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Soudage/Conception d'un assemblage soudé 1 Soudage/Conception d'un assemblage soudé LE SOUDAGE Cette ouvrage fait partie de la collection Technologie Le chapitre présent aborde de manière générale la soudure dans le contexte de la pièce, de l'ensemble fabriqué. Il ne prétend pas être exhaustif, mais donner des orientations générales sur les cas les plus courants. Choix du mode d'assemblage Un produit complexe machine, structure est fait de plusieurs pièces assemblées. Cela permet : de simplifier la conception et la fabrication : on ne travaille que sur un sous-ensemble simple à la fois ; de faciliter la manutention, le transport : on transporte en pièces détachées ; d'utiliser des éléments normalisés, fabriqués en grand nombre et par plusieurs entreprises concurrentes, ce qui réduit les coûts et temps de fabrication (économie d'échelle) ainsi que les risque de pénurie. Il existe deux grandes familles d'assemblage : les assemblage démontables : vissage, boulonnage, serrage dans un étau, bridage, les assemblages indémontables : collage, soudage, sertissage, rivetage, Les assemblages démontables facilitent la maintenance (démontage de pièces pour les changer ou les réparer), le transport (si l'ensemble doit être déplacé régulièrement), le réglage, le désassemblage en fin de vie (tri). L'assemblage nécessite en général peu de matériel (tournevis, clefs) et permet d'avoir des tolérances serrées, typiquement 1/10 à 1/100 mm. Mais le serrage peut s'altérer : les vibrations desserrent les vis, l'assemblage prend du jeu. Les assemblages indémontables sont robustes et tiennent dans la durée, mais la réparation ou le démontage définitif nécessitent de découper les pièces. Le soudage est donc choisi dans le cas : d'un assemblage définitif ; ne nécessitant pas de tolérances serrées (typiquement de l'ordre du mm) ; dont les pièces sont faites d'un matériau fusible (qui fond). Notons que l'on peut usiner des surfaces fonctionnelles après soudure, et donc avoir des tolérences serrées. Il faut pour cela prévoir des surépaisseurs matière à enlever supérieures aux déplacements relatifs provoqués par la soudure, et disposer d'un machine pouvant usiner l'assemblage, qui est en général de grandes dimensions. Le soudage est donc bien adapté pour la construction métallique (escaliers, passerelles, gardes-corps), les tolérances en génie civil étant en général de l'ordre du cm. Dans le cas de l'assemblage de pièces mécaniques par soudage ensemble mécano-soudé , donc avec notion de mouvement, il faut s'assurer que le mécanisme est isostatique afin de pouvoir s'adapter aux imperfection de positionnement et d'orientation (défaut de coaxialité, de concentricité, ). Le soudage permet également d'assurer l'étanchéité, il est donc utilisé en tuyauterie, et pour la fabrication des cuves, réservoirs, chaudières et appareil de pression (chaudronnerie).

Soudage-Conception d'Un Assemblage Soudé

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Soudage/Conception d'un assemblage soudé 1

Soudage/Conception d'un assemblage soudéLE SOUDAGE

Cette ouvrage fait partie de la collection Technologie

Le chapitre présent aborde de manière générale la soudure dans le contexte de la pièce, de l'ensemble fabriqué. Il neprétend pas être exhaustif, mais donner des orientations générales sur les cas les plus courants.

Choix du mode d'assemblageUn produit complexe — machine, structure — est fait de plusieurs pièces assemblées. Cela permet :•• de simplifier la conception et la fabrication : on ne travaille que sur un sous-ensemble simple à la fois ;•• de faciliter la manutention, le transport : on transporte en pièces détachées ;•• d'utiliser des éléments normalisés, fabriqués en grand nombre et par plusieurs entreprises concurrentes, ce qui

réduit les coûts et temps de fabrication (économie d'échelle) ainsi que les risque de pénurie.Il existe deux grandes familles d'assemblage :• les assemblage démontables : vissage, boulonnage, serrage dans un étau, bridage, …• les assemblages indémontables : collage, soudage, sertissage, rivetage, …Les assemblages démontables facilitent la maintenance (démontage de pièces pour les changer ou les réparer), letransport (si l'ensemble doit être déplacé régulièrement), le réglage, le désassemblage en fin de vie (tri).L'assemblage nécessite en général peu de matériel (tournevis, clefs) et permet d'avoir des tolérances serrées,typiquement 1/10 à 1/100 mm. Mais le serrage peut s'altérer : les vibrations desserrent les vis, l'assemblage prend dujeu.Les assemblages indémontables sont robustes et tiennent dans la durée, mais la réparation ou le démontage définitifnécessitent de découper les pièces.Le soudage est donc choisi dans le cas :•• d'un assemblage définitif ;•• ne nécessitant pas de tolérances serrées (typiquement de l'ordre du mm) ;•• dont les pièces sont faites d'un matériau fusible (qui fond).Notons que l'on peut usiner des surfaces fonctionnelles après soudure, et donc avoir des tolérences serrées. Il fautpour cela prévoir des surépaisseurs — matière à enlever — supérieures aux déplacements relatifs provoqués par lasoudure, et disposer d'un machine pouvant usiner l'assemblage, qui est en général de grandes dimensions.Le soudage est donc bien adapté pour la construction métallique (escaliers, passerelles, gardes-corps), les tolérancesen génie civil étant en général de l'ordre du cm. Dans le cas de l'assemblage de pièces mécaniques par soudage —ensemble mécano-soudé —, donc avec notion de mouvement, il faut s'assurer que le mécanisme est isostatique afinde pouvoir s'adapter aux imperfection de positionnement et d'orientation (défaut de coaxialité, de concentricité, …).Le soudage permet également d'assurer l'étanchéité, il est donc utilisé en tuyauterie, et pour la fabrication des cuves,réservoirs, chaudières et appareil de pression (chaudronnerie).

