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Soudage - Partie 1
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De tous les procédés de base, le soudage est probablement le plus important, autant en grande série (carrosseries...) qu'en pièce unitaire (cuve de centrale...). I - Généralités et définitions Souder : c'est assembler de façon permanente deux ou plusieurs pièces, tout en assurant entre elles la continuité de la matière. Soudage autogène : les pièces à assembler, de même nature ou de composition voisine, participent à la constitution du joint ou du cordon de soudure. L'assemblage est dit homogène, c'est-à-dire « fait du même métal ». Brasage et soudobrasage : l'assemblage est hétérogène ; la formation du joint ou cordon est assurée par la seule intervention du métal d'apport qui agit comme une colle. La température de fusion du métal d'apport est inférieure à celle des matériaux à souder qui peuvent être de natures différentes.
1. Soudage autogène et brasage. II - Représentation normalisée des soudures
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Sur les dessins, on peut choisir une représentation simplifiée ou une représentation symbolique NF EN 22553 (ISO 2553) à préférer pour les définitions.
2. Représentations simplifiée et symbolique des soudures. 1. Représentation simplifiée Utilisant peu de symboles, elle est réalisée à partir de triangles ou de vés noircis chaque fois que la vue correspond à une section droite du cordon et par une succession de petits traits curvilignes dans les autres cas. Elle doit être réservée aux applications simples. 2. Représentation symbolique, normes internationales
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Les cordons ne sont pas dessinés ; seule la ligne du joint est représentée. La forme et les dimensions de la soudure sont indiquées sous forme d'une cotation composée d'une ligne repère, ou flèche, et d'une double ligne de référence portant une série de symboles et indications normalisées. a) Symboles élémentaires Leur forme rappelle celle de la soudure et ne préjuge pas du procédé de soudage utilisé.
3. Symboles élémentaires normalisés pour soudure bout à bout.
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4. Symboles élémentaires normalisés pour éléments divers. b) Symboles supplémentaires Ils permettent de définir la forme de la surface extérieure de la soudure. Leur absence signifie que cette forme n'a pas besoin d'être précisée.
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5. Symboles supplémentaires normalisés. c) Indications complémentaires Elles permettent de préciser certains éléments nécessaires.
6. Indications complémentaires normalisées. Soudure périphérique : soudure à réaliser sur tout le pourtour ou périmètre de la pièce. Procédés de soudage : ils sont identifiés par un nombre normalisé (voir tableau ci-dessous).
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d) Positions des symboles sur les dessins La position de la ligne repère peut être quelconque, l'extrémité de la flèche doit toucher la ligne du joint. Pour les soudures en 1/2. V, 1/2. Y et 1/2.J, la flèche doit être orientée vers la tôle devant être préparée.
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Le symbole élémentaire est sur la ligne de référence si la surface extérieure de la soudure est faite du côté de la ligne de repère du joint. Il est tracé sur la ligne d'identification (trait interrompu) si la soudure est de l'autre côté.
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7. Positions des symboles sur les dessins (exemples). e) Cotation des dimensions À gauche du symbole élémentaire, une cote peut, au besoin, indiquer la dimension transversale principale de la soudure. A droite du symbole élémentaire, une ou plusieurs cotes relatives à la longueur des cordons peuvent être indiquées.
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8. Cotation normalisée des dimensions.
9. Cotation normalisée des dimensions (suite). Pour les soudures d angle utiliser les lettres a et z III - Conception des assemblages soudés Pour certains appareils, sous pression, sous haute température..., les soudures sont soumises à une réglementation et une législation. Il convient donc de s'y reporter. Les indications et recommandations ci-dessous sont générales et indicatives. Elles sont utilisables pour des ensembles mécano-soudés traditionnels (bâti, carter...) réalisés en soudage à l'arc. 1. Préparation et forme du cordon - NF EN ISO 9692-1 Les recommandations s'appliquent au soudage à l'arc avec électrodes enrobées (111), aux MIG et MAG (13), au TIG (141) et par faisceau (512).
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10. Travail de préparation en fonction de l'épaisseur à souder (Extrait NF EN ISO 9692-1). 2. Assemblages entre pièces d'épaisseurs différentes En règle générale, il faut s'efforcer de réduire les différences entre épaisseurs. L'assemblage (a) convient aux épaisseurs peu différentes. Les assemblages (b), (d) et (h), réalisables à l'arc, ne sont souhaitables qu'en présence de charges statiques, ; ils engendrent des concentrations de contraintes. S'il existe des efforts alternés ou des phénomènes de fatigue, utiliser les assemblages des autres types : (f), (g), (j) et (k) sont les plus performants mais aussi les plus coûteux. Les assemblages (f), (j), (m) et (n) permettent de souder des épaisseurs très inégales.
