Jean-Michel VIGO. L exécution des structures Le soudage. Consultant ConstruirAcier

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1 L exécution des structures Le soudage Jean-Michel VIGO Consultant ConstruirAcier Ministère de l'écologie, de l'énergie, du Développement durable et de l'aménagement du territoire

2 L exécution des structures EN : Le Soudage Jean-Michel Vigo Consultant ConstruirAcier Jean-Michel Morel CETE de l Est 11

3 Sommaire 1. Les procédés 2. Base de choix des procédés 3. Les produits d apports 4. Les défauts de soudage 5. Fissuration à froid 6. Réglementation 7. Les contrôles : Tôles et profilés Qualification des modes opératoires de soudage Qualification des soudeurs & opérateurs Contrôles non destructifs 22

4 Sommaire 1. Les procédés 2. Base de choix des procédés 3. Les produits d apports 4. Les défauts de soudage 5. Fissuration à froid 6. Réglementation 7. Les contrôles : Tôles et profilés Qualification des modes opératoires de soudage Qualification des soudeurs & opérateurs Contrôles non destructifs 33

5 1- Les procédés de soudage - Manuel à l électrode enrobée - procédé 111 (SMAW) - Semi auto MAG avec fil massif - procédé 135 (GMAW) - MAG avec fil fourré & gaz protection - procédé 136 (FCAW) et fils fourré auto protecteur - procédé 114 (FCAW) - Sous flux en poudre électro conducteur- procédé 121( SAW) - Soudage à l arc des goujons- procédé 783 (stud welding) 44

6 Le soudage manuel à l électrode enrobée (SMAW) 55

7 Le soudage manuel à l électrode enrobée (SMAW) Electrode de type basique => meilleures propriétés mécaniques Choix d électrodes aptes à produire un métal fondu de résistance supérieure à celui du métal de base et des résiliences garanties à 20 C ou 50 C Avantage du procédé => Facilité de mise en œuvre toutes positions => Utilisation en atelier et à l extérieur => Excellente qualité des soudures (enrobage basique) Inconvénient => Faible taux de dépôt (ordre du kg/h) 66

8 Le soudage MAG (Metal Activ Gas) avec fil massif (GMAW), avec fil fourré, ou avec fil fourré sans gaz (FCAW) (CO 2 / Ar) 77

9 MAG (Metal Activ Gas) Avantages robotisation possible rendement > électrode enrobée position à plat ou verticale montante Inconvénients qualité insuffisante(résilience) pour les soudures bout à bout multi passes risque de collage protection CO2/argon(travail en plein air déconseillé). Fils fourrés sans gaz (FCAW) contre MAG Taux de dépôt supérieur (densité de courant supérieure possible) Risque de collage inférieur Meilleures propriétés mécaniques dues à une meilleure maîtrise de la chimie du métal fondu grâce à l optimisation des éléments ajoutés dans le flux Soudage en extérieur Prix de revient inférieur au MAG malgré produits d apport plus coûteux 88

10 Soudage des raidisseurs à Millau-Soudage MAG l aide robotisé peigne de robots sur augets-photos Eiffel 99

11 Le soudage sous flux en poudre (SAW) 10

12 Le soudage sous flux en poudre (SAW) Avantages Productivité élevée (6 à 12kg/h) Bancs de soudage mécanisés (PRS, augets) Excellentes propriétés mécaniques des soudures (Fil électrode massif (dia 2 à 5 mm)/apport flux) Inconvénients Usage limité à la préfabrication en atelier Limité aux joints à plat (angle et bout à bout) 11

13 Banc SAW PRS (photo Baudin Châteauneuf) 12

14 SAW bout à bout (photo Baudin Châteauneuf) 13

15 Soudage des raidisseurs à l arc submergé Millau-Soudage SAW robotisé augets sur tôle-photos Eiffel SAW machine 4 têtes «TWINARC» 14

16 Le soudage à l arc des goujons (stud welding) Bague réfractaire 1 2 2bis 3 tôle Contact Amorçage arc Réglage «L» arc Forgeage 15

17 Le soudage à l arc des goujons (stud welding) L automate commande les 3 phases de la séquence de soudage Bague réfractaire confine le métal fondu et limite l oxydation Diamètres goujons 6 à 22 mm (en général 16 à 22 mm pour la liaison acier / béton) Productivité remarquable Mais une grande précision des paramètres mécaniques est nécessaire pour assurer une bonne qualité de la soudure (réglages délicats) 16