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Mais tous les matériaux fusibles ne sont pas soudables. Par exemple, les aciers dits « trempés » (rendus durs par unrefroidissement rapide) fondent comme tous les aciers, mais la soudure les fragilise.

Choix du mode de soudageComme nous l'avons vu précédemment, il existe plusieurs modes de soudage. Le choix dépend des matériaux àassembler, de la résistance attendue, ainsi que de critères économiques. Le coût de la mise en œuvre du procédédépend :•• du temps d'opération, donc du « rendement » du procédé ;•• de la complexité de la soudure, de la qualification requise pour l'opérateur ;•• du coût des consommables : métal d'apport, gaz de protection ou gaz actif, énergie.Par ailleurs, le mode de soudage peut être imposé par une norme.Voici quelques critères généraux de choix :• si les pièces de base ne doivent pas être altérées : brasage (soudure hétérogène) ;

le chauffage est modéré, seul le métal d'apport fond, cela nécessite peu de matériel (fer à souder, petit chalumeau),déforme peu les pièces, et permet d'assembler des matériaux très différents comme du verre et du métal, dupolymère et du métal (composant sur carte en électronique) ;

• si l'assemblage doit avoir une grande résistance mécanique : soudage autogène ;le métal de base (c'est-à-dire les pièces) et le métal d'apport fondent et se resolidifient, on obtient donc au finalune seule pièce (continuité métallique), mais le chauffage est important (température de fusion du métal) et celadéforme l'assemblage ;•• si les pièces sont en acier :

•• en acier non allié (acier au carbone) à basse teneur en carbone : tous les procédés de soudage peuvent êtreutilisés ;

• en acier inoxydable : le bain de fusion doit être protégé de l'oxygène de l'air, on utilise donc essentiellementle procédé MIG (metal inert gas, procédé 131[1]) ou bien TIG (tungstene inert gas, procédé 141),

•• si les métaux s'oxydent facilement : alliages d'aluminium, de nickel, de titane : le problème est similaire à celuides inox, on utilise le TIG (141).

Le soudage au chalumeau — soudage autogène (procédés 311 à 313), brasage (procédés 91, 94 et 971) — est le plussimple à mettre en œuvre (il ne nécessite pas de source d'électricité, le poste avec les bouteille de gaz est autonome).Les procédés à arc (désignation commençant par un 1) sont les plus utilisés industriellement pour le soudageautogène : la fusion est très localisée, ce qui limite la déformation, et la productivité est importante, mais lerefroidissement est rapide (phénomène de trempe, contraintes résiduelles).Les cas les plus courants sont :• électronique (assemblage de composants sur circuit imprimé — carte polymère) : brasure avec un alliage d'étain

et de plomb (par exemple 60 %Sn/40 % Pb, fondant à 190 °C), avec un fer à souder (énergie électrique convertieen chaleur par une résistance) ;

•• plomberie : assemblage de tuyaux de cuivre par soudo-brasage (brasage au chalumeau oxyacétylénique), le métald'apport est un alliage de cuivre contenant du phosphore, du zinc (laiton) ou de l'argent, ces éléments d'alliagepermettant d'abaisser le point de fusion entre 600 et 800 °C (le cuivre fond à 1 085 °C) ; pour les raccords gaz,seul l'alliage cuivre/argent est autorisé (meilleure résistance mécanique) ;

• fonte, acier galvanisées (recouvert de zinc) : soudo-brasage (procédé 97), le métal d'appport étant un laiton à 40 %de zinc (CuZn40, CW509L selon la désignation européenne) ;

•• acier non allié à basse teneur en carbone (aciers d'usage général, aciers de construction, aciers « à ferrer les ânes »): on choisit en priorité les procédés suivants :

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•• soudage à l'arc avec électrode enrobée (procédé 111) : ne nécessite qu'un poste à souder (en particulier pas debouteille de gaz), la fusion de l'enrobage produit un gaz qui protège le bain de fusion, c'est le procédé à arc quia le meilleur rendement (chaleur produite par rapport à l'électricité consommée) ; le cordon doit être meuléentre deux passes pour éviter des inclusions de laitier ;

• MAG (metal active gas, procédé 135) : la présence d'un gaz actif permet d'abaisser la température et donc demoins déformer les pièces, le métal d'apport est sous forme de fil qui défile de manière semi-automatique ; ilnécessite la présence d'une bouteille de gaz, mais le caractère semi-automatique facilite l'opération.