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11. Préparations et soudures usuelles entre pièces d'épaisseurs différentes. 3. Soudures en angle Les cordons concaves transmettent mieux les efforts que les cordons convexes. Ils sont à préférer lorsqu'il existe des efforts alternés ou des phénomènes de fatigue. a) Soudures en T Les assemblages (a) et (b) avec préparation utilise un seul cordon, (c) est bon et (d) est le plus résistant, (e) permet de souder une tôle mince sur une tôle plus épaisse. (f) utilisant une soudure bout à bout est celui qui engendre le moins de déformation.
12. Soudures en angle ou en T. Pour c et d, soudage des deux côtés. b) Soudures en L L'assemblage en L est relativement fragile ; il est interdit dans certains cas. Les préparations (a), (b) et (h) sont les plus
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rationnelles (surtout h) ; (c) et (e) ont une faible résistance en flexion ; (f) et (g) sont utilisés avec des tôles minces.
13. Soudures en angle ou en L. Pour d soudage des deux côtés. c) Soudures des paliers : (a) et (c) sont les plus simples ; (b) simplifie la fabrication ; (d) meilleure en fatigue exige une pièce moulée.
14. Soudage de paliers. d) Soudures des brides : (a), (b) et (c) ont une bonne résistance ; (d) est encore meilleure, mais plus coûteux.
15. Soudage de brides.
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4. Renforcements Les bâtis et les éléments peuvent être aisément renforcés avec des plats, ronds ou profilés divers soudés directement sur la structure. Les formes en caisson, simple ou multiple, permettent une plus grande rigidité. Les solutions (b), (c) et (d) sont à préférer ; (c) et (d) sont les plus résistantes et les plus esthétiques. Dans tous les cas, prévoir une disposition symétrique des cordons.
16. Exemples de renforcements.
17. Formes en caisson.
5. Recommandations et suggestions - Mettre les cordons dans les plans neutres et les disposer symétriquement pour éviter les déformations. Penser au retrait après soudage (fig. 18 a). - Éviter les croisements de cordons (fig. 18 b). - Éviter les angles vifs et les cordons trop rapprochés (fig. 18 c). - Disposer et choisir les cordons en fonction des efforts exercés (fig. 18 d).
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- Éviter l'usinage des cordons et prévoir des surépaisseurs. - Simplifier les solutions, diminuer le nombre de pièces et de cordons, utiliser le pliage quand c'est possible. - Pour les éléments secondaires (patte annexe...) préférer le boulonnage au soudage.
18. Recommandations et suggestions. 6. Conception dans le cas du brasage et du soudobrasage Le brasage tendre est réalisé à moins de 400 °C (métal d'apport : plomb + étain, étain + argent), le brasage fort à plus de 450 °C
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(alliages d'argent, de cuivre, d'aluminium). Dans les deux cas, les pièces à assembler sont chauffées. Détails : Guide d'application NF EN 14234. En soudobrasage, les pièces à assembler ne sont pas chauffées et les températures de soudage varient de 600 °C à 900 °C. Métaux d'apport : alliages de cuivre, d'argent, d'aluminium... Les caractéristiques mécaniques du joint sont moins bonnes que dans le cas d'un joint homogène (soudage autogène). Le brasage est très tributaire de l'écoulement par capillarité du métal d'apport fondu entre les pièces séparées par un jeu étroit. Le métal d'apport doit avoir une température de fusion inférieure à celle des pièces à braser. Les assemblages par recouvrement, plus faciles à fabriquer et plus résistants, sont plus utilisés que les assemblages bout à bout.
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19. Exemples de joints brasés également utilisables en collage.
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20. Joints brasés : variantes de conception suivant contraintes de service (extrait NF EN 14324).
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IV - Principaux matériaux soudables 1. Aciers Les aciers non alliés à faible teneur en carbone, type S ou E, ont une bonne soudabilité. Même remarque pour les aciers inoxydables à condition que le pourcentage de carbone (% C) reste inférieur à 0,05 %. Pour les C et les aciers faiblement alliés, le carbone est l'élément le plus défavorable au soudage dans la mesure où il favorise la trempe. La soudabilité peut être estimée par la méthode du carbone équivalent C exprimé en pourcentage de masse.