18 Sommaire 1. Les procédés 2. Base de choix des procédés 3. Les produits d apports 4. Les défauts de soudage 5. Fissuration à froid 6. Réglementation 7. Les contrôles : Tôles et profilés Qualification des modes opératoires de soudage Qualification des soudeurs & opérateurs Contrôles non destructifs 17

19 Base de choix des procédés Les questions à se poser Epaisseur Types de joints Bout à bout pleine pénétration Té pénétration partielle angle Niveau de qualité requis(résilience, dureté, compacité ) => SMAW enrobage basique, FCAW, SAW Risque arrachement lamellaire => séquences, énergie En atelier ou en extérieur => +- gaz Accessibilité Quelles positions? Répétitivité => robots Longueur importante => banc SAW (PRS, augets, caisson ) Productivité =>SAW, fil fourré 18

20 Comparaison des taux de dépôts théoriques Ponts métalliques : maîtriser la commande, l exécution et la gestion NANCY, le 28 avril

21 Sommaire 1. Les procédés 2. Base de choix des procédés 3. Les produits d apports 4. Les défauts de soudage 5. Fissuration à froid 6. Réglementation 7. Les contrôles : Tôles et profilés Qualification des modes opératoires de soudage Qualification des soudeurs & opérateurs Contrôles non destructifs 20

22 3. Les produits d apports : Caractéristiques de traction Règlement : propriétés de traction & résilience >= aux mini Métal de Base (MB) MB : 5 nuances(re) de 235N/mm2 à 460 N/mm2 (selon NF EN10025) Produits d apport: 5 nuances (Re) et 7 qualités (KV) (EN-439 Gaz, 440 fils électrodes sous gaz, 757 EE THLE, 758 FF, 760 Flux SF, ISO 2560 EE ) S235 S275 S355 S420 S460 Re N/mm 2 Symbole E électrodes basiques Pr.d apport C,Mn G fils massifs T fils fourrés 21

23 3. Les produits d apports : Caractéristique de résistance à la flexion par choc NL ML N M K Températures C 27 J 40 J Résiliences Joules fil massif 3 4 5élec. B & f.fourré 6 22

24 Sommaire 1. Les procédés 2. Base de choix des procédés 3. Les produits d apports 4. Les défauts de soudage 5. Fissuration à froid 6. Réglementation 7. Les contrôles : Tôles et profilés Qualification des modes opératoires de soudage Qualification des soudeurs & opérateurs Contrôles non destructifs 23

25 4. Les 3 types de défauts en soudage Défauts plans => = DEFAUTS NOCIFS -fissure à froid (H2+ martensite+contraintes) -fissure à chaud (ségrégation S, P, oxydes ) -collage ou manque de fusion (Energie, géométrie, CO 2 ) Rédhibitoires Défauts de forme => = ACCENTUENT L EFFET D ENTAILLE (amorçage fissure fatigue, rupture brutale) -caniveau, trop forte surépaisseur, effondrement, manque de pénétration, l EN ISO 5817 appliquée à l EN propose 3 niveaux de qualité D, C, B selon le rôle et le niveau de sollicitation de l élément dans la structure, ainsi qu un niveau plus contraignant B+ (Tableau 17) pour les éléments de structure sensibles à la fatigue. Défauts volumiques => = DEFAUTS PEU NOCIFS -soufflure -inclusion de laitier -réfractaire(élec.tig ) L EN ISO 5817, associée à l EN propose des critères d acceptation US & Radio pour en limiter le nombre (D, C, B, B+). 24

26 Sommaire 1. Les procédés 2. Base de choix des procédés 3. Les produits d apports 4. Les défauts de soudage 5. Fissuration à froid 6. Réglementation 7. Les contrôles : Tôles et profilés Qualification des modes opératoires de soudage Qualification des soudeurs & opérateurs Contrôles non destructifs 25

27 5. Fissuration à froid : 3 facteurs Processus de fissuration dans la zone trempée par le cycle de soudage, sous l action conjuguée des contraintes propres et de l hydrogène en provenance de la zone fondue par diffusion. Sa progression peut durer 24 heures jusqu à ce que la concentration d hydrogène qui évolue constamment ai suffisamment régressé. La réduction du risque de fissuration à froid passe donc par : Réduction H2: Choix d électrodes à bas hydrogène Réduction des contraintes: Séquence de soudage adaptée de façon à contourner les effets de bridage, jouer sur énergie de soudage, Re métal d apport à minimiser, jouer sur la conception des assemblages.. Réduction des risques de trempe locale: Choix métal (privilégier un CEV bas), adapter l énergie de soudage, pré-chauffer voire post-chauffer le joint si nécessaire 26

