Soudage des aciers à outils

Généralités

Les aciers utilisés pour la fabrication d’outils contiennent généralement une grande quantité d’éléments d’alliage. Ces éléments d’alliage sont ajoutés pour améliorer les propriétés spécifiques à leurs conditions de travail dans les opérations de coupage, de formage, d’emboutissage, de laminage, d’extrusion ou autres.

Les principaux éléments d’alliage utilisés sont le carbone, le manganèse, le chrome, le molybdène, le tungstène, le vanadium, le silicium, le cobalt, le cuivre et le nickel.

Classification
La méthode de classification proposée par l’AISI (“American Iron and Steel Institute”) et la SAE (“Society of Automotive Engineers”) est la plus utilisée pour différencier les aciers à outils. Ce système tient compte soit du milieu de trempe de l’acier, soit de ses conditions d’utilisation. Le tableau ci-dessous présente le système de l’AISI et de la SAE.

Cependant, la plupart des aciers à outils sont achetés selon leur nom commercial, car chaque producteur adapte la composition d’un type donné de son acier pour obtenir un produit unique et performant. Le tableau outils 1 donne les limites de composition des principaux éléments d’alliage des aciers à outils les plus communs.

Propriétés des différentes classes et utilisations typiques

Le tableau outils 2 présente de façon qualitative les principales propriétés utilisées pour effectuer la sélection d’un acier lors de la confection d’un outil. Ce tableau indique aussi l’intervalle de dureté généralement utilisé pour chaque acier.

La conductibilité thermique, la conductivité électrique ou le coefficient de dilatation thermique des aciers à outils se situent entre celles de l’acier doux et celles de l’acier inoxydable selon leur teneur en éléments d’alliage.

On retrouve quelques exemples d’utilisations typiques des différentes classes d’aciers à outils dans le tableau outils 3.

Soudabilité des aciers à outils

Préparation de la surface et des joints
Il est important de bien nettoyer la surface à souder de toute trace d’huile, de graisse, de rouille, de saleté, de solution pour l’inspection par liquide pénétrant ou de peinture à l’aide de solvants appropriés ou par meulage. Lorsque les pièces possèdent des surfaces polies, il faut les protéger avec un anti-adhérent pour éviter que les projections n’endommagent le fini de surface.

Tous les défauts ou les fissures doivent être enlevés. De plus, il est préférable de préparer les chanfreins en forme de U et d’arrondir les arrêtes pour minimiser les risques de fissuration. Pour les épaisseurs supérieures à 13 mm (½ »), l’utilisation de chanfrein en forme de U ou de J sur les deux faces minimise la quantité de métal d’apport et les tensions de retrait.

Plusieurs méthodes sont disponibles pour enlever les défauts et préparer les chanfreins. Il est possible d’usiner, de meuler ou de gouger à l’électrode (Sodel 512PLUS) les bords à souder. Le gougeage à l’électrode demeure la méthode la plus rapide mais elle peut entraîner la formation d’une mince couche durcie. Lorsqu’il y a formation d’une couche dure, cette dernière doit être enlevée par des moyens mécaniques avant le soudage. De plus, lorsque le meulage est utilisé comme moyen de préparation, il est préférable d’éliminer les traces ou les résidus de la meule avec une lime.

Enfin, l’utilisation d’un gabarit adapté à la pièce pour en inverser la courbure avant le soudage et le préchauffage permettent de réduire les risques de déformation.

Tableau outils 1 : Composition des aciers à outils

Tableau outils 2 : Propriétés des aciers à outils

Légende : La valeur 1 signifie que cette propriété est faible / La valeur 9 signifie que cette propriété est excellente

Tableau outils 3 : Utilisations et températures de préchauffe typiques

Préchauffage

Lors du soudage des aciers à outils, une partie de la zone affectée thermiquement a tendance à se transformer en structure fragile (martensite) causant ainsi un plus grand risque de fissuration. Cette transformation, qui survient au cours du refroidissement, est favorisée par leur forte teneur en carbone, leur teneur plus ou moins grande en éléments d’alliage et par la rapidité à laquelle la chaleur est dissipée dans la section de la pièce.

Pour éviter cette transformation, il est recommandé de préchauffer l’acier à une température se situant généralement au-dessus de la température de début de transformation de la martensite et de maintenir cette température jusqu’à ce que l’opération de soudage soit terminée. Cette préchauffe peut parfois réduire la dureté de la pièce mais elle diminue fortement les risques de fissuration.