Le procédé TIG (141) peut être utilisé dans tous les cas et donne un cordon de soudure d'excellente qualité, mais :•• il nécessite une bonne formation de l'opérateur ;•• il nécessite la présence d'une bouteille de gaz protecteur ;•• il a un rendement chaleur produite/électricité consommée médiocre ;• la température est très élevée (jusqu'à 4 000 °C au niveau du cordon pour une température d'arc pouvant atteindre

19 000 °C[2], contre 3 100 °C pour l'électrode enrobée et le MAG), il y a donc une déformation importante.

Choix de l'acierLe refroidissement d'une soudure est rapide, on se retrouve donc dans des conditions de trempe. Or, la formation demartensite — phase durcissante des aciers trempables — fragilise la soudure. Il faut donc s'assurer que l'on neformera pas de martensite. Il existe d'autres problèmes métallurgiques. Tout ceci conditionne le choix de la nuancedes pièces — métal de base — et de la baguette — métal d'apport.Le premier cas est celui des aciers de construction de type•• acier d'usage général, S185 (1.0035) à S355JR (1.0045) ;•• acier pour construction mécanique, E155 (1.003) à E370 (1.0261) ;•• acier pour appareil de pression à haute température, P195GH (1.0348) à P355GH (1.0473) ;Ces aciers sont des aciers à basse teneur en carbone (inférieure à 0,25 % en masse), il ne sont pas trempables, leproblème ne se pose pas. Par contre, c'est le carbone qui permet d'élever la limite élastique. Si l'acier doit avoir unerésistance importante, en particulier pour réduire la masse de l'ensemble, on choisira des nuances particulières : desaciers à haute limite d'élasticité (HLE) soudables. Pour ces aciers, on ajoute de petites quantités d'éléments d'alliage— niobium, titane, vanadium, … — qui durcissent l'acier tout en diminuant sa trempabilité (alphagènes) :• aciers formables à froid de type S315MC (1.0972) à S700MC (1.8974) ; le suffixe M indique un formage

thermomécanique (typiquement laminage) et le C un formage spécial à froid (cold forming) ;• aciers soudables à grain fin de type S275N (1.0486) à S460N (1.8905), S275NL (1.0488) à S460NL (1.8915) ; le

suffixe N désigne un acier normalisé, le L une utilisation possible à basse température (low temperature) ;• idem pour les appareils de pression, nuances P275NH (1.0487) à P460NH (1.8935) pour les hautes températures,

P215NL (1.0451) à P460NL1 (1.8915)/P460NL2 (1.8918) pour les basses températures ;• aciers trempés (quenched) et revenus, de type S460Q (1.8908) à S960Q (1.8941), S460QL (1.8906) à S960QL

(1.8933) ;•• aciers microalliés soudables de type H240LA (1.0480) à H400LA (1.0556).Le cas des aciers inoxydables est plus compliqué. En effet, la très grande majorité des inox utilisés sont des inoxausténitiques, de phase gamma, donc qui comportent des éléments gammagènes, ceux-là même qui favorisent laformation de martensite. Par ailleurs, comme ce sont des aciers fortement alliés, il y a lors du refroidissement uneconcentration des éléments d'alliage en certains endroit (phénomène de ségrégation) qui abaisse localement le pointde fusion (eutexie) et provoque de la fissuration à chaud. Il existe d'autres phénomènes de fragilisation : formationd'une phase sigma (fer-chrome), grossissement de grains de phase alpha.Pour les inox, le point capital est le choix de la nuance de métal d'apport : en utilisant un métal d'apport différent du métal de base, on crée un bain de fusion ayant une composition différente du reste des pièces, donc avec un

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comportement à la trempe différent. En particulier, on cherche à avoir un mélange d'austénite avec 5 à 15 % deferrite (phase alpha), qui va « ancrer » la soudure. Pour choisir la nuance de métal d'apport, on peut utiliser parexemple le diagramme de Schaeffler (voir Wikiversité : Composition et structure d'un cordon de soudure).Pour limiter les problèmes de fragilisation, on peut aussi :•• préchauffer les pièces, ce qui permet de réduire la vitesse de refroidissement ;•• effectuer un traitement thermique après soudage.

