Manuel de Soudure

8/8/2019 Manuel de Soudure

1/28

Fichier : L3-3.doc

ESDEPGROUPE DE TRAVAIL 3

FABRICATION ET MONTAGE

Leon 3.3

Principes du Soudage


2/28

Page 1

OBJECTIF

Donner une vue globale des consquences de la ralisation des assemblages parsoudage.

RESUME

Cette leon dcrit les principes de base qui entrent en jeu dans la ralisation d'un

assemblage par soudage. Elle voque la structure et les proprits la fois du mtal desoudure et de la zone thermiquement affecte. Elle explique le besoin d'avoir des

prparations de surface pour le soudage bout--bout et donne des exemples desdiffrents types utiliss. Elle esquisse la manire dont on peut faire varier les modesopratoires de soudage pour rpondre au besoin d'un assemblage particulier raliser.

ABREVIATIONS

MAG soudage l'arc sous protection de gaz actif avec avec fil-lectrodefusible (Metal Active Gaz) (parfois appel soudage MIG - Metal InertGaz : soudage l'arc sous protection de gaz inerte avec fil-lectrodefusible)

MMA soudage manuel avec lectrode enrobe (Manual Metal Arc Welding)

SAW soudage l'arc sous flux en poudre (Submerged Arc Welding)

HAZ zone affecte thermiquement ZAT (en anglais : Heat Affected Zone)


3/28

Page 2

1. INTRODUCTION

Le soudage offre un moyen de faire des assemblages mtalliques continus, capables detransmettre des charges entre les composants d'une structure.


4/28

Page 3

2. TYPES DE JOINT

Sur les structures, on trouve une grande varit de joints souds : ils sont fabriqus partir des quatre configurations de base reprsentes figure 1 que l'on peut classer de lamanire suivante :

joints bout--bout.

joints en T.

assemblages recouvrement.

joints en angle.


5/28

Page 4

3. METHODES DE REALISATION D'UN JOINT SOUDE

Comme on peut le voir sur la figure 2, un joint soud s'obtient en faisant fondre desplats en acier ou des profils (mtal de base) le long de la ligne du joint. Le mtal fonduprovenant de chaque lment est runi au niveau du joint dans un bain de mtal fonduqui comble l'interface. Au fur et mesure que le bain de fusion se refroidit, le mtalfondu qui se trouve la limite de fusion se solidifie, formant un lien solide avec le mtalde base, comme on le voit sur la figure 3. Quand la solidification est totale, il y acontinuit du mtal travers le joint.

Deux types de soudure sont d'usage commun : les soudures bout--bout et les cordonsd'angle. Dans le premier cas, le mtal fondu est gnralement celui du profil des

lments souder ; dans le second le mtal fondu dpos est extrieur aux lments souder.

Bien videmment, on ne peut pas faire en mme temps toute la longueur du joint. Enpratique, la source de chaleur utilise pour fondre une petite surface est ensuite dplacele long de la ligne du joint, faisant fondre progressivement le mtal de base sur le bordavant du bain de fusion, comme on le voit sur la figure 4. Au mme moment, le mtaldu bord arrire du bain de fusion se solidifie. La source de chaleur le plus souventutilise, pour des travaux sur des structures est constitue d'un arc de faible voltage (15 35 V), d'intensit leve (50 1 000 A). Comme on le voit sur le schma de lafigure 5, l'arc se dveloppe entre le bout de l'lectrode en acier (barreau) et la pice souder ; il fait fondre la fois le mtal de base et l'lectrode ; le mtal fondu provenantde l'lectrode est ainsi ajout au bain de fusion.

L'acier fondu du bain de fusion absorbe volontiers l'oxygne et l'azote de l'air, ce qui peut rendre poreuse la soudure solidifie et conduire ventuellement des problmesmtallurgiques. La figure 6 montre comment on peut viter ceci en couvrant le bainavec un flux en fusion, comme dans le soudage l'arc manuel et le soudage l'arc sousflux en poudre ou en remplaant l'air autour de l'arc par un gaz inerte, comme dans lesoudage MAG ou le soudage par lectrode enrobe.


6/28

Page 5

4. STRUCTURE ET PROPRIETES DES SOUDURES

Le mtal fondu solidifi a une structure de matriau moul et des propritscaractristiques de l'acier coul, c'est--dire un rapport de la limite lastique larsistance ultime plus grand que celui de l'acier de structure. Le mtal fondu est unmlange de mtal de base et d'acier fondu provenant de l'lectrode. Pour l'acier destructure, la composition de l'lectrode est choisie d'habitude de telle sorte que le mtalfondu qui en rsulte soit plus rsistant que les lments assembler. ventuellement,des conditions particulires peuvent passer outre ce choix. Par exemple, quand on veutassembler de l'acier inoxydable et de l'acier au carbone-manganse, on doit utiliser unelectrode en acier hautement alli afin d'viter les fissures dans le mtal fondu.