Si Ceq ≤ 0,4 : l'acier est parfaitement soudable à température ambiante. 0,45 ≤ Ceq ≤ 0,7 : l'acier est moyennement soudable ; préchauffage de 100 à 400 °C. Ceq > 0,7 : l'acier est difficilement soudable ; préchauffage, électrodes spéciales, traitements thermiques... Exemples : C35 (0,35 % C et 0,6 % Mn) : Ceq = 0,35 + 0,6/6 = 0,45 (moyennement soudable) Nuance 35NiCrl8 : (0,35 % C, 4,5 % Ni, 1,7 % Cr, 0,8 % Mn) : Ceq = 0,35 + 0,8/6 + 1,7/5 + 4,5/15 = 1,12 (acier difficilement
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soudable). Remarque : voir recommandations de soudage NF EN 1011-1 à 3 pour le soudage à l'arc des aciers (EN 1011-3 pour les aciers inoxydables). Cas des fontes : leur soudage est plus difficile (électrodes spéciales, préparation, préchauffage éventuel). Utilisation : réparation, rechargement de pièces usées, voir NF EN 1011-8 et NFA 32-040 pour plus de détails. 2. Aluminium et alliages Les alliages sans durcissement structural (aluminium pur, Al + Mg, Al + Mn, Al + Si) ont une bonne soudabilité (TIG, MIG, plasma) avec un métal d'apport compatible. Les alliages à durcissement structural (Al + Mg + Si, Al + Cu, Al + Zn + Mg) sont un peu plus difficiles à souder (MIG) et nécessitent plus de précautions. Recommandations : NF EN 1011-4. V. Principaux procédés de soudages Les procédés de soudage sont nombreux et le plus souvent complémentaires les uns des autres. Le soudage au chalumeau est recommandé pour les travaux délicats, sa mise en oeuvre est simple à l'atelier ou sur un chantier. Le chalumeau oxyacétylénique est préconisé pour le brasage et le soudobrasage. Pour plus de détails, voir NF EN 14610. 1. Soudage à Tare électrique Ce soudage est le plus utilisé industriellement en soudage autogène. La fusion, très localisée, amène moins de déformation que le chalumeau et une plus grande productivité. Inconvénient : un refroidissement rapide générateur de contraintes internes et de déformations parfois difficiles à corriger. La fusion du métal d'apport et des pièces à assembler est obtenue par un arc électrique jaillissant entre une électrode et les pièces à souder.
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Techniques les plus caractéristiques : a) Soudage à l'électrode enrobée L'électrode, dirigée manuellement, est fusible et fournit le métal d'apport. L'enrobage assure un rôle protecteur et son épaisseur permet de jouer sur la forme du cordon, concave ou convexe. b) Soudage MIG (Métal Inert Gas) Encore appelé semi-auto, il est très adapté à la petite industrie : facile d'emploi ; arc visible ; pas de laitier ; grande vitesse de soudage ; temps de formation réduit. Il utilise une électrode fusible (fil se déroulant automatiquement) travaillant en atmosphère inerte (gaz protecteur : argon, argon + hélium, etc.) afin de protéger le bain de fusion. c) Soudage MAG (Métal Active Gas) Variante du MIG utilisant un mélange de gaz carbonique CO2 et d'argon adaptée au soudage des aciers de construction au carbone.
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22. Principe des soudages MIG et MAG. d) Soudage TIG (Tungsten Inert Gas) Variante des précédents, plus productive et utilisant une électrode réfractaire ou non fusible en tungstène. Le métal d'apport est amené manuellement (baguette) ou automatiquement (fil déroulé). Il convient bien aux faibles épaisseurs (0,20 à 3 mm) et peut aussi s'utiliser sans métal d'apport et remplacer le soudage par points. Il existe une variante TAG.
23. Principe du soudage TIG.
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e) Soudage au plasma Apparenté au TIG, il utilise un arc étranglé dans une tuyère avec un gaz inerte. Le dard obtenu, très brillant et très chaud, permet à la fois le découpage (plus rapide que l'oxycoupage) et le soudage (notamment bout à bout en une seule passe avec des bords droits pour des épaisseurs de 3 à 10 mm).
24. Principe du soudage au plasma. 2. Soudage par résistance Les pièces à assembler sont maintenues en contact par un effort de compression puis soudées par recouvrement ou bout à bout sans métal d'apport. La fusion est provoquée par effet Joule : courant de forte intensité sous basse tension. Après coupure du courant, l'effort de compression, toujours appliqué, « forge » la soudure. a) Soudage par points Très utilisé en grande et petite série, rapide, il est réalisé entre deux électrodes. La fusion se produit à la frontière entre les deux pièces à souder.
