Analyse de l'influence de la déformation due au soudage sur la durée de vie en fatigue d'une chaîne à rouleaux
Introduction
En tant que composant de base important largement utilisé dans divers systèmes de transmission et de convoyage mécaniques, les performances et la durée de vie dechaîne à rouleauxLes déformations dues aux soudures ont un impact crucial sur la fiabilité et l'efficacité opérationnelle de l'ensemble de l'équipement. Parmi les nombreux facteurs affectant la durée de vie en fatigue des chaînes à rouleaux, les déformations liées aux soudures constituent un aspect important à ne pas négliger. Cet article examine en détail le mécanisme d'influence, l'ampleur de cette influence et les mesures de contrôle correspondantes, afin d'aider les professionnels des industries concernées à mieux comprendre ce problème et à prendre des mesures efficaces pour améliorer la qualité et la fiabilité des chaînes à rouleaux, prolonger leur durée de vie et garantir le bon fonctionnement du système mécanique.
1. Structure et principe de fonctionnement d'une chaîne à rouleaux
Une chaîne à rouleaux est généralement composée d'éléments de base tels que des plaques intérieure et extérieure, un axe, un manchon et des rouleaux. Son principe de fonctionnement repose sur la transmission de la puissance et du mouvement par l'engrènement des rouleaux et des dents du pignon. Lors de la transmission, les différents composants de la chaîne sont soumis à des contraintes complexes, notamment des contraintes de traction, de flexion, de contact et d'impact. La répétition de ces contraintes engendre une fatigue de la chaîne et, à terme, réduit sa durée de vie.
2. Causes de la déformation de soudage
Dans le processus de fabrication des chaînes à rouleaux, le soudage est une étape clé permettant de fixer la plaque extérieure de la chaîne à l'axe et aux autres composants. Cependant, des déformations sont inévitables lors du soudage. Les principales raisons sont les suivantes :
Apport de chaleur par soudage : Lors du soudage, la température élevée générée par l’arc provoque un échauffement local et rapide de la zone à souder, entraînant une dilatation du matériau. Lors du refroidissement suivant le soudage, la zone se rétracte. Les différences de vitesse de chauffage et de refroidissement entre la zone de soudage et les matériaux environnants sont à l’origine de contraintes et de déformations.
Contrainte de rigidité de la soudure : Si la soudure n’est pas correctement maintenue pendant le processus, elle risque de se déformer sous l’effet des contraintes de soudage. Par exemple, lors du soudage de fines plaques de chaîne extérieures, sans dispositif de fixation adéquat, ces plaques peuvent se tordre ou se plier après soudage.
Séquence de soudage inappropriée : Une séquence de soudage inappropriée entraîne une répartition inégale des contraintes, ce qui aggrave les déformations. Par exemple, lors d’un soudage multipasse, si les étapes ne sont pas réalisées dans l’ordre approprié, certaines parties de la pièce soudée peuvent subir des contraintes excessives et se déformer.
Paramètres de soudage inadéquats : Un mauvais réglage des paramètres tels que le courant, la tension et la vitesse de soudage peut également entraîner des déformations. Par exemple, un courant trop élevé provoque une surchauffe de la pièce à souder, augmentant l’apport de chaleur et, par conséquent, les déformations. À l’inverse, une vitesse de soudage trop faible entraîne un temps de contact prolongé avec la zone de soudage, ce qui contribue également à l’augmentation de l’apport de chaleur et aux déformations.
3. Mécanisme d'influence de la déformation de soudage sur la durée de vie en fatigue d'une chaîne à rouleaux
Effet de concentration des contraintes : La déformation due au soudage engendre des concentrations de contraintes localisées dans des composants tels que la plaque extérieure de la chaîne à rouleaux. Le niveau de contrainte dans ces zones de concentration est nettement supérieur à celui des autres parties. Sous l’effet de contraintes alternées, ces zones sont plus susceptibles de présenter des fissures de fatigue. Une fois amorcée, la fissure de fatigue continue de se propager sous l’effet des contraintes, finissant par provoquer la rupture de la plaque extérieure, ce qui entraîne la défaillance de la chaîne à rouleaux et réduit sa durée de vie. Par exemple, les défauts de soudage tels que les piqûres et les caniveaux présents sur la plaque extérieure après soudage constituent une source de concentration des contraintes, accélérant la formation et la propagation des fissures de fatigue.
Problèmes de géométrie et d'alignement : Les déformations dues au soudage peuvent engendrer des écarts de géométrie dans la chaîne à rouleaux, la rendant incompatible avec d'autres composants tels que les pignons. Par exemple, la déformation par flexion de la plaque de liaison extérieure peut affecter la précision du pas de la chaîne, provoquant un mauvais engrènement entre le rouleau et les dents du pignon. Lors de la transmission, ce mauvais engrènement génère des chocs et des contraintes de flexion supplémentaires, aggravant la fatigue des différents composants de la chaîne et réduisant ainsi sa durée de vie.
Modifications des propriétés des matériaux : La température élevée lors du soudage et le refroidissement subséquent entraînent des modifications des propriétés des matériaux dans la zone de soudure. D'une part, le matériau de la zone affectée thermiquement peut subir un grossissement des grains, un durcissement, etc., ce qui réduit sa ténacité et sa plasticité et le rend plus susceptible à la rupture fragile sous charge de fatigue. D'autre part, les contraintes résiduelles générées par la déformation due au soudage se superposent aux contraintes de service, aggravant ainsi l'état de contrainte du matériau, accélérant l'accumulation des dommages de fatigue et affectant de ce fait la durée de vie en fatigue de la chaîne à rouleaux.
