Proposition de dossier Centre national de ressources structures métalliques Nantes ETUDE EXPERIMENTALE DES DEFORMATION EN SOUDAGE Publics concernés : BEP ROC-SM Bac Pro ROC-SM Equipe pédagogique: Rémy AUBON Jean Michel LE MEUR ACADEMIE DE CRETEIL 1
SOMMAIRE PRESENTATION Dilatation et retrait Les déformations en soudage pages 2-17 PARTIE A Séquence pédagogique N 1 : BEP Roc-sm pages 18-40 PARTIE B Séquence pédagogique N 2 : BAC PRO Roc-sm pages 41-69 2
INTRODUCTION Les entreprises de notre secteur industriel mettent en oeuvre des métaux. Qu ils soient ferreux ou non ferreux, ils sont livrés en profilés, en tôles, en bandes, en feuillards : le métal a déjà subi des transformations dues à sa mise en forme pour la commercialisation (laminage à chaud ou à froid, étirage, emboutissage ). La fabrication d ouvrages chaudronnés et de structures métalliques, soumet ces matériaux à des cycles thermiques sévères, principalement lors de l assemblage par soudage. Le métal se dilate et se rétracte provoquant des contraintes dans la matière et des déformations souvent importantes. Les professionnels doivent prendre en compte ces phénomènes dans la préparation du travail : l enjeu est de supprimer ou de limiter autant que possible les pertes de temps pour «réparer» les conséquences d une mauvaise maîtrise du phénomène dilatation / retrait lors d une fabrication. Dès la première soudure qu ils réalisent, les élèves observent des déformations sur leur pièce. Dans les premiers exercices, il s agit souvent d éprouvettes planes avant soudage, ce qui permet d autant mieux de visualiser les déformations sur un marbre. L enseignant est amené rapidement à donner des méthodes pour «redresser», «planer», plus simplement retrouver la géométrie souhaitée. La compréhension de la raison qui fait que le soudage déforme est pédagogiquement difficile à expliquer aux élèves car les phénomènes en jeu sont complexes. En lycée professionnel, il est exclu de partir d équations. Nous proposons ci-après des manipulations permettant, à partir de montages simples, de mettre en évidence le phénomène de dilatation, le coefficient de dilatation linéaire pour quelques matériaux courants que les élèves vont mettre en œuvre, ainsi que l effet du cycle thermique sur la zone soudée. Le but final est de donner des méthodes dans les cas simples pour que les déformations soient minimisées après soudage. Enfin, des exemples industriels illustreront que cette problématique est une vraie préoccupation des responsables du soudage et des soudeurs dans l industrie. Ils montrent aux élèves quelle sera la réalité de leur futur emploi dans ce domaine. 3
I RAPPELS Dilatation On peut quantifier l augmentation de volume, ce qui présente surtout un intérêt pour les liquides et les gaz. En revanche, pour les solides, cas qui nous intéresse en soudage, on cherche plutôt à connaître l augmentation de longueur, dans une, deux, ou trois directions selon le but recherché. Si l on appelle Δl l augmentation de longueur entre la température θ 1 et la température θ 2 d un solide de longueur initiale l, elle peut se déterminer ainsi : Δl = α l (θ 2 - θ 1 ) où l et Δl sont exprimés dans la même unité (m ou mm) ; θ 1 et θ 2 sont exprimés en degrés celsius ou kelvin (dans la mesure où il s agit d une différence de températures, elle a la même valeur dans les 2 unités) ; α est le coefficient de dilatation linéaire, exprimé en mm/mm/ C (ou K), ou encore par la même valeur en m/m/ C, ou, en simplifiant, en C -1 (cette dernière expression étant «moins concrète» pour les élèves, surtout en pré-bac). La difficulté pour évaluer le Δl en soudage vient du fait que la température de l ouvrage n est pas uniforme, mais que la zone autour de la soudure est le siège d un fort gradient thermique. Est-il besoin de souligner que Δl peu être négatif, lorsque l on quantifie le retrait, ou que la température de fonctionnement est inférieure à l ambiante (appareils cryogéniques). Valeur de α (voir tableau extrait du Codap) Elle est intrinsèque au matériau, mais évolue aussi avec la température. Pour simplifier le calcul, on donne la valeur de α entre 20 C (température ambiante à laquelle l ouvrage est conventionnellement fabriqué), et la (une des) température d étude ou de fonctionnement. Si l on prend pour référence un acier non allié, matériau le plus courant dans nos ateliers, entre l ambiante et 300 C, on peut dire, toutes choses égales par ailleurs, que : un acier inoxydable austénitique, ou le cuivre se dilate 1,5 fois plus ; un alliage