Une bonne façon de procéder est de protéger la pièce à l’aide d’une boîte faite de briques réfractaires tout en laissant une section amovible pour atteindre la partie à souder. Le chauffage peut s’effectuer par l’insertion d’éléments chauffants dans la boîte.

Le tableau outils 3 indique les intervalles de températures généralement utilisés pour les différents types d’aciers à outils. Ces températures peuvent varier selon la complexité de la pièce et de son historique métallurgique.

Méthode de soudage

Afin de minimiser la surchauffe de la pièce, il est recommandé d’utiliser le plus petit diamètre d’électrode possible pour les premières passes qui sont en contact avec l’acier à outils. Les électrodes de 2,5 mm (3/32″) ou le procédé GTAW (TIG) conviennent très bien pour cela. De la même façon, il faut choisir la plus basse intensité de courant, tout en s’assurant d’obtenir un bon mouillage et un accrochage parfait. Il faut ainsi recouvrir toute la surface et les abords du chanfrein avant de le remplir avec des électrodes de plus grand diamètre. Il est préférable, pour minimiser la dilution et éviter de surchauffer la pièce, de ne pas balancer l’électrode en cours de soudage, de diriger l’arc dans le bain de fusion et de faire de petits cordons. Il est avantageux de marteler les cordons avec un outil à bout arrondi pendant qu’ils sont encore suffisamment chauds, soit au-dessus de 370°C (700°F).

Le martelage a pour but de déformer le cordon par des efforts de compression de manière à réduire l’effet des contraintes de retrait créées au cours du refroidissement. Il faut faire attention de ne pas utiliser un outil à bout pointu, tel que le marteau qui sert à enlever le laitier, car les empreintes en forme de piqûres qu’il laisse agissent plutôt comme des amorces de fissure.

Il est important d’amorcer l’arc dans le chanfrein pour ne pas créer de point fragile sur la pièce et de prendre soin que chacun des cratères soit refusionné. Il est possible d’utiliser une plaque d’amorçage pour éviter les coups d’arcs.

Pour la réparation d’arrête, il est conseillé de partir d’un bout pour aller vers le centre puis de partir de l’autre bout pour terminer en refusionnant le cratère de la première passe. L’utilisation de plaques de cuivre ou de graphite pour supporter le cordon facilite aussi la tâche. Cependant, il est nécessaire de préchauffer la pièce avec ces plaques pour ne pas drainer la chaleur de la pièce.

Pour la réparation de moule où la qualité du fini de surface est très importante, les dernières passes peuvent être faites avec le procédé GTAW (TIG) pour ainsi assurer une plus grande pureté du métal fondu. Il est alors recommandé de déposer au moins deux couches de métal fondu pour que la dernière soit meulée et polie selon le fini de surface de la pièce.

Lors de réparations mineures, il est important de se rappeler que la zone affectée thermiquement (ZAT), aussi mince soit-elle, aura un comportement différent de celui du reste de la pièce pendant les opérations de finition de surface comme le grenaillage ou la photogravure. La seule façon de remédier à ce problème est d’effectuer un recuit complet pour homogénéiser la structure puis de refaire un traitement thermique pour redurcir la pièce.

Il faut noter que le fait d’effectuer un traitement thermique de recuit complet à une pièce d’aciers à outils réduit considérablement les risques de fissuration mais, en même temps, ceci oblige la retrempe de la pièce et entraîne ainsi des risques de changement dimensionnel coûteux à corriger. Ces deux points sont à considérer lorsque la réparation par soudage nécessite la déposition de quantité importante de métal fondu, ce qui entraîne des changements dimensionnels ou une baisse importante de la dureté due à l’apport thermique du soudage.

Nettoyage du laitier

Le laitier sur le dépôt peut être enlevé avec des outils manuels à bouts arrondis et une brosse d’acier inoxydable. Lors du soudage en multipasses, il est essentiel d’enlever toutes les traces de laitier sur la soudure avant de refaire un cordon. Pour s’assurer que la pièce possède une dureté presque homogène et améliorer la ténacité de la pièce, il est préférable d’effectuer un recuit postsoudage à la pièce.