28 Carbone équivalent max. selon NF EN Ponts métalliques : maîtriser la commande, l exécution et la gestion NANCY, le 28 avril

29 5. Fissuration à froid : 3 facteurs IIS doc.ix T ( C) indicatives pour acier CMn, à moduler en fonction : -énergie de soudage; -niveau de contraintes; -teneur en H2 électrodes

30 Sommaire 1. Les procédés 2. Base de choix des procédés 3. Les produits d apports 4. Les défauts de soudage 5. Fissuration à froid 6. Réglementation 7. Les contrôles : Tôles et profilés Qualification des modes opératoires de soudage Qualification des soudeurs & opérateurs Contrôles non destructifs 29

31 6. Réglementation Soudage avant EN Fascicule N 66 du CCTG Exécution des ouvrages de génie civil à ossature en acier NF-P (août 89) Construction métallique-assemblages soudés- Dispositions constructives et justification des soudures NF-P22 471(mars 84) Construction métallique-assemblages soudés-fabrication NF- EN 288-3(juin 92) DMOS/QMOS NF- P (octobre 94) Construction métallique Assemblages soudés-qmos NF- P (août 86) Construction métallique Assemblages soudés-cnd NF-EN 287(juin92) Qualification soudeurs & opérateurs 30

32 6. Réglementation Soudage EN EN Exigences techniques pour l exécution des structures en acier Calcul NF-EN 1993 Part 1-8 Calcul des structures en acier-calcul des assemblages Dispositions constructives et justification des soudures Procédés de soudage Soudeurs & opérateurs EN ISO 3834 &14554 Exigences de qualité en soudage par fusion EN ISO Règles générales «anciennement EN 288-1» EN ISO DMOS «anciennement EN288-2» EN ISO Consommables agréés EN ISO Expérience acquise EN ISO MOS Standard EN ISO Essai préalable à la production EN ISO Epreuves de qualification QMOS «anciennement EN288-3» EN ISO DMOS & QMOS goujons NF-EN 287 Qualification soudeurs NF EN 1418 Qualification des opérateurs Coordination soudage Si classes Exécution EXC2, 3 & 4 => coordinateur qualifié EN ISO Contrôles non destructifs Voir planche suivante 31

33 6. Réglementation Soudage EN Suite EN Exigences techniques pour l exécution des structures en acier Contrôles non destructifs Référentiel EN ISO 5817 Règles générales EN (critères de choix méthodes CND) Qualification personnel END EN 473 Méthodologie & domaines validité Visuel Ressuage Magnétoscopie Ultrasons Radiographie EN 970 pren 1289 pren 1291 EN 1712 EN Critères acceptation des défauts. EN ISO 5817 Choix classe de défauts tolérés par rapport à EN ISO 5817 dans le cas de l EN EXC1 Niveau de qualité D EXC2 Niveau de qualité C + D pour caniveau, débordement, amorçage accidentel, retassure. EXC3 Niveau de qualité B Classe 2 selon NF P EXC4 Niveau de qualité B+ Classe 1 selon NF P ( B + exigences complémentaires «Fatigue» selon tableau 17 EN ) 32

34 Sommaire 1. Les procédés 2. Base de choix des procédés 3. Les produits d apports 4. Les défauts de soudage 5. Fissuration à froid 6. Réglementation 7. Les contrôles : Tôles et profilés Qualification des modes opératoires de soudage Qualification des soudeurs & opérateurs Contrôles non destructifs 33

35 7. Les contrôles ou opérations de surveillance Les opérations de surveillance de la construction sont conduites à partir d un dossier qualité constructeur ( organisation, procédures, méthodes, instructions, plan de contrôle, procédure de traitement des non-conformité, dérogations, litiges) et à partir d un plan qualité décrivant de manière chronologique, l objet (exemple: note de calcul, plans de fabrication, réception des tôles, des produits d apport, qualification des modes opératoires de soudage, qualifications des soudeurs, procédures de contrôle non destructifs, participation aux Contrôles ) Ce plan qualité détaille les opérations de surveillance à accomplir ainsi que les Points d Arrêt (PA=avis obligatoire de l inspecteur avant de passer à l étape suivante) et les documents de références. La surveillance est assurée soit par un organisme d inspection désigné par le maître d œuvre, soit par le constructeur (nécessité d un MAQ & guide d audit accepté par le maître d œuvre). 34