léger se dilate 2 fois plus ; le zirconium se dilate 2 fois moins. Si l on extrapole les valeurs données, on peut déterminer qu une barre d acier non allié de longueur 1m chauffée uniformément jusqu à température de fusion (1400 C) va se dilater d environ 20mm). A l inverse, une zone fondue par soudage de largeur 10mm va se rétracter, transversalement à la soudure, d environ 0,2mm entre la température de solidification et l ambiante. Si le retrait est libre, cela n aura qu une incidence mineure. Encore que pour des largeurs fondues plus importantes (tôles épaisses), et sur de gros appareils comportant de nombreuses soudures transversales, on devra tenir compte de ce retrait dans la longueur finale de l appareil. Si le retrait est empêché (pièces bridées, par exemple), celui-ci devra être «compensé» par un allongement des fibres du métal. Si ce dernier n est pas suffisamment ductile pour supporter cet allongement, il se produira une rupture entre la température de 4
solidification et l ambiante : c est ce qui est communément appelé «fissuration à chaud» dans le domaine du soudage. NB : la fissuration dite «à froid», est de type fragile, et n entre pas dans le cadre de cette étude. II- Déformations dues au phénomène Contraction simple Effet de pliage Déformation transversale Déformation angulaire Effet de serrage Effet de cintrage Déformation longitudinale 5
III- SOLUTIONS PROFESSIONNELLES (Application en soudage) Pré déformations : Pré déformation Pré (avant déformation soudage) Contrôle des échauffements : (pendant soudage) Soudage simultané Soudage en pas de pélerin 6
IV- LE BRIDAGE Définition : Empécher tous les déplacements, mouvements, par un moyen mécanique. Lors d un bridage, la dilatation du métal est empêchée (sens du bridage). Le matériau subit d énormes contraintes alors que certaines dimensions restent les mêmes lors de l échauffement (maintenues par un moyen mécanique). Que se passe t-il lors du refroidissement? Les éléments chauffés dont les longueurs sont restées inchangées pendant la chauffe vont se rétracter. Le phénomène de retrait s effectue même si la dilatation n a pas eu lieu, les longueurs des éléments une fois le refroidissement terminé seront inférieures à celles avant l échauffement, conséquence à connaître lors de la mise en place d éléments dans un montage par exemple, ou pour respecter les cotes de fabrication. 7
LES DEFORMATIONS EN SOUDAGE 1-GENERALITES Trop souvent, après le soudage d un ensemble, nous constatons la déformation de certains éléments, véritable problème que nous subissons et qu il nous faut réduire par des moyens qui ne sont pas toujours favorables à la résistance mécanique du joint soudé. Il est naturellement toujours préférable d éviter les déformations à chaque fois que cela est possible ou de les réduire dans les meilleures conditions. C est le but de cette étude. Sous l effet du cycle thermique de soudage, non uniforme dans la masse des pièces, la dilatation empêchée conduit toujours à des déformations de retrait (raccourcissement de certaines zones) et à des contraintes résiduelles. Nous admettons, pour simplifier l approche du problème, de considérer séparément déformations et contraintes résiduelles alors qu en fait, ce sont les contraintes qui engendrent, dans certaines conditions, des déformations. 2-CONTRAINTES RESIDUELLES a) les contraintes résiduelles directes Elles sont dues à un empêchement à la libre dilatation dans le joint soudé. Les parties restées froides s opposent à la dilatation et au retrait du métal. (autobridage) On ne peut pas les éviter car elles sont dues à la répartition non uniforme du flux thermique. b) Les contraintes résiduelles de bridage Elles naissent à chaque fois que les éléments à souder sont bridés en position ou en raison de la conception de l ensemble (exemple : Poutre triangulée). Nous ne pouvons les éviter totalement mais il est possible de les réduire en adoptant des séquences de soudage qui retardent le bridage des éléments c) Les contraintes résiduelles parasites Elles sont extérieures à l opération de soudage, elles s exercent sur le joint pendant l opération (exemple : masse de l ensemble en porte à faux). Il est possible de les éviter en adoptant des dispositions en conséquence (exemple : soutien de l ensemble pour éviter l effet de flexion.) 8
