Comment réduire les contraintes résiduelles d'une chaîne à rouleaux après soudage
Dans le processus de production et de fabrication des chaînes à rouleaux, le soudage est une étape clé. Cependant, des contraintes résiduelles apparaissent souvent après soudage. Si des mesures efficaces ne sont pas prises pour les réduire, cela aura de nombreuses conséquences néfastes sur la qualité et les performances de la chaîne.chaîne à rouleauxCes contraintes résiduelles peuvent notamment réduire la résistance à la fatigue des chaînes à rouleaux, provoquer des déformations, voire des ruptures, et ainsi affecter leur fonctionnement normal et leur durée de vie dans divers équipements mécaniques. Il est donc primordial d'étudier et de maîtriser les méthodes permettant de réduire les contraintes résiduelles liées au soudage des chaînes à rouleaux.
1. Causes des contraintes résiduelles
Lors du soudage, la zone à souder de la chaîne à rouleaux subit un chauffage et un refroidissement irréguliers. Pendant le soudage, la température de la soudure et de la zone environnante augmente rapidement, provoquant la dilatation du métal. Lors du refroidissement, la contraction du métal dans ces zones est limitée par le métal environnant non chauffé, générant ainsi des contraintes résiduelles de soudage.
Les conditions de contrainte lors du soudage influent également sur l'amplitude et la répartition des contraintes résiduelles. Si la chaîne à rouleaux est fortement contrainte pendant le soudage, c'est-à-dire si le degré de déformation bloquée ou restreinte est important, alors, lors du refroidissement suivant le soudage, les contraintes résiduelles dues à l'impossibilité d'un retrait libre augmenteront en conséquence.
Les caractéristiques intrinsèques du matériau métallique ne peuvent être négligées. Différents matériaux présentent des propriétés thermophysiques et mécaniques distinctes, ce qui induit des variations de dilatation thermique, de contraction et de limite d'élasticité lors du soudage, influençant ainsi la génération de contraintes résiduelles. Par exemple, certains aciers alliés à haute résistance, dotés d'une limite d'élasticité élevée, sont susceptibles de générer d'importantes contraintes résiduelles lors du soudage.
2. Méthodes de réduction des contraintes résiduelles en soudage de chaînes à rouleaux
(I) Optimiser le processus de soudage
Ordre de soudage optimal : pour le soudage des chaînes à rouleaux, les soudures à fort retrait doivent être réalisées en premier, suivies de celles à faible retrait. Ceci permet un retrait plus libre lors du soudage, réduisant ainsi les contraintes résiduelles dues à un retrait limité. Par exemple, lors du soudage des maillons intérieur et extérieur d'une chaîne à rouleaux, le maillon intérieur est soudé en premier, puis le maillon extérieur après refroidissement. Ainsi, le retrait du maillon extérieur ne gêne pas excessivement la soudure du maillon intérieur.
Utilisez des méthodes et des paramètres de soudage appropriés : différentes méthodes de soudage induisent différentes contraintes résiduelles sur les chaînes à rouleaux. Par exemple, le soudage sous protection gazeuse permet de réduire la zone affectée thermiquement, dans une certaine mesure, par rapport à certaines méthodes de soudage traditionnelles, grâce à la concentration de la chaleur de l’arc et à son rendement thermique élevé, réduisant ainsi les contraintes résiduelles. Parallèlement, il est crucial de choisir judicieusement des paramètres tels que le courant, la tension et la vitesse de soudage. Un courant de soudage excessif entraîne une pénétration et un apport de chaleur excessifs, ce qui provoque une surchauffe du joint soudé et augmente les contraintes résiduelles ; tandis que des paramètres de soudage appropriés permettent un processus de soudage plus stable, réduisent les défauts de soudage et, par conséquent, les contraintes résiduelles.
Maîtrise de la température intercouche : Lors du soudage multicouche de chaînes à rouleaux, la maîtrise de la température intercouche est essentielle pour réduire les contraintes résiduelles. Une température intercouche appropriée permet de maintenir une bonne plasticité du métal de la soudure et de la zone affectée thermiquement pendant le soudage, favorisant ainsi le retrait de la soudure et la relaxation des contraintes. Généralement, la température intercouche doit être déterminée en fonction des propriétés des matériaux utilisés pour la chaîne à rouleaux et des exigences du procédé de soudage. La température doit être mesurée et contrôlée pendant le soudage afin de garantir qu'elle reste dans la plage appropriée.
(II) Adopter des mesures appropriées de préchauffage et de post-chauffage pour le soudage
Préchauffage : Avant le soudage de la chaîne à rouleaux, le préchauffage de la zone de soudure permet de réduire efficacement les contraintes résiduelles. Le préchauffage diminue l’écart de température au niveau du joint soudé et homogénéise la température pendant le soudage, réduisant ainsi les contraintes thermiques dues au gradient de température. De plus, le préchauffage augmente la température initiale de la zone de soudure, réduit l’écart de température entre le métal d’apport et le matériau de base, améliore la qualité du joint soudé, limite l’apparition de défauts de soudage et, par conséquent, diminue les contraintes résiduelles. La température de préchauffage doit être déterminée en fonction de la composition, de l’épaisseur, du mode de soudage et de la température ambiante du matériau de la chaîne à rouleaux.