Communication technique

Représentation d'une soudure d'angle symétrique: simplifiée (gauche) et symbolique (droite)

Représentation d'une soudure en V (tôleschanfreinées) : simplifiée (gauche) et symbolique

(droite)

Sur un plan, les soudures peuvent être représentées de deux manière :de manière simplifiée ou de manière symbolique.La représentation simplifiée permet de visualiser le cordon de soudure.On peut coter sa longueur et son épaisseur, mais cela n'apporte pasd'information sur sa réalisation (mode de soudage). Vue en coupe, onreprésente les pièces avant soudage (bords préparés), et le cordon desoudre est noirci. En vue extérieure, on représente des arcs de cerclecorrespondant à la progression de la soudure.La représentation symbolique consiste à coter toutes lescaractéristiques de la soudure :•• épaisseur de la soudure ;•• préparation des bords (chanfreinage) ; les symboles élémentaires de

soudure sont donnés ci-après ;•• longueur de la soudure ;•• procédé de soudage.Les pièces sont représentées avant préparation des bords.Dans le cas d'une soudure bord-à-bord, on cote l'épaisseur s de lasoudure (inférieure ou égale à l'épaisseur de la tôle). Dans le cas d'unesoudure d'angle, on peut coter :

• soit la largeur du plan de gorge, a : c'est cette valeur qui conditionnela résistance de la soudure (voir le calcul de dimensionnementci-après) ;

• soit la largeur du cordon de soudure z : elle indique l'encombrement, donc intervient lorsque le point important estle jeu, par exemple si le cordon est à proximité du chemin de roulement d'un galet.

Si l'angle entre les pièces est droit, on a simplement

Représentation symbolique d'une soudure

La représentation symbolique d'une soudure selon la norme ISO 2553comprend les éléments suivants (voir figure ci-contre) :1.1. Ligne de repère.2.2. Ligne d'identification (ici : symbole côté trait plein, indiquant que

le cordon se trouve du côté où pointe la flèche).3.3. Symbole complémentaire (ici : soudure sur chantier).4.4. Épaisseur du cordon de soudure.

5.5. Symbole de soudure (ici : soudure d'angle) .

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6.6. Longueur du cordon de soudure.7.7. Mode de soudage selon la norme ISO 4063 (ici : électrode enrobée).Dans les domaines sensibles — assemblage soumis à de fortes pressions, fortes températures, nucléaire —, le modeopératoire de soudage (MOS) doit être défini de manière précise : procédé utilisé, mais aussi conditions (nature dumétal d'apport, intensité du courant de l'arc, vitesse d'avance, …). Le soudage doit être réalisé sur des éprouvettes(pièces métalliques) qui sont ensuite testées pour vérifier leur résistance. On constitue un dossier de qualification dumode de soudage (QMOS). Le soudeur doit être lui-même qualifié pour réaliser la soudure : il réalise la soudure surdes éprouvettes qui sont testées, la qualification devant être renouvellée régulièrement. Le descriptif des modesopératoires de soudage (DMOS) accompagne les plans, souvent sous la forme d'un cahier de soudage.

Procédés de soudage selon ISO 4063 (extrait)

1 Soudage à l'arc 3 Soudage aux gaz

11 Électrode fusible sans protection gazeuse 31 Soudage oxygaz

111 électrode enrobée 311 oxyacétylénique

112 électrode enrobée, par gravité 312 oxyproprane

113 fil nu 313 oxyhydrique

114 fil fourré 4 Soudage par pression, à l'état solide

12 Sous flux en poudre 41 par ultrasons

13 Sous protection gazeuse avec fil-électrode fusible 42 par friction

131 MIG 7 Autres procédés de soudage

135 MAG 71 aluminothermie

14 Sous protection gazeuse avec électrode réfractaire 74 par induction

141 TIG 75 Par rayonnement

15 Au plasma 751 laser

2 Soudage par résistance 78 Soudage des goujons

21 par points 9 Brasage

22 à la molette 91 brasage fort

24 par étincelage 92 brasage tendre

25 en bout par résistance pure 97 soudobrasage

Symboles complémentaires

Symboles complémentaires1.1. Soudure périphérique.2.2. Soudure sur chantier.

Conception du cordon de soudure

La soudure en elle-même occasionne des déformations et la présence de contraintesrésiduelles. Une bonne conception de la forme des pièces à assembler, et donc descordons de soudure, permet de limiter les problèmes :•• on cherche à faire les cordons de soudure les plus petits possibles (diminution des

déformations et du temps de travail) ; si possible, on fait des cordons discontinus ;•• on évite les cordons trop rapprochés ou se croisant ;•• si le cordon doit changer de direction, on utilise une courbe et non un angle vif ;

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•• on met le cordon au milieu des faces, pas aux arêtes ;•• l'épaisseur des pièces doit être la même de chaque côté du cordon, afin que la vitesse de refroidissement soit la

même de chaque côté.

