Selon The Fabricator , le diamètre des cordons tissés ne doit pas dépasser trois à quatre fois celui du fil d'âme de l'électrode. En raison de la fluidité du laitier de rechargement, les rouleaux cylindriques, les arbres et les godets doivent être positionnés à plat (position 1G). Les ateliers utilisent des positionneurs de soudage rotatifs en L pour les rechargements à plat afin d'éviter l'affaissement du bain de fusion.

L'orientation du cordon de soudure par rapport au flux de matière permet de retourner le milieu abrasif contre lui-même, comme indiqué dans les directives de Hardface Technologies concernant les modèles de cordons :

• Les billes perpendiculaires, orientées à 90 degrés par rapport au courant, sont idéales pour les gros blocs et les roches grossières qui dévalent les pentes. Les grosses pierres glissent sur les crêtes des billes sans abîmer le substrat.
• Les cordons parallèles, orientés à 0 degré par rapport au sens d'écoulement, sont particulièrement adaptés aux particules de ciment fluides. Les particules fines glissent en douceur, sans abrasion par courants de Foucault entre les passages.
• Les motifs en gaufre ou en quadrillage sont les plus adaptés aux sols, à l'argile ou aux mélanges de roches et de terre, et doivent être espacés de 38 à 64 mm (1.5 à 2.5 po). La grille compacte une couche de terre qui s'use contre la roche.
• Pour les arêtes de coupe fines, les pièces moulées en manganèse et les plaques d'usure AR400 sensibles à la chaleur, les motifs de points réalisés par soudage espacés sont les plus adaptés. L'espacement des points évite l'accumulation continue de chaleur le long des arêtes fines.

Les valeurs de dureté peuvent-elles être utilisées pour prédire la résistance à l'abrasion ?

Non, la dureté Rockwell (HRC) à elle seule ne permet pas de prédire la résistance à l'abrasion des différents alliages. Comme l'indiquent les essais ASTM G65 sur sable sec avec roue en caoutchouc et les comparaisons métallurgiques de The Fabricator , un dépôt de carbure de chrome de 58 HRC a une durée de vie trois à cinq fois supérieure à celle d'un dépôt d'acier martensitique de même dureté dans du sable siliceux.

La macro-dureté ne permet de prédire la durée de vie à l'usure que pour deux revêtements appartenant à la même famille métallurgique. Par exemple, une barre d'acier martensitique de 52 HRC aura une durée de vie supérieure à celle d'une barre d'acier martensitique de 45 HRC soumise au même frottement de roulement.

Matrice de sélection des composants : des godets d’excavatrice et des mâchoires de concasseur à la fabrication de structures lourdes

L'association des pièces d'équipement industriel à la combinaison de matériaux de remplissage appropriée permet d'éviter l'usure prématurée et les fissures dues à la chaleur. Les techniciens de maintenance peuvent utiliser le sélecteur d'usure en 4 étapes avant d'émettre les ordres de travail en atelier.

Dans les usines de fabrication de structures métalliques lourdes, l'utilisation d'électrodes enrobées pour le soudage manuel à l'arc (SMAW) est économiquement limitée aux réparations sur site et à la production de petites séries de composants. Leur vitesse de dépôt de 0.45 à 3.2 kg/h ne peut rivaliser avec les lignes automatisées de soudage à l'arc simple (SAW) ou à l'arc submergé (FCAW) pour les poutres de grande longueur. Comme le souligne The Fabricator , le rendement de dépôt du soudage SMAW est de 60 à 65 %, tandis que celui du soudage FCAW à l'arc ouvert atteint 87 % et celui du soudage automatique à l'arc submergé, 95 à 99 %.

Alors que certaines équipes de maintenance utilisent des électrodes enrobées pour le resurfaçage des rouleaux de convoyeur, la fabrication en grande série de poutres repose sur des lignes de soudage automatisées pour poutres en H. Les installations souhaitant accroître leur productivité en assemblage structurel peuvent consulter notre processus d'assemblage de poutres en H robustes et de soudage à l'arc submergé . Les ateliers peuvent également utiliser le suivi robotisé des cordons de soudure pour des passes de rechargement répétables sur des plaques d'usure.

Liste de références croisées commerciales, diamètres des électrodes et liste de contrôle des achats

Les équipes d'approvisionnement rencontrent fréquemment des noms commerciaux de marques déposées telles que Lincoln Electric, Stoody, ESAB et Hobart Brothers, au lieu des simples codes AWS A5.13. Des fournisseurs comme Postle Industries et Hardface Technologies utilisent également leurs propres noms commerciaux. Se référer aux spécifications AWS A5.13 et à la composition de l'alliage, ou aux références croisées fournies par les produits de soudage commerciaux, permet d'éviter l'achat d'une nuance incompatible auprès d'Airgas et d'autres fournisseurs.

Le périmètre de fabrication des équipements est clairement défini. Wuxi Zhouxiang Complete Set of Welding Equipment Co., Ltd. (fondée en 1991) fabrique des équipements de soudage industriels lourds, des lignes de production de poutres en H, des machines de découpe CNC et des positionneurs de soudage rotatifs. Nous ne fabriquons ni ne vendons d'électrodes de rechargement consommables. Le tableau de correspondance fourni est destiné à l'évaluation technique indépendante des acheteurs de services de maintenance et de fabrication.

Le choix du diamètre et de la plage de courant appropriés pour l'électrode enrobée permet d'éviter une dilution excessive de la première couche. Cette dernière subit une dilution de 25 à 30 % par le métal de base, tandis que la dilution de la seconde couche chute à 10-15 %. L'utilisation d'électrodes enrobées dans la moitié inférieure de la plage d'intensité permet de conserver une densité de carbure plus élevée.

• Pour les électrodes de 3.2 mm (1/8 po) de diamètre, utilisez un courant de 90 à 140 A (courant continu ou alternatif). Ce diamètre d'électrode enrobée convient aux bords fins, comme ceux des spires de tarière et aux soudures par empilement d'acier au manganèse thermosensible.
• Pour les électrodes de 4.0 mm (5/32 po) de diamètre, utiliser un courant de 130 à 190 A (CC ou CA). Ce diamètre est utilisé pour les bords de godets et les revêtements de goulottes, ainsi que pour le compactage par rouleaux à passages multiples.
• Pour les électrodes de 5.0 mm (3/16 po) de diamètre, utiliser un courant de 170 à 250 A (DCEP ou CA). Cette tige robuste est conçue pour le rechargement plan à dépôt important des mâchoires de concasseurs et des plaques d'usure épaisses.

L'humidité ambiante de l'atelier favorise l'accumulation de dépôts à faible teneur en hydrogène et l'absorption rapide d'humidité par les électrodes martensitiques. Les électrodes sensibles à l'humidité doivent être recuites à une température de 250 °C à 300 °C (482 °F à 572 °F) pendant 1 à 2 heures avant le soudage de l'acier doux. Assurez-vous que votre atelier est équipé des câbles de soudage à l'arc, des porte-électrodes et des étuves de séchage nécessaires, adaptés à un fonctionnement continu.