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25. Soudage par points. b) Soudage à la molette Variante du précédent permettant de réaliser des assemblages plans, cylindriques ou coniques et des soudures continues ou discontinues. Les électrodes sont remplacées par des molettes tournantes.
26. Soudage à la molette.
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c) Soudage par bossage Autre variante permettant de souder plusieurs points en même temps. Les électrodes sont remplacées par des plateaux permettant de souder des formes en treillis, des tubes superposés et croisés... d) Soudage en bout Les pièces à souder, maintenues par des mâchoires, sont mises en contact puis chauffées soit par effet Joule (petites sections), soit par étincelage (par création de petits arcs électriques pour grosses section). Après coupure du courant un refoulement « forge » la soudure. 3. Procédés divers Ils sont nombreux : soudages par friction, par diffusion, par explosion, par ultrasons, par pression à froid... Les plus caractéristiques sont : a) Soudage par faisceau d'électrons II se caractérise par la qualité de la soudure et est particulièrement intéressant pour le soudage des grosses épaisseurs, jusqu'à 250 mm. Le soudage est réalisé sous vide ou atmosphère et l'énergie nécessaire est obtenue par transformation en chaleur de l'énergie cinétique d'électrons venant frapper les matériaux à souder. La largeur de la zone fondue (cordon) est petite et les déformations engendrées très faibles. Exemples : pignons d'arbres de boîte de vitesses. b) Soudage au laser L'émission d'énergie produite sous forme lumineuse (photons) est récupérée puis amplifiée par des résonateurs optiques (miroirs à réflexion) puis focalisée afin d'obtenir une forte concentration d'énergie sur une très petite surface. Le soudage est limité aux petites épaisseurs, 10 mm maxi. Il est bien adapté au microsoudage (grande productivité) et est très flexible d'utilisation ; il permet le découpage et les traitements de surface.
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VI - Indications sur le calcul des soudures Seules sont abordées les notions générales faisant intervenir des calculs à partir des résultats de la résistance des matériaux classique : traction, cisaillement, torsion, flexion. Pour certains appareils, les soudures sont soumises à une législation (Euronormes...) avec des coefficients de sécurité normalisés. 1. Principaux cas Kf est un coefficient correcteur tenant compte des concentrations de contraintes. Il doit être appliqué dans les cas de fatigue ou de charges alternées.
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27. Principaux cas de charge et formules correspondantes
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(IuG et Iuz sont indiquées tableau suivant).
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Tableau 1 2. Principe de calcul en torsion et flexion Les moments quadratiques IuG et Iuz indiqués ci-dessus ne prennent pas en compte l'épaisseur des cordons ; chaque cordon est assimilé à un fil d'épaisseur égale à 1. Les formules fournies image 27 tiennent compte de cette épaisseur en multipliant les valeurs de IuG et Iuz par a ou 0,707h.
a) Exemple 1 : cas de soudures parallèles à la charge - calcul au cisaillement Deux soudures d'angle AB et CD, de longueur 50 mm, sont soumises à du cisaillement pur sous l'action de la charge F. Si l'on adopte une contrainte limite au cisaillement (Rpg) de 10 daN/mm2 pour le métal d'apport, quelle charge F maximale l'assemblage peut-il supporter ?
28. Exemple 1. La section cisaillée à prendre en compte est la plus petite section
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longitudinale de chaque cordon, aire a x l = 10 x 50.
b) Exemple 2 : calcul en torsion Deux soudures d'angle AB et CD, de longueur 30 mm et d'épaisseur 10 mm, sont soumises à une charge F de 1 000 daN, transversale et décalée, amenant cisaillement et torsion. Calculer la contrainte maximale exercée dans les cordons.
29. Exemple 2 (ζ2 perpendiculaire à OA). Les cordons supportent de façon combinée du cisaillement (contrainte ζ1 résultant de l'effort tranchant T = F = 1 000 daN) et de la torsion autour du point O (génère des contraintes de cisaillement supplémentaires ζ2).
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La contrainte ζ2 est supposée uniforme en tout point des deux cordons et est égale à : La contrainte de torsion T2 dépend de la distance (V) entre le point considéré et le centre de torsion O. Cette valeur est maximum en A ou C.