Soudure bord-à-bordLes bords des pièces doivent être préparés : le métal doit être propre (dégraissé, sans trace d'oxydation). Les bordssont en général chanfreinés, mise à part pour les tôles de faible épaisseur, afin d'avoir une bonne pénétration de lasoudure ; sinon, le résultat n'est qu'un « collage » (seule une petite partie du métal de base fond, le métal d'apportpénètre dans le joint sans se mélanger).

Soudures bout-à-bout.

1.1. Pour les très faibles épaisseurs(moins de 2 mm, on peut faire unesoudure sur bords relevéscomplètement fondus : les plis auxextrémités des tôles disparaissentavec la fusion.

2.2. Pour les faibles épaisseurs (entre 1et 1,4 mm, on peut faire une simplesoudure bord-à-bord.

3.3. À partir de 3 ou 4 mm, on fait une reprise de l'envers.4.4. À partir de 10 mm, on peut faire une soudure en Y.5.5. Entre 3 et 20 mm (éventuellement jusqu'à 40 mm), on fait une soudure en vé ; par rapport à la soudure en Y, le

talon fait moins de 3 mm.6.6. À partir de 6 mm, on peut faire une soudure en X (ou en double vé).7.7. Pour les très fortes épaisseurs (supérieures à 20 mm), on fait une soudure en tulipe.

Soudage de pièces d'épaisseur différente.

Si les pièces n'ont pas la mêmeépaisseur, on s'arrange pour accomoderles épaisseurs au niveau de la soudure(illustration ci-contre, figures dedroite) :1.1. Lorsque la différence d'épaisseur

est faible, on fait simplement unchanfrein en vé.

2.2. Lorsque l'épaisseur est plusimportante, on fait un délardage :chanfrein en retrait ayant un anglede 25 % maximum.

3.3. On peut également pratiquer une rainure de décharge.

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Soudure d'angle

Soudures d'angle

On fait en général une soudure d'anglesymétrique (figures 2 et 4). Si l'on ne fait uncordon que d'une seul côté, alors lasollicitation doit se faire dans le sens del'ouverture de la soudure (fig. 1 et 3). Si l'onpeut, on effectue la soudure bout-à-bout surune partie rectiligne (fig. 3 et 4) : ainsi, laconcentration de contrainte est hors ducordon (meilleure tenue en fatigue) et celadiminue la déformation, mais cela nécessiteen général d'avoir une pièce de fonderie.

Dimensionnement d'une soudure

Le cordon est dimensionné en fonction de larésistance mécanique. On utilise la théorie des poutre en considérant que la section droite est le plan de gorge.

Plan de gorge

Le cordon de soudure peut être modélisé comme un dièdre ; la plan de gorge est le plan bissecteur de ce dièdre.

Traction sur une soudure bout-à-bout en vé

Traction sur une soudure bout-à-bout en vé.

Considérons deux tôles de même épaisseurs, soudées sur une longueur L, et soumises àde la traction avec une force F. Le plan degorge, hachuré en gris sur la figure, a uneaire

S = s×L.Le plan de gorge est soumis à de lacontrainte normale σ :

.

La valeur à ne pas dépasser est la résistancepratique à l'extension Rpe, qui est la limited'élasticité Re divisée par un coefficient de sécurité k, Rpe = Re/k. La condition de résistance de la soudure est donc :

.

Si l'on suppose que l'épaisseur s est fixée, la longueur minimum que doit faire le cordon est

.

Par exemple, pour des tôle en acier S235 (Re = 235 MPa) et d'épaisseur s = 5 mm, soumis à une force F = 5 000 N etavec un facteur de sécurité k = 2, la longueur minimale du cordon vaut :

.

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On retient en général que, avec un coefficient de sécurité de 2, un cordon ayant un plan de gorge de 1 cm2 (soit10 mm×10 mm ou bien 20 mm×5 mm) peut tenir plus de 10 000 N (soit l'équivalent de 1 t).

Une soudure acier tient une tonne par centimètre carré en traction.

Cisaillement d'une soudure d'angle

Soudure d'angle soumise à une force longitudinale

Considérons deux plats soudés ; on effectueune traction symétrique sur chacun desplats, d'une intensité F. Nous négligeons lemoment du couple et ne considérons que laforce.Cette force est parallèle au plan de gorge,c'est donc un effort tranchant. L'aire desplans de gorge, au nombre de deux, vaut

S = n×L×a ; n = 2et donc la contrainte, appelée « contrainte de cisaillement parallèle », vaut :

.

Pour que la conception de la soudure soit validée, il faut que cette containte soit inférieure à la résistance pratique auglissement Rpg, qui est la limite élastique au glissement Reg à laquelle on applique un coefficient de sécurité k, Rpg =Reg/k :

.

Rappelons que pour un acier doux, dont notamment les aciers de construction, ou un alliage d'aluminium, on a Reg ≈Re/2

[3].