4. Analyse de l'influence de la déformation due au soudage sur la durée de vie en fatigue des chaînes à rouleaux
Recherche expérimentale : De nombreuses études expérimentales ont permis d’analyser quantitativement l’influence des déformations dues au soudage sur la durée de vie en fatigue des chaînes à rouleaux. Par exemple, des chercheurs ont mené des essais de fatigue sur des chaînes à rouleaux présentant différents degrés de déformation due au soudage. Ils ont constaté que lorsque la déformation du soudage de la plaque de maillon extérieure dépasse un certain seuil, la durée de vie en fatigue de la chaîne est considérablement réduite. Les résultats expérimentaux montrent que des facteurs tels que la concentration des contraintes et les modifications des propriétés des matériaux induites par la déformation du soudage raccourcissent la durée de vie en fatigue de la chaîne de 20 % à 50 %. L’ampleur de cette réduction dépend de l’importance de la déformation du soudage et des conditions de fonctionnement de la chaîne.
Analyse par simulation numérique : Grâce à des méthodes de simulation numérique telles que l’analyse par éléments finis, l’influence des déformations de soudage sur la durée de vie en fatigue d’une chaîne à rouleaux peut être étudiée plus en détail. En établissant un modèle par éléments finis de la chaîne à rouleaux, prenant en compte des facteurs tels que les modifications géométriques, la distribution des contraintes résiduelles et les variations des propriétés des matériaux dues aux déformations de soudage, la distribution des contraintes et la propagation des fissures de fatigue dans la chaîne à rouleaux sous charge de fatigue sont simulées et analysées. Les résultats de la simulation numérique sont validés par des recherches expérimentales, ce qui permet de mieux comprendre le mécanisme et l’ampleur de l’influence des déformations de soudage sur la durée de vie en fatigue de la chaîne à rouleaux et de fournir une base théorique pour l’optimisation du procédé de soudage et de la conception structurelle de la chaîne à rouleaux.
5. Mesures visant à contrôler la déformation due au soudage et à améliorer la durée de vie en fatigue de la chaîne à rouleaux
Optimiser le processus de soudage :
Choisissez une méthode de soudage adaptée : les différentes méthodes de soudage présentent des apports et des influences thermiques différents. Par exemple, comparé au soudage à l’arc, le soudage sous protection gazeuse offre l’avantage d’un faible apport de chaleur, d’une vitesse de soudage élevée et de faibles déformations. Par conséquent, pour le soudage des chaînes à rouleaux, il est préférable d’opter pour des méthodes de soudage avancées telles que le soudage sous protection gazeuse afin de minimiser les déformations.
Réglage précis des paramètres de soudage : En fonction du matériau, des dimensions et autres caractéristiques de la chaîne à rouleaux, le courant, la tension, la vitesse de soudage et les autres paramètres sont contrôlés avec précision afin d’éviter les déformations dues à des valeurs excessives ou insuffisantes. Par exemple, tout en garantissant la qualité de la soudure, le courant et la tension peuvent être réduits de manière appropriée afin de limiter l’apport de chaleur et, par conséquent, les déformations.
Utilisez une séquence de soudage appropriée : pour les structures à chaînes à rouleaux comportant plusieurs passes de soudage, la séquence doit être judicieusement agencée afin de répartir uniformément les contraintes et de réduire les concentrations locales de contraintes. Par exemple, une séquence de soudage symétrique suivie d'un soudage segmenté en arrière permet de contrôler efficacement la déformation.
Application des dispositifs de fixation : La conception et l’utilisation de dispositifs de fixation adaptés sont essentielles pour maîtriser les déformations de soudage des chaînes à rouleaux. Avant le soudage, la pièce à souder est solidement fixée dans la position requise par ces dispositifs afin de limiter ses mouvements et ses déformations pendant l’opération. Par exemple, en utilisant une méthode de fixation rigide et en appliquant une force de serrage appropriée aux deux extrémités de la plaque extérieure de la chaîne, on peut efficacement prévenir les déformations par flexion lors du soudage. De plus, après le soudage, le dispositif de fixation peut également être utilisé pour corriger la pièce à souder et ainsi réduire davantage les déformations.
Traitement thermique et correction après soudage : Le traitement thermique après soudage permet d’éliminer les contraintes résiduelles et d’améliorer les propriétés du matériau dans la zone de soudure. Par exemple, un recuit approprié de la chaîne à rouleaux permet d’affiner le grain du matériau dans cette zone, de réduire sa dureté et ses contraintes résiduelles, et d’améliorer sa ténacité et sa résistance à la fatigue. De plus, pour les chaînes à rouleaux ayant subi des déformations dues au soudage, une correction mécanique ou par flamme peut être appliquée afin de leur redonner une forme proche de la conception et de réduire l’impact des écarts géométriques sur leur durée de vie en fatigue.
6. Conclusion
La déformation due au soudage a un impact significatif sur la durée de vie en fatigue des chaînes à rouleaux. La concentration des contraintes, les écarts de forme géométrique, les problèmes d'ajustement et les modifications des propriétés des matériaux qui en résultent accélèrent l'endommagement par fatigue des chaînes et réduisent leur durée de vie. Par conséquent, lors de la fabrication des chaînes à rouleaux, il est essentiel de prendre des mesures efficaces pour maîtriser la déformation due au soudage, telles que l'optimisation de la technologie de soudage, l'utilisation de dispositifs de fixation, et la réalisation de traitements thermiques et de corrections après soudage. La mise en œuvre de ces mesures permet d'améliorer significativement la qualité et la fiabilité des chaînes à rouleaux, d'allonger leur durée de vie en fatigue, et ainsi de garantir le fonctionnement stable des systèmes de transmission et de convoyage mécaniques, tout en soutenant fortement la production et le développement des industries connexes.
Date de publication : 4 juin 2025