3- DIFFERENT TYPES DE RETRAIT Les déformations de retrait, engendrées par la dilatation empêchée suivent nécessairement la symétrie axiale de la répartition du flux thermique (voir ci-dessous) Leur apparition est liée aux facteurs suivants : a) La quantité de chaleur introduite dans le joint soudé, b) La géométrie du joint, c) La nature du matériau, d) Les facteurs d exécution (procédé, nombre de passes, position, etc.) e) Les facteurs de bridage ou d auto bridage des éléments à souder. I ) Le retrait longitudinal (RL) Le raccourcissement se produit parallèlement à la direction du cordon de soudure ( voir figure page suivante). C est l effet de la contraction du métal d apport qui est prépondérant. Le décalage du cordon de soudure par rapport à l axe neutre de la pièce, entraîne secondairement une flexion longitudinale. II ) Le retrait transversal (RT) Il se produit perpendiculairement à la direction du cordon de soudure, dans le plan des pièces. Il est lié à la largeur du joint soudé, influencé par la section du métal fondu, la forme des chanfreins, le jeu entre les pièces, le mode opératoire (nombres de passes) et par les facteurs de bridage. 9
Le retrait transversal peut se traduire par un retrait angulaire (Rα) défini par la rotation des pièces et par l effet de pliage dû aux écarts des retraits dans les différentes couches en épaisseur des pièces : cordon plus étroit à la racine qu à la dernière passe. III ) Le retrait suivant l épaisseur Celui-ci peut être négligé car il est peu important. Par contre, il peut dans certains cas, engendrer des contraintes résiduelles importantes propices à la naissance de fissures (fortes épaisseurs) Arrachement 10
4- LES DEFORMATIONS LIEES AUX PHENOMENES DE RETRAIT L étude détaillée d un ensemble soudé nous permet de déterminer au regard des «mécanismes de retrait» le type et le sens prévisible des déformations. a) Les déformations longitudinales Le raccourcissement de la zone soudée peut s expliquer comme étant la conséquence d une force dite «de retrait» La ligne d application de cette force se trouvant au centre d inertie de la surface où sont concentrées les contraintes résiduelles de traction (g). La figure page suivante schématise en traits interrompus, le sens prévisible des déformations. En fonction de la position de (g) par rapport à G, centre d inertie de la section normale de l ensemble soudé, la flèche à mi-longueur (f) mesure la concavité (figure a) ou la convexité (figure b) La distance de G à g provoque un moment de flexion tel que : Mf = Fr * k Avec Fr = Force de retrait. Lorsque g se confond avec G, soit K = 0, le moment de flexion est nul. Nous avons donc dans ce cas une compression pure, donc pas de déformation de flexion. C est une disposition constructive intéressante car elle permet, dans le sens longitudinal, des déformations minimales. 11
b) Les déformations dues au retrait transversal 1- la rotation angulaire ( Rα) Ce sont les plus faciles à prévoir, par pré-déformation angulaire ou par bridage en position (si le matériau le permet) 2- L effet de pliage (voir figure ci-dessus) Il apparaît dans le cas des cordons d angle. C est surtout la largeur (h) du cordon qui provoque l effet de pliage. Dés que l épaisseur est suffisante, (c) devient négligeable. L effet de pliage (c), pour une gorge de valeur (a), est proportionnel à la largeur de l aile ou de la semelle ( l ). 5- DEFORMATIONS MINIMALES A chaque fois que cela est possible, il est nécessaire d avoir pour objectif le minimum de déformation; leur réduction après soudage est parfois néfaste à la résistance mécanique de l ensemble et augmente les coûts de fabrication. 12
Nous avons vu précédemment que si le centre d inertie de la section normale de l ensemble soudé se confondait, au centre d application de la force de retrait, soit de G à g = K = 0, la déformation serait minimale. Cette condition doit satisfaire la relation : S 1. X 1 = S 2. X 2 Où S est l aire d une des deux sections et X la distance du centre d inertie de la section à (g), centre d inertie de la zone soudée. Les figures de la page suivante donnent quelques exemples pouvant satisfaire la relation. Il faut toutefois noter que la section utilisée ne doit pas être le siège de contraintes importantes (par exemple : les profils étirés à froid) qui viennent contrarier le phénomène de compression pure. Solutions opératoires Il faut prévoir à chaque fois que cela est possible des séquences de soudage qui limitent l importance des déformations ou qui équilibrent les phénomènes de retrait. (Voir paragraphe ). D autre part, la pré-déformation élastique, lorsqu elle peut-être mise en œuvre, est toujours l une des meilleures solutions car elle n introduit pas de nouvelles contraintes dans l ensemble soudé. 13