Étude d'une oreille de levage

Levage du corps central d'une cellule d'électrolyse.

Pour lever un ouvrage lourd, on utilisesouvent des élingues que l'on relie àdes oreiles de levage soudées. Nousconsidérons un électrolyseur utilisépour fabriquer du dihydrogène à partirde l'eau ; il doit fonctionner à destempérature allant de 120 à 160 °Csous des pressions de 30 à 70 bar.L'électrolyseur est fait de plusieurscellules contenues dans une virole enacier P295GH de diamètre extérieur3 100 mm, de longueur 3 820 mm etd'épaisseur 40 mm. Lors du levage, lesélingues font un angle α = 60 ° avecl'horizontale. Le poids de l'ensemble vaut P = 200 kN, soit une traction de 116 kN sur chaque élingue.

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Projection du vecteur contrainte

Le système présente un plan desymétrie pour les charges comme pourles cordons, chaque cordon est doncsollicité de la même manière. L'aire dela gorge d'un cordon vaut

S = a×L = 10×350 = 3 500 mmdonc l'intensité du vecteur contraintepour un cordon vaut

On considère le repère local du plan de gorge. Le vecteur contrainte s'exprime par ses composantes .On peut obtenir ces composantes en appliquant la matrice de changement de repère

soit

(MPa).

On peut aussi obtenir ce résultat de manière géométrique — voire graphique — plutôt qu'algébrique : on commencepar projetter le vecteur contrainte sur les axes horizontaux et verticaux

Puis on décompose la composante verticale :

.

Comme nous sommes en présence à la fois de contrainte normale et de cisaillement, on calcule une contrainteéquivalente σe, par exemple de von Mises :

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ou bien de Tresca

On compare ensuite cette contrainte à la résistance pratique à l'extension ; ici, Re = 295 MPa, si l'on prend uncoefficient de sécurité k = 2, on a Rpe = 147 MPa.Concernant le choix entre von Mises et Tresca, citons Jean-Louis Fanchon :

Si, pour les matériaux ductiles, von Mises est un peu plus précis que Tresca, de nombreuses vérificationsexpérimentales ont donné des résultats situés sur la frontière entre les deux critères. Tresca, plus simple etsouvent utilisé, est plus conservatif[4] en laissant une marge de sécurité légèrement plus grande. Cependant,beaucoup de programmes commerciaux d'analyse des contraintes et d'éléments finis s'appuient sur von Mises ;de ce fait, il existe une tendance naturelle à utiliser celui-ci en toutes circonstances.Jean-Louis Fanchon, Guide de mécanique — Sciences et technologies industrielles, Nathan/VUEF, 2001(ISBN 2-09-178965 - 8), p. 445

Prise en compte des moments

Cas où le moment d'encastrement est négligeable

L'étude de la résistance d'un cordon de soudure devrait prendre encompte les moments (couples). Cependant, dans de nombreux cas, lebras de levier est faible donc le moment négligeable. Mais ce n'est pastoujours le cas.Rappelons le calcul du moment d'encastrement dans deux cas(l'encastrement étant ici rélisé par la soudure).

Calcul du moment d'encastrement [1]

Cas Illustration Moment d'encastrement

Poutre encastrée(console)

MA = F×L

Poutre biencastrée MA = -MB = F×L/8

Répartition de la contrainte dans le cas de la flexion, de la torsion et d'une superpositiondes deux

Un moment se traduit par unerépartition linéaire de la contrainte : lacontrainte générée est nulle au centrede gravité de la section, et croît demanière linéaire lorsque l'on s'enéloigne : contrainte normale pour unmoment fléchissant Mf, contrainte decisaillement pour un moment detorsion Mt. On s'intéresse aux

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Torsion d'une section rectangulaire pleine

extrémités du cordon de soudure, là où les contraintes sont les plusélevées ; on a :

• , s'ajoute à ;

• , s'ajoute à ;

• , s'ajoute à ;

avec, pour une section rectangulaire de dimensions b×h (h ≥ b) :• module de flexion transversal : W = b×h2/6 ;• module de flexion longitudinal : W = h×b2/6 ;• constante de torsion sur l'axe parallèle : C// = h×b2/3[5] ;• constante de torsion sur l'axe perpendiculaire : C⊥ = C// /0,742[6].Notons que dans le cas d'une combinaison flexion transversale+torsion,la contrainte normale maximale n'est pas au même endroit que lacontrainte de cisaillement maximal.