Avec : Mt = 1 000 x (80 + 15) = 95 000 daN.mm V = OA ≈ (152 + 202)1/2 = 25 mm À partir du tableau 1 (3e rangée) on obtient :
La contrainte totale de cisaillement en A (ζ A = 9,7 daN/mm2) est obtenue par addition vectorielle des deux vecteurs contraintes précédents (ζA parallèle à F dirigée vers le bas, ζ 2 (A) perpendiculaire en A à OA) (voir fig. 29). c) Exemple 3 : calcul en flexion Les quatre soudures d'angle en carré AB, BC, CD et DA, de longueur 30 mm et d'épaisseur 10 mm, sont soumises à une charge F de 1 000 daN, transversale et décalée, amenant cisaillement et flexion. Calculer la contrainte maximale exercée dans les cordons.
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30.Exemple 3 L'étude de la flexion de la poutre (diagrammes des T et de Mf) montrent que les cordons supportent à la fois du cisaillement (contrainte ζ1 résultant de l'effort tranchant T = F = 1 000 daN) et de la flexion (génère des contraintes normales de type σ1). La contrainte ζ1 est supposée uniforme en tout point des quatre cordons et est égale à :
Dans le cas de la flexion, on retrouve approximativement le cas d'un
cordon chargé transversalement (Image 27, 5e rangée) et supportant (dans la section cisaillée inclinée à 45°) une contrainte normale G et une contrainte tangentielle T2 ayant même valeur.
Avec : V: distance entre le point {A ou B) et le plan neutre (« axe z »)
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Mf: moment fléchissant à l'encastrement = 1 000 x 100 = 100 000 daN.mm
Tableau 1 La contrainte de cisaillement totale Tmaxi peut être approximée par :
Remarques : une étude plus poussée peut être menée en utilisant la technique du cercle de Mohr et un critère de limite élastique appropriée (voir guide de Mécanique : même auteur). VII- Tolérances générales NF EN1SO13920 Les extraits indiqués s'appliquent aux assemblages et structures soudés et sont basés sur la précision courante des ateliers. Exemple d'indication sur les dessins (près ou dans le cartouche) : « EN ISO 13920-B »
Exercice 1
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L'assemblage proposé est réalisé à partir de deux soudures d'angle AB et CD parallèles à la charge F. Pour quelle valeur de F la contrainte de cisaillement dans le cordon est égaleà8daN/mm2?
Exercice 2 Refaire l'exercice 1 avec quatre soudures d'angle AB, AC, CD et DB de même épaisseur faisant toute la périphérie. Exercice 3 Pour l'assemblage proposé, déterminer la contrainte de cisaillement dans les deux cordons. Calculer la valeur de cette contrainte dans le cas de charges alternées ou de la fatigue.
Exercice 4 L'assemblage proposé est réalisé à partir de deux soudures d'angle AB et CD, d'épaisseur 5 mm. Calculer la valeur maximale de la charge F si la contrainte de cisaillement ne doit pas dépasser la valeur de 8
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daN/mm2 ?
Exercice 5 Refaire l'exercice 4 avec quatre soudures d'angle de même épaisseur faisant la périphérie. Exercice 6 L'assemblage proposé est réalisé à partir de deux soudures d'angle AB et CD de même épaisseur 8 mm. Déterminer la contrainte de cisaillement maximale dans les cordons.
Exercice 7 L'assemblage proposé en perspective est parfaitement symétrique ; la charge F est située dans le plan de symétrie. Déterminer la contrainte de cisaillement maximale dans les cordons si l'épaisseur des cordons est de 10 mm.
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Exercice 8 La console proposée est assemblée sur un bâti par trois soudures d'angle de même épaisseur (6) formant un U. Quelle est la charge maximale, F étant située dans le plan de symétrie, supportable si la contrainte de cisaillement maximale admissible du métal d'apport est de 12 daN/mm2.
Exercice 9 Le support nervure proposé est une pièce de sécurité d'une machine de production et supporte une charge répartie (q daN/m). Il est fixé
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Soudage - Partie 2
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sur le bâti par quatre soudures d'angle de même épaisseur formant un rectangle. Si la contrainte de cisaillement admissible est de 10 daN/mm2, déterminer q maximal.
Exercice 10 L'assemblage proposé se compose d'un tube de diamètre extérieure 50 mm soudé sur le bâti par une soudure d'angle périphérique d'épaisseur 10 mm. La charge F agit sur une patte soudée perpendiculairement au tube. Déterminer la contrainte maximale exercée dans le cordon.
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