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Exemples d application a) Gousset soudé sur poteau en profil creux rond (voir ci-dessous) La relation : 2 S 1 x X 1 = e x b² permet d obtenir les déformations minimales : Soit : Profil ø76.1 : 2 = 38mm et épaisseur du gousset = 5mm Donc b= (2 S 1 x X 1 / e) donc b = 117mm On pourra donc souder un plat de 120 x 5 15
Poutre reconstituée soudée La figure ci-dessous représente une poutre reconstituée soudée qui doit être obtenue parfaitement rectiligne. La flèche réglementaire des poteaux soumis au flambement doit toujours être inférieure à 1/1000 de la hauteur. Soit, dans ce cas, inférieure à 6mm environ, ce qui suppose une fabrication soignée. Pour cet exemple, c est le mode opératoire qui va permettre d obtenir des déformations minimales. Sur la figure page suivante, on donne l ordre des opérations de soudage pour obtenir des déformations minimales. Prévisions des déformations 16
Séquences de soudage et résultats obtenus : Sur la figure 1, nous avons effectué 4 cordons successifs 1,2,3,4 Sur la figure 2, nous avons effectué 2x2 cordons simultanés 1,1 2,2 Sur la figure 3, nous avons effectué 2*2 cordons simultanés 1,1 2,2 avec des entretoises et une mise en position à l horizontale. Résultats : dans le cas 1 la flèche est de 4,6mm dans le cas 2 la flèche est de +de 8mm dans le cas 3 la flèche est très faible. 6- CONCLUSION. Les déformations en cours de soudage méritent un examen sérieux, au regard des phénomènes mécaniques et thermiques du joint soudé. Elles ne sont pas une «fatalité», nous pouvons, dans bien des cas, les prévoir, les éviter ou les compenser avant soudage, au moins pour les cas les plus courants. L absence de modèle mathématique qui permettrait de manière rigoureuse la prévision et la compensation des déformations ne doit pas nous dispenser d en prévoir le sens, le type, d en chiffrer au mieux l importance, et de vérifier l exactitude de la prévision après soudage. 17
Séquences Pédagogiques 18
SEQUENCE N 1 : Mettre en évidence le phénomène de dilatation des métaux lors de la montée en température et de retrait lors du refroidissement. SEQUENCE N 2 : Mettre en évidence les déformations en soudage et savoir y remédier. 19
PARTIE A 20
SEQUENCE N 1 DOCUMENTS Fiche de préparation Fiche de déroulement PEDAGOGIQUES DOCUMENTS PROFESSEUR Fiche contrat Cours Expérimentation DOCUMENTS ELEVES Fiche contrat Cours Expérimentation ACTIVITE FORMATIVE 21
FICHE DE PREPARATION Problématique de la séquence : Objectif de la séquence : Etude du phénomène dilatation retrait. Prendre conscience du phénomène pour prévoir les déformations. Etre capable de repérer et signaler les éventuelles déformations. Connaissances à acquérir : SAVOIR S8 Connaissances (Notions, Concepts) S8.02 Préparation des joints soudés LES ASSEMBLAGES Limites des connaissances Niveau Précaution à prendre en prévision des déformations dues à la dilatation et au retrait. Enoncer les mesures à prendre avant soudage 2 Pré requis : Evaluation : -Utilisation d un chalumeau chauffeur. -Formative : réaliser à l atelier les expérimentations et conclure. 22
FICHE CONTRAT Nom : Classe : BEP 2 année Prénom : Date : Support d étude : Appareils permettant l observation de la dilatation et du retrait CONTRAT. Etre capable de (on demande) : Etre capable de : Condition ressource (on donne) : - Descriptif des appareils - Appareils de mesure dilatation retrait. - Fiche d expérimentation. Evaluation : -Réaliser l expérimentation. -Expliquer le phénomène. Reconnaître le phénomène : dilatation-retrait Repérer et signaler les éventuelles déformations. 23
DOCUMENT PROFESSEUR 24
DILATATION RETRAIT l) Définition : Sous l effet de la chaleur, un matériau métallique aura tendance à se dilater. (Augmentation de son volume initial.) Le retrait est la réciprocité : diminution de son volume initial. 2) Généralités : sont contrariés dans leurs effets par les différentes parties des pièces assemblées, plus ou moins affectées thermiquement. Le retrait est équivalent ou sensiblement équivalent et de sens contraire à la dilatation lorsque les pièces chauffées se dilatent librement. EN SOUDAGE : la dilatation et le retrait 3) Principe : a) présentation des appareils 1) dilatation libre Montre par le mouvement d une aiguille sur un cadran, la dilatation du métal lors de la montée en température, le retrait lors du refroidissement. 2) dilatation empêchée Montre le retrait du métal lors du refroidissement : chute du tube. 25