Postchauffage

Après le soudage, il faut laisser la pièce refroidir très lentement, de 20 à 30°C (35 à 50°F) par heure, jusqu’à environ 80°C (175°F). Ensuite, il faut la réchauffer à une température d’environ 15°C (25°F) inférieure à la température de revenu subie par la pièce lors de son traitement thermique de durcissement pour éliminer le maximum de contraintes résiduelles. Si cette dernière est inconnue, effectuer le traitement à la même température que celle utilisée pour la préchauffe. De façon générale, il faut maintenir la pièce à température pendant 60 minutes par 25 mm (1″) d’épaisseur puis laisser la pièce refroidir à l’air libre ou au four.

Métaux d’apport

Le choix du métal d’apport dépendra de plusieurs facteurs dont :

• la possibilité de faire une préchauffe;
• l’importance de la réparation;
• le type de réparation à effectuer;
• les conditions de travail de la pièce.

De façon générale, le ou les métaux d’apport choisis doivent permettre à la pièce de résister aux différentes contraintes rencontrées en service.

Si la pièce doit subir un traitement thermique de durcissement ou un traitement de surface (grenaillage, photogravure, etc.) ou que la partie réparée doit s’user de la même façon que le reste de la pièce, il faut obtenir une structure homogène et choisir un métal d’apport possédant des caractéristiques similaires à l’acier de la pièce (Sodel H13, Sodel O1, Sodel P20, etc.).

Lorsque la pièce ne peut pas être préchauffée, il faut utiliser un métal d’apport qui réduit au maximum les risques de fissuration, comme la Sodel 335, pour effectuer les premières passes. Une fois que le chanfrein et ses abords sont bien recouverts, le soudage se poursuit avec l’électrode appropriée.

Pour l’assemblage de deux parties d’une pièce, il est préférable d’utiliser un métal d’apport possédant une grande résistance à la fissuration, une bonne résistance mécanique et une bonne ductilité comme la Sodel 335. Pour ce type de réparation, il est important de laisser suffisamment d’espace pour déposer deux à trois couches d’un métal d’apport possédant des caractéristiques au moins équivalentes à celles de l’acier de base. Dans plusieurs situations, l’utilisation d’un métal d’apport comme la Sodel 245, qui est plus résistante que l’acier de base, permet de compenser la différence entre l’acier de base et le métal d’apport utilisé comme sous-couche ou pour l’assemblage.

Pour certaines réparations, il est possible de créer un outil composite. L’outil est d’abord fabriqué dans un morceau d’acier faiblement allié que l’on peut durcir par traitement thermique. Les parties de l’outil qui sont soumises à des contraintes particulières sont recouvertes d’une sous couche de Sodel 335 et de deux ou trois couches d’un acier à outils pouvant résister à ces contraintes (Sodel 245, Sodel H13, Sodel O1, Sodel P20, etc.).

Pour les pièces travaillant à des températures élevées, il peut être avantageux d’utiliser la Sodel 3500 comme sous couche à la place de la Sodel 335. Consulter le Service Technique Sodel pour vérifier quel produit utiliser selon l’utilisation.

Finalement, comme dans presque tous les cas de réparation, il est très important de bien cerner le type de contrainte que subit l’outil pour effectuer le meilleur choix possible.

CONSEILS PRATIQUES LORS DU SOUDAGE DES ACIERS À OUTILS

• Bien nettoyer la surface à souder de toute trace de graisse ou d’oxyde.
• Protégez les surfaces polies avec un anti-adhérent pour éviter que les projections n’endommagent le fini de surface.
• Préchauffez selon le tableau outils 3 et maintenir cette température jusqu’à ce que l’opération de soudage soit terminée.
• Lorsqu’il n’est pas possible de préchauffer, utilisez la Sodel 335 pour effectuer les premières passes.
• Utilisez le plus petit diamètre d’électrode et la plus basse intensité de courant recommandée pour les premières passes qui sont en contact avec l’acier à outils.
• Utilisez toujours des électrodes parfaitement sèches.
• Le laitier doit être enlevé complètement après chaque cordon lors du soudage en multipasses.
• Pour la réparation d’arrête, utilisez des plaques de cuivre ou de graphite pour supporter le cordon.
• Pour l’assemblage de deux parties d’une pièce, utilisez la Sodel 335 car elle possède une grande résistance à la fissuration, une bonne résistance mécanique et une bonne ductilité, puis terminez avec la Sodel 243, Sodel 245 pour donner une bonne résistance à l’usure à la surface de la pièce.
• Après le soudage, laissez la pièce refroidir très lentement, puis la réchauffer à une température d’environ 15°C (25°F) intérieure à la température de revenu initiale pour éliminer le maximum de contraintes résiduelles.