Traitement thermique après soudage : Ce traitement, appelé déshydrogénation, est un moyen important de réduire les contraintes résiduelles dues au soudage des chaînes à rouleaux. Il consiste généralement à chauffer la zone soudée à environ 250-350 °C immédiatement après le soudage, puis à la refroidir à une température donnée, avant de la maintenir à température pendant une période déterminée. Le principal objectif de ce traitement est d’accélérer la diffusion et l’évacuation des atomes d’hydrogène présents dans la soudure et la zone affectée thermiquement, de réduire la teneur en hydrogène dans la zone soudée et, par conséquent, le risque de fissuration par corrosion sous contrainte induite par l’hydrogène. Ce traitement contribue également à réduire les contraintes résiduelles de soudage. Il est particulièrement important pour le soudage de certains aciers à haute résistance et de chaînes à rouleaux à parois épaisses.
(III) Effectuer le traitement thermique après soudage
Revenu global à haute température : Placer la chaîne à rouleaux entière dans un four de chauffage, la chauffer lentement jusqu'à environ 600-700 °C, la maintenir à cette température pendant une durée déterminée, puis la refroidir à température ambiante dans le four. Ce traitement de revenu global à haute température permet d'éliminer efficacement les contraintes résiduelles de la chaîne à rouleaux, généralement de 80 à 90 %. La température et la durée du revenu doivent être contrôlées avec précision en fonction de facteurs tels que le matériau, les dimensions et les performances requises de la chaîne à rouleaux afin de garantir l'efficacité et la qualité du traitement thermique. Cependant, ce traitement nécessite un équipement de traitement thermique plus important et son coût est relativement élevé. Néanmoins, pour certaines chaînes à rouleaux présentant des exigences strictes en matière de contraintes résiduelles, il constitue une méthode idéale pour les éliminer.
Revenu localisé à haute température : Lorsque la chaîne à rouleaux est de grande taille ou de forme complexe, et qu’un revenu global à haute température s’avère difficile, on peut recourir au revenu localisé à haute température. Ce procédé consiste à chauffer uniquement la soudure de la chaîne et la zone adjacente afin d’éliminer les contraintes résiduelles. Comparé au revenu global à haute température, le revenu localisé à haute température exige un équipement et un coût de traitement relativement moins élevés, mais son efficacité d’élimination des contraintes résiduelles est moindre. Lors d’un revenu localisé à haute température, il convient de veiller à l’uniformité de la zone de chauffe et au contrôle de la température afin d’éviter la formation de nouvelles concentrations de contraintes ou d’autres problèmes de qualité dus à une surchauffe locale ou à une température non uniforme.
(IV) Méthode d'étirement mécanique
La méthode d'étirage mécanique consiste à appliquer une force de traction à la chaîne à rouleaux après soudage afin de provoquer une déformation plastique. Ce procédé compense la déformation résiduelle par compression générée lors du soudage et permet de réduire les contraintes résiduelles. En pratique, un équipement d'étirage spécifique permet de régler la force de traction et la vitesse d'étirage en fonction des spécifications et des performances requises pour la chaîne, afin d'obtenir un étirage uniforme. Cette méthode est particulièrement efficace pour les chaînes à rouleaux exigeant un contrôle dimensionnel précis et l'élimination des contraintes résiduelles. Toutefois, elle nécessite un équipement d'étirage adapté, du personnel qualifié et des conditions de production spécifiques.
(V) Méthode d'étirement par différence de température
Le principe de base de la méthode d'étirage par différence de température repose sur l'utilisation de la différence de température générée par un chauffage localisé pour induire une déformation par traction dans la zone de soudure, réduisant ainsi les contraintes résiduelles. Concrètement, on utilise un chalumeau oxyacétylénique pour chauffer chaque côté de la soudure de la chaîne à rouleaux, tout en pulvérisant de l'eau à une certaine distance derrière le chalumeau afin de refroidir la zone. De cette manière, une zone de haute température se forme de part et d'autre de la soudure, tandis que la température de la zone de soudure elle-même reste basse. Sous l'effet de la chaleur, le métal se dilate de part et d'autre et étire la zone de soudure plus froide, permettant ainsi d'éliminer une partie des contraintes résiduelles de soudage. L'équipement utilisé pour cette méthode est relativement simple et facile à mettre en œuvre. Il peut être appliqué avec souplesse sur les chantiers de construction ou les sites de production, mais son efficacité en matière d'élimination des contraintes résiduelles est fortement influencée par des paramètres tels que la température de chauffage, la vitesse de refroidissement et la distance de pulvérisation d'eau. Ces paramètres doivent être contrôlés et ajustés avec précision en fonction des conditions réelles.