Cordons de soudure multiples

Chaque cordon de soudure réalise une liaison encastrement. Avec la statique, on peut donc déterminer les effortsglobaux qui s'exercent sur les cordons reliant deux pièces ; mais si l'on s'intéresse aux cordons individuellement, onse retrouve face à un problème hyperstatique. La résolution analytique est bien trop complexe. On peut resoudre ceproblème avec la méthode des éléments finis (calcul sur ordinateur). Cependant, certaines hypothèses permettent defaire un calcul approché à la main.Lorsque le problème présente une symétrie des cordons de soudure et du chargement, alors l'effort se répartitéquitablement sur chacun de cordons.Sinon, il faut répartir les efforts en fonction de l'orientation des soudures, en appliquant les règles (simplifications)suivantes :•• forces :

•• si un cordon est parallèle à une force, alors il reprend intégralement cette force ;•• si plusieurs cordons sont dans ce cas, alors la force est répartie proportionnellement à l'aire de la section de la

gorge ;•• moment :

•• si un cordon est parallèle à un vecteur moment, alors il reprend intégralement ce moment ;•• si plusieurs cordons sont dans ce cas, alors le moment est réparti proportionnellement au moment quadratique

de la section de la gorge.

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Soudage/Conception d'un assemblage soudé 12

Étude de la liaison d'un pied sur une cuve

Mise en situation : filtre à vin

Nous étudions un filtre à vin utilisé dans une entreprise de stockage etde distribution du vin en gros. ce filtre est mobile pour pouvoir êtreamené aux différentes cuves. Le filtre est donc sur roulettes ; les piedssont soudés sur la cuve. Les pieds sont en tube carré de section □115extép.8 et font un angle de 45 ° avec l'horizontale.

On détermine que l'action maximale du sol sur un pied est F =1 000 daN. La limite élastique de la soudure vaut Re = 250 MPa, et lecoefficient de sécurité vaut k = 2.

Soudure entre le pied et la cuve

L'effort d'encastrement au niveau de la soudure comprend donc :•• une force F = 10 000 N ;•• un moment M = F×L = 10 000×1,06 = 10 600 Nm (L étant la

longueur du bras de levier).La force génère une contrainte de cisaillement

La variable L' est ici la longueur du cordon de soudure, et il y a deuxcordons symétriques.

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Soudage/Conception d'un assemblage soudé 13

Projection du vecteur moment ; le plan de gorgeest vu en bout.

Le vecteur moment se projette dans le plan de gorge selon Mf, unmoment fléchissant, et perpendiculairement à ce plan selon Mt, unmoment de torsion. On a :

Les caractéristiques de la section sont :• W = a×L'2/6 = 5×1452/6 = 17 500 mm3 (flexion transversale) ;• C// = L'×a2/3 = 145×52/3 = 1 210 mm3 (on a bien L'/a > 10) ;• C⊥ = C// /0,742 = L'×a2/3/0,742 = 1 630 mm3.On en déduit (il y a deux cordons symétriques ; attention aux unités, on a utilisé des m pour le moment et des mmpour les caractéristiques de la section) :

• .

Il n'est pas nécessaire d'aller au bout du calcul : la contrainte maximale de cisaillement générée par la torsion estlargement supérieure à la limite élastique en cisaillement (3 100 >> 125, τ// max >> Reg).

Modèle pour le cordon de soudure périphérique.

Considérons une autre conception avec un cordon de soudurepériphérique de largeur de gorge uniforme a = 5 mm. On peutconsidérer qu'il y a quatre cordons : deux horizontaux et deuxverticaux.

D'après la règle de répartition vue précédemment :•• les cordons verticaux supportent intégralement la force verticale F ;•• les cordons horizontaux supportent intégralement le moment d'axe

horizontal M.Dans les cordons horizontaux, on a donc uniquement une contrainte decisaillement uniforme

τ// = 6,90 MPa.La résistance pratique au glissement vaut

Rpg = Reg/k = Re/(2k) = 250/(2*2) = 62,5 MPa.

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Soudage/Conception d'un assemblage soudé 14

On a ainsi 6,90 ≤ 25 soit τ// ≤ Rpg donc les cordons horizontaux sont validés.Comme les cordons horizontaux sont espacés, on peut considérer que la contrainte est uniforme dans chaque cordonet que le couple M est sous la forme d'un couple de de forces distantes de d = 163 mm = 0,163 m :

F1 = M/d = F×L/d = 650 000 N.Le vecteur contrainte a pour norme

T = F1/S = F×L/d/a/L" = 113 MPa.soit

La contrainte équivalente de von Mises vaut

.

Cette contrainte est inférieure à la limite élastique, mais hors de la zone de sécurité puisque la résistance pratique àl'extension vaut Rpe = Re/k = 125 MPa. Le coefficient de sécurité effectif vaut keff = 250/186 = 1,3. Le cordon n'estdonc pas validé.

