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1 Proposition de dossier Centre national de ressources structures métalliques N

1 Proposition de dossier Centre national de ressources structures métalliques Nantes Publics concernés : BEP ROC-SM Bac Pro ROC-SM Equipe pédagogique: Rémy AUBON Jean Michel LE MEUR ACADEMIE DE CRETEIL ETUDE EXPERIMENTALE DES DEFORMATION EN SOUDAGE 2 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 3 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. 4 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 θ1 et la température θ2 d’un solide de longueur initiale l, elle peut se déterminer ainsi : Δl = α l (θ2 - θ1 ) où l et Δl sont exprimés dans la même unité (m ou mm) ; θ1 et θ2 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 5 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 6 III- SOLUTIONS PROFESSIONNELLES (Application en soudage) • Pré déformations : (avant soudage) • Contrôle des échauffements : (pendant soudage) Soudage en ‘pas de pélerin’ Soudage simultané Pré déformation Pré déformation 7 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. 8 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.) 9 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 uploads/s3/ sodure.pdf