(VI) Traitement de vieillissement par vibration
Le traitement de vieillissement par vibration exploite l'énergie mécanique des vibrations pour faire résonner la chaîne à rouleaux, homogénéisant et réduisant ainsi les contraintes résiduelles internes. La chaîne est placée sur un équipement de vieillissement par vibration spécifique, dont la fréquence et l'amplitude de l'excitateur sont ajustées pour la faire résonner pendant une durée déterminée. Lors de ce processus de résonance, les grains métalliques se déplacent et se réorganisent, améliorant la microstructure et réduisant progressivement les contraintes résiduelles. Ce traitement présente l'avantage d'un équipement simple, d'un temps de traitement court, d'un faible coût et d'une grande efficacité, sans altérer la qualité de surface de la chaîne. C'est pourquoi il est largement utilisé dans la production de chaînes à rouleaux. En général, il permet d'éliminer environ 30 % à 50 % des contraintes résiduelles issues du soudage. Pour certains produits ne nécessitant pas de contraintes résiduelles particulièrement faibles, le vieillissement par vibration constitue une méthode économique et efficace d'élimination de ces contraintes.
(VII) Méthode de martelage
Le martelage est une méthode simple et courante pour réduire les contraintes résiduelles de soudage. Après le soudage de la chaîne à rouleaux, lorsque la température de soudage atteint 100 à 150 °C ou plus de 400 °C, tapotez uniformément la soudure et ses zones adjacentes à l'aide d'un petit marteau afin de provoquer une déformation plastique locale du métal et ainsi réduire les contraintes résiduelles. Il est important de noter que le martelage est à proscrire entre 200 et 300 °C, car le métal est alors fragile et le martelage risque de provoquer des fissures. De plus, la force et la fréquence du martelage doivent être modérées et adaptées à l'épaisseur de la chaîne et à la taille de la soudure pour garantir un martelage efficace et de qualité. Cette méthode convient généralement aux petites chaînes à rouleaux soudées et simples. Pour les chaînes plus grandes ou complexes, son efficacité peut être limitée et elle doit être combinée à d'autres méthodes.
3. Comment choisir une méthode de réduction des contraintes résiduelles appropriée
En production, selon les spécificités et les exigences des chaînes à rouleaux, il est nécessaire d'examiner attentivement les avantages et les inconvénients, le champ d'application, le coût et d'autres facteurs des différentes méthodes de réduction des contraintes résiduelles afin de sélectionner le traitement le plus adapté. Par exemple, pour certaines chaînes à rouleaux de haute précision, haute résistance et à parois épaisses, un revenu global à haute température peut s'avérer optimal ; tandis que pour les chaînes à rouleaux produites en grande série et de formes simples, un traitement de vieillissement par vibration ou un martelage peuvent réduire efficacement les coûts de production et améliorer la productivité. Par ailleurs, lors du choix d'une méthode de réduction des contraintes résiduelles, il est essentiel de prendre pleinement en compte l'environnement d'utilisation et les conditions de fonctionnement de la chaîne à rouleaux afin de garantir que la méthode adoptée réponde aux exigences de performance et aux normes de qualité requises pour son utilisation réelle.
4. Le rôle de la réduction des contraintes résiduelles dans l'amélioration de la qualité et des performances des chaînes à rouleaux
La réduction des contraintes résiduelles de soudage peut améliorer considérablement la résistance à la fatigue des chaînes à rouleaux. Lorsque les contraintes de traction résiduelles dans la chaîne sont réduites ou éliminées, le niveau de contrainte réel qu'elle supporte en fonctionnement diminue d'autant, réduisant ainsi le risque de rupture par amorçage et propagation de fissures de fatigue et prolongeant la durée de vie de la chaîne.
Cela contribue à améliorer la stabilité dimensionnelle et la précision de forme de la chaîne à rouleaux. Des contraintes résiduelles excessives peuvent entraîner une déformation de la chaîne pendant son utilisation, affectant son alignement précis avec les pignons et autres composants, et par conséquent le fonctionnement normal des équipements mécaniques. En réduisant les contraintes résiduelles, la chaîne à rouleaux conserve une bonne stabilité dimensionnelle et une bonne précision de forme pendant son utilisation, améliorant ainsi la fiabilité et la précision de la transmission.
Elle permet de réduire la tendance à la fissuration par corrosion sous contrainte des chaînes à rouleaux en milieux corrosifs. Les contraintes résiduelles augmentent la sensibilité des chaînes à rouleaux à ce type de fissuration dans les milieux corrosifs ; leur réduction permet donc de diminuer efficacement ce risque, d’améliorer la résistance à la corrosion des chaînes à rouleaux en environnements difficiles et d’élargir leur champ d’application.
Date de publication : 30 juin 2025