Quand le bain de fusion se refroidit et se solidifie, la plus grande partie de la chaleurs'coule travers le mtal de base le long du joint. L'acier est alors soumis des cyclesd'lvation de temprature et de refroidissement, analogues ceux confrs par untraitement thermique. Comme on le voit sur la figure 7, dans cette zone, la structure del'acier est modifie (appele zone thermiquement affecte, ZTA). Ceci doit tre pris encompte dans la conception, en termes de rsilience (valeur de Charpy)...

Le contrle de la ZTA se fera par :

la composition de l'acier (quivalent carbone).

la vitesse de refroidissement de la ZTA.

A son tour, la vitesse de refroidissement est dtermine par :

l'nergie de l'arc, c'est--dire l'nergie linaire de soudage sur le joint.

le type de joint.

l'paisseur de l'acier.

la temprature du plat ou du profil avant le soudage, par exemple leprchauffage.

Une mthode de dtermination de l'interaction de ces diffrents facteurs, afin d'viter

l'apparition des fissures dans la zone thermiquement affecte (ZTA), est donne sur lediagramme reprsent figure 8.

En plus de son effet sur la vitesse de refroidissement, on utilise le prchauffage pour :

Disperser l'hydrogne du bain de fusion et de la zone ZTA. La prsenced'hydrogne dans la ZTA augmente le risque de fissure s'il y a trempe.L'hydrogne provient principalement du flux. Une lectrode approprie, stockecorrectement, peut rduire le risque d'absorption de l'hydrogne.

Enlever l'humidit de surface dans des conditions d'hygromtrie leve ou sur le

chantier.


7/28

Page 6

Amener l'acier des conditions ambiantes normales (20C).


8/28

Page 7

5. PREPARATION DES BORDS EN VUE DE SOUDAGES

BOUT-A-BOUT

Pour des prparations angles droits, la profondeur de fusion dans la plaque est appeleProfondeur de Pntration, voir figure 9a. En gros, la pntration est d'environ 1 mm

pour 100 A. En soudage manuel, la valeur courante n'est d'habitude jamais suprieure 350 A ; plus souvent 150-200 A. Ceci veut dire que le bord de la plaque doit trerecoup le long de la ligne du joint si on veut avoir continuit de l'paisseur(figure 9b).La gorge ainsi forme est ensuite remplie de mtal fondu en provenance de l'lectrode(figure 9c). Il existe diffrentes formes de bords, reprsentes figure 10 ; les bords

peuvent tre plans, scis, tranchs ou dcoups au chalumeau.

La premire passe du cordon dpos au fond de la gorge est appele cordon racine. Lesfaces racines peuvent tre fondues afin d'assurer une bonne pntration, mais en mmetemps, le bain de fusion doit tre contrl afin d'viter son affaissement, comme on levoit figure 11. Ce travail requiert une comptence considrable. Les difficults peuventtre rduites par l'utilisation d'un support de soudage l'envers.

Le choix d'une prparation de bord dpend :

du type de traitement.

de la position de soudage (figure 12).

de l'accs pour l'arc et l'lectrode.

du volume de mtal de soudure dpos qui devrait tre rduit au minimum.

du cot de prparation des bords.

du retrait et de la dformation (figure 13).


9/28

Page 8

6. MODE OPERATOIRE DE SOUDAGE

Le terme de mode opratoire de soudage est utilis pour dcrire le processus completqui intervient dans la fabrication d'une soudure. Il recouvre le choix de l'lectrode, la

prparation des bords, le prchauffage, les paramtres de soudage (voltage, amprage etvitesse d'avance), la position de soudage, le nombre de passes pour remplir la gorge etles traitements postsoudage, par exemple le meulage ou le traitement thermique. Lesmodes opratoires de soudage peuvent tre labors pour rpondre diffrents besoins,

par exemple pour rduire les cots, contrler la dformation, viter les dfauts ou avoirde bonnes proprits aux chocs. Des aspects spcifiques du mode opratoire de soudagencessitent des commentaires dtaills.