36 7. Les contrôles ou opérations de surveillance Tôles et profilés Conformité des produits à la marque «NF-Acier» référentiel «2B» (ouvrages d art et bâtiments non courants) en termes d agréments des fournisseurs; Vérification des documents de contrôle EN type 3.1 selon exigences NF EN ainsi que leur traçabilité physique; S assurer que qualités et nuances/épaisseurs sont homogènes avec les dispositions de l Eurocode 3 et DAN associé, afin de se prémunir des risques de rupture fragile. S355J2 & K2 ép<= 30mm S355N, M 30<ép<=80mm S355NL, ML ép> 80mm S420/460 N, M ép<=50mm S420/460 NL, ML ép>50mm Eviter les aciers S 460 N & NL «Normalisés» risque FAF 35

37 7. Les contrôles ou opérations de surveillance Qualification des Modes Opératoires de Soudage Préalable : définir les classes d exécution selon NF EN : L ancien Niveau 1 selon Fasc.66 & NF P22471 joints transversaux tendus (poutres principales et membrures) est assimilable à la classe EXC4; Le niveau 2:autres joints est assimilable à la classe EXC3; Le niveau 3:accessoires est assimilable à la classe EXC2. QMOS apportent des garanties sur les plans métallurgiques et propriétés mécaniques, sont obligatoires pour les classes EXC4 et 3. Les modalités d exécution des QMOS sont définies par l EN ISO Les QMOS font en fin d essai l objet d un procès verbal PV de réception 36

38 7. Les contrôles ou opérations de surveillance Qualification des soudeurs & opérateurs Les défauts de forme et certains défauts de compacité dépendent de l habilité du soudeur ou réglages choisis par l opérateur. Leur capacité doit être reconnue. Les soudeurs et opérateurs effectuent donc un assemblage donné dans des conditions définies par NF-EN 287 pour les soudeurs et NF EN 1418 pour les opérateurs En fin d essai un certificat de qualification est émis. 37

39 7. Les contrôles ou opérations de surveillance Contrôles non destructifs (CND) EN Précise l organisation des CND et critères d acceptation. Peuvent être mis en œuvre les CND suivants : Visuel, ressuage, magnéto, US, radio. 38

40 7. Les contrôles ou opérations de surveillance Ressuage nettoyage révélateur liquide pénétrant très fluide Magnétoscopie poudre magnétique (suspension) Si défaut=> répartition non uniforme 39 39

41 7. Les contrôles ou opérations de surveillance CND : Ultrasons 40 40

42 7. Les contrôles ou opérations de surveillance CND : Radiographie Différence de pouvoir absorbant rayon X ou gamma métal/défaut => Densité> =>blanc sur noir, densité< => noir sur blanc 41 41

43 7. Les contrôles ou opérations de surveillance Contrôles non destructifs (CND) EN Précise l organisation des CND et critères d acceptation. Peuvent être mis en œuvre les CND suivants : Visuel, ressuage, magnéto, US, radio. Le contrôle Visuel est systématique à 100 % (si défaut obligation d exécuter un ressuage ou magnétoscopie) Les autres CND sont à mettre en œuvre de façon statistique selon Tableau 24 : Ce tableau précise l étendue des CND en fonction des types de soudures, types de sollicitations et classes d exécution. Ex: 100% US ou radio pour assemblage EXC4 bout à bout fortement sollicité (raboutage semelles) et 10% ressuage ou magnéto pour les soudures d angle longitudinales EXC4 (âme / semelles). Les critères d acceptation des défauts des soudures sont définis par 7.6 qui réfèrent à EN ISO

44 7. Les contrôles ou opérations de surveillance Contrôles non destructifs (CND) Les critères d acceptation des défauts des soudures sont définis par 7.6 qui réfère à EN ISO 5817 : EXC1: niveau de qualité D EXC2: niveau de qualité C en général sauf D pour caniveau, débordement, amorçage accidentel, retassure de cratère. EXC3: niveau de qualité B EXC4: niveau de qualité B+ exigences complémentaires selon tableau 17 afin de se prémunir des risques d endommagement par fatigue 43

45 8.Conclusion Les évolutions des procédés de soudage, des aciers de construction, et des produits d apport ont facilité la mise en œuvre du soudage dans la construction métallique, notamment pour les aciers à haute limite élastique. Les «contraintes» des normes et règlements tant européens que particuliers d application nationale doivent être perçues comme une aide pour atteindre la qualité nécessaire à la pérennité des ouvrages. Celles-ci ont évoluées ces dernières années de façon à simplifier la vie de l ensemble des acteurs. 44

46 Merci pour votre attention 45