Normes de calcul des souduresLes normes reprennent la démarche utilisée précédemment. Le critère général est

où• λ est un coefficient établi expérimentalement ; il allait de 1,8 à 2 dans les années 1970[7], il est établi actuellement

entre 2,5 et 3 ; il vaut 3 si l'on considère le critère de von Mises et 4 si l'on considère le critère de Tresca ;•• α est un coefficient de qualité ; β = 1/α est le coefficient de sécurité.Outre ce coefficient de qualité de soudure, on applique un coefficient de pondération de charge kp en fonction dudomaine (typiquement, kp = 1,5 pour une oreille de levage) ; l'effort retenu est l'effort nominal multiplié par cecoefficient. Le coefficient de sécurité total vaut donc

k = kp/α = kpβ(les notations k, α et β diffèrent selon les normes).Dans les normes récentes, citons

Acier — norme Afnor NF P 22-470 (1989)

avec• k : coefficient fonction du matériau,

• k = 0,7 pour un acier S235 (1.038),• k = 0,85 pour un acier S275 (1.044),• k = 1 pour un acier S355 (1.0045) à S460N (1.8901)

• σe : limite d'élasticité du métal.

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Soudage/Conception d'un assemblage soudé 15

Acier — Eurocode 3 (1993)

avec• βw : facteur de corrélation allant de 0,7 à 1,8 ;• fu : résistance ultime de l’acier Rm ;• γM2 : coefficient partiel de sécurité de résistance à la rupture des sections transversales en traction, valant 1,25

[EN 1993-1-1:2005]

Coefficients selon la nuance d'acier

Nuance fu

(Rm

)(MPa)

βw

γM2

S235 360 0,7 1,25

S275 430 0,8 1,25

S355 510 1 1,25

Alliage d'aluminium — Eurocode 9 (1999)

avec•• α : coefficient de qualité d'exécution allant de 0,7 (soudure difficile à réaliser) à 1 (cordon de soudure travaillant

en compression, ou bien soudure réalisé dans de bonnes conditions) ;•• β : coefficient d'efficacité métallurgiqure allant de 0,43 à 1 selon les nuances d'alliage ;•• γ : coefficient de prise en compte d'autres phénomènes allant de 0,8 à 1.Le tableau ci-dessous utilise les désignations normalisées européennes (5083 désigne l'ENAW-5083[AlMg4,5Mn0,7], 42100 désigne l'EN AC-42100[AlSi7Mg0,3]) ; on indique l'ancienne désignationfrançaise entre parenthèses.

Coefficients selon la nuance d'alliage d'aluminium

Type de pièce Métal de base Étatmétallurgique

[1] [2]

Métal d'apport β γ

Corroyé 5083 (AG4MC) 0, H111H116

5356, 51835356, 5183

10,58

11

5086 (A-G5MC) 0, H111H116

5356, 51835356, 5183

10,51

11

5454 (A-G2,7M0,7) H24H111

5356, 51835356, 5183

0,431

11

5754 (A-G3M) H111 5356, 5183 1 11

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Soudage/Conception d'un assemblage soudé 16

6005A (A-SG0,5MC) T5T5

5356, 51834043

0,500,45

10,90

6060 (A-GS) T5T5

5356, 51834043

0,560,56

11

6061 (A-GSUC) T6T6

5356, 51834043

0,530,53

10,80

6082 (A-SGM0,7) T6T6

5356, 51834043

0,490,49

10,80

6106 T5T5

53564043

0,450,45

11

Fonderie 42100 (A-S7G0,3) KT6 (Y33) 4043 0,55 0,80

42200 (A-S7G0,6) KT6 (Y33) 4047 0,55 0,80

44200 (A-S13) SF (Y20) 4043, 4047 1 1

71000 (A-Z5G) ST64 (Y29) 5356, 5280 0,80 0,80

Notes et références[1][1] désignation numérique des procédés selon la norme ISO 4063[2] http:/ / hypertextbook. com/ facts/ 2007/ AnthonyHo. shtml[3] soit Reg ≈ 0,5×Re ; pour les aciers mi-durs, on a Reg ≈ 0,7×Re, et pour les aciers durs et les fontes, Reg ≈ 0,8×Re

voir[4][4] prudent[5] le coefficient dépend du rapport h/b, nous supposons ici un rapport supérieur à 10 ; pour plus de précision, pour un rapport h/b supérieur ou

égal à 5, on peut prendreC = k1×h×b2

avec k1 = (1 - 0,63×b/h)/3voir

[6] comme précédemment, nous avons supposé un rapport L/a supérieur ou égal à 10 ; dans le cas général, on aC⊥ = C// /ηoù η dépend du rappport h/b, mais varie très lentement : η = 0,743 pour un rapport de 6voir Torsion (ESTP) (http:/ / rdmestp. voila. net/ poly/ TP1_C11. pdf) p. 5

[7][7] par exemple norme CM66 (décembre 1966)

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Sources et contributeurs de l’article 17

Sources et contributeurs de l’articleSoudage/Conception d'un assemblage soudé  Source: http://fr.wikibooks.org/w/index.php?oldid=442069  Contributeurs: Cdang, JackPotte, Jean-Jacques MILAN, 10 modifications anonymes

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