6.1 Intensit du courant

L'intensit du courant contrle l'nergie linaire de soudage. La valeur minimale estdtermine par la ncessit de fondre la plaque et de conserver l'arc stable ; le minimumspcifi peut, cependant, tre plus lev pour viter les fissures de la ZTA. Le courantmaximum dpend des conditions d'opration. D'habitude, plus le courant est lev, plusla soudure peut tre ralise rapidement, d'o des cots moins levs. L'utilisation d'uncourant maximum peut tre restreint par la position ; en position plafond, par exemple,on ne peut pas utiliser d'intensits suprieures 160 A. Des intensits leves donnenthabituellement de faibles proprits aux chocs. Il faut noter que l'intensit utilise estchoisie en correspondance avec le diamtre de l'lectrode.

6.2 Position de soudage

On a dj not ci-dessus l'effet de la position sur l'intensit du courant. Souder en position plafond requiert une grande comptence pour viter les dfauts, comme parexemple une coupe de mauvaise qualit et ne devrait tre utilis qu'en cas d'absoluencessit. Le soudage en corniche est plus lent qu' plat, mais requiert moins decomptence qu'un soudage au plafond.

6.3 Environnement

S'il est ncessaire d'effectuer du soudage sur site, il faut prendre en compte les pointssuivants :

par temps froid, il peut tre ncessaire de rchauffer l'acier pour l'amener une temprature de 20C.

la condensation nocturne et une humidit leve peuvent conduire laprsence de porosit.

il faut prendre soin de s'assurer que les lectrodes sont conserves au sec.


10/28

Page 9

il est souvent difficile de raliser un accostage prcis du joint ; des cartsvariables, et/ou importants peuvent donner lieu des soudures comportantdes dfauts, des dformations et des prix plus levs.


11/28

Page 10

7. RETRAIT

Pendant le refroidissement, le mtal chaud l'intrieur de la zone de soudage secontracte, amenant du retrait dans le joint. La contraction est gne par le mtal froidqui entoure le joint ; les contraintes qui se dveloppent, suprieures la limite lastique,crent des dformations plastiques. Ceci peut conduire une dformation ou duflambement, comme on le voit sur la figure 13. La dformation peut tre rduite par lechoix d'une prparation de bord et d'un mode opratoire de soudage ; on en voit desexemples sur la figure 14.

Quand la dformation plastique cesse, il reste sur le joint un diagramme de contraintesrsiduelles reprsent figure 15, avec de la traction dans le mtal fondu et dans la ZTA

et de la compression dans l'acier tout autour. On tudiera la signification de cescontraintes rsiduelles dans d'autres leons.


12/28

Page 11

8. CONCLUSION

On obtient un joint soud en faisant fondre le mtal de base des deux composants relier, avec, de faon courante, un apport de mtal de soudure.

Les proprits, la fois du mtal de soudure qui a t fondu, puis s'est solidifi etde la zone thermiquement affecte environnante peuvent diffrer de celles dumtal de base.

Les modes opratoires de soudage doivent tre spcifis correctement afin dedonner un joint soud satisfaisant. Les paramtres les plus importants sont : la

position de soudage, le type d'lectrode, la prparation de bord, le prchauffage,

voltage, l'intensit, la vitesse d'avance, le nombre de passes et les traitementsthermiques postsoudage.

Le mtal chaud de la zone de soudage se contracte pendant le refroidissement, cequi donne lieu des contraintes rsiduelles. Il y aura des dformations si onn'effectue pas un contrle appropri.


13/28

Page 12

9. LECTURES COMPLEMENTAIRES

1. Hicks, J. "Welding Design", Granada.

dtails des joints et des soudures.

rsistance des joints souds.

effets du soudage sur des structures mtallurgiques, zones thermiquementaffectes, fissuration de la ZTA.

prparation de bord.

positions de soudage - dfinitions et remarques.

2. Gourd, L. M. "Principles of Welding Technology", Edward Arnold, 1980.

formation de la soudure.

types de sources de chaleur.

rsistance des joints souds.


prparation de bord.

commentaires sur les contraintes rsiduelles.

contrle de la dformation.

3. Milner, D.R. et Apps, R. L. "Introduction to Welding and Brazing", Pergamon.


contrle des dformations.

4. Pratt, J.L. " Introduction to the Welding of Structural Steelwork", SteelConstruction Institute - Publication n14.

5. British Standard BS 5135 : 1986, "Metal Arc Welding of Carbon and CarbonManganese Steels", British Standards Institution, London.


14/28

Page 13


15/28

Page 14


16/28

Page 15


17/28

Page 16


18/28

Page 17


19/28

Page 18


20/28

Page 19


21/28

Page 20


22/28

Page 21


23/28

Page 22


24/28

Page 23


25/28

Page 24


26/28

Page 25


27/28

Page 26


28/28

Documents

Manuel de Soudure