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1 Assemblages et Tribologie Assemblages et Tribologie Interface adhesion: effec

1 Assemblages et Tribologie Assemblages et Tribologie Interface adhesion: effect of plasticity and segregation, A.G. EVANS, J.W. HUTCHINSON and Y. WEI, Acta Materialia, vol. 47, n° 15, 1999, 4093-4113. TI C 2 522 – Constructions métalliques, assemblages par soudage, JP. MUZEAU TI C 2 521 – Constructions métalliques, assemblages par procédés mécaniques, JP. MUZEAU TI BM 7 620 – Collage des métaux, P. COGNARD TI N1650 V1 – Familles d’adhésifs et caractérisation d’un collage structural, C. BRETTIN, G. VILLOUTREIX 2 Assemblage des métaux La fonction principale d’un assemblage est de transmettre correctement des efforts qui peuvent être très importants et qui sont le plus généralement statiques ou quasi-statiques (actions gravitaires, actions climatiques, charges d’utilisation à variations lentes) mais qui peuvent également être dynamiques (effets de chocs ou de séismes, vibrations, etc.). La ruine d’un assemblage peut provenir : - d’un dépassement des valeurs maximales des efforts à transmettre ou d’une mauvaise évaluation de ces efforts, - de phénomènes de fatigue sous sollicitations alternées (changement du signe des efforts) ou simplement modulées (plus ou moins grandes variations d’efforts de même signe). Assemblage des métaux Les assemblages peuvent être classés en trois grandes catégories : On distingue également : - ceux qui assurent une continuité du métal aux joints et qui consistent en divers procédés de soudage autogène, - ceux qui permettent la transmission d’efforts par contacts mécaniques, rassemblés sous la dénomination de procédés mécaniques, - ceux qui font intervenir une cohésion entre matériaux hétérogènes, comme le collage. - les assemblages avec déplacements, qui regroupent les procédés mécaniques par contact (boulons ordinaires par exemple) lorsque ce contact se produit après un déplacement égal au jeu entre les pièces d’attache et les trous, plus une certaine ovalisation de ces derniers. Ces procédés d’assemblage ne peuvent donc être employés que si de tels déplacements sont acceptables, soit en une fois lors de la première mise en charge si les efforts sont toujours de même sens, soit de manière alternative si les efforts peuvent changer de signe. - les assemblages sans déplacement, qui assurent des transmissions d’effort sans déplacement ou avec des déplacements extrêmement réduits. C’est le cas des attaches par frottement (boulons précontraints) ou par soudage. 3 Assemblage des métaux 4 Procédés thermiques – Le soudage Le soudage consiste à amener localement des pièces à souder à leur température de soudage (température de fusion la plupart du temps) au niveau de leur joint, dans le but de réaliser une liaison continue de la matière entre ces pièces. Procédés thermiques – Le soudage Un procédé de soudage met en œuvre, de façon conjuguée ou non, un effet thermique, un effet mécanique et un apport de métal, à quoi il faut associer une durée ou une vitesse d’exécution. Effet thermique : il produit le cycle échauffement / fusion / refroidissement et s’exerce essentiellement sous la forme d’une source extérieure de chaleur transférée aux parties à souder, généralement ponctuelle et mobile. Cette source est caractérisée par une puissance, une température et un flux thermique engendré dans la zone d’application. 5 Procédés thermiques – Le soudage Effet mécanique : il résulte de l’application d’une force, ou effort de soudage, sur les parties à souder pendant le processus thermique et produisant métallurgiquement un forgeage. C’est le cas des procédés suivants appelés procédés par forgeage : - le soudage par résistance, - le soudage par friction. Apport de métal : il est présent dans la plupart des procédés de soudage par fusion et particulièrement à l’arc électrique où il s’exerce de façon naturelle ou complémentaire. Durée ou vitesse d’exécution : ce sont des variables physiques qui traduisent en termes de puissance ou d’énergie les phénomènes thermiques. Il existe de nombreuses variantes aux procédés ci-dessus considérés comme les plus usuels. Ainsi, par exemple, la conjugaison d’une température inférieure à la température de fusion, d’une pression inférieure au seuil de déformation plastique et d’une durée permet d’obtenir sur certains métaux une liaison soudée grâce au phénomène de diffusion inter-cristalline s’exerçant entre les parties mises au contact à l’endroit de leur joint. Ainsi, avec le cuivre et l’aluminium, métaux très conducteurs, la liaison s’installe à la température ambiante grâce à une pression élevée appliquée rapidement : on a un soudage à froid. Procédés thermiques – Le soudage 6 Procédés thermiques – Nomenclature du soudage 7 1. Soudage à l’arc électrique : constitue l’un des modes opératoires les plus répandus. Il s’agit d’un procédé de soudage par fusion des bords et addition d’un métal d’apport (souvent contenu dans l’électrode ou le fil-électrode). Le métal fondu provenant de chaque élément est réuni au niveau du joint dans un bain de métal qui comble l’interface. Au fur et à mesure que le bain de fusion se refroidit, le métal fondu qui se trouve à la limite de fusion se solidifie, formant un lien solide avec le métal de base. Quand la solidification est totale, il y a continuité du métal à travers le joint. Lors d’un soudage à l’arc, on peut utiliser un flux ou un gaz non réactif (inerte) pour recouvrir le bain de fusion et donc empêcher l’action de l’air. La chaleur de l’arc peut varier entre 3500 et 5550°C. La source de chaleur est constituée d’un arc électrique (gaz ionisé dans lequel circule un courant électrique), qui fait fondre le métal de base et l’électrode. Cet arc, de faible voltage (15 à 35 V) mais d’intensité élevée (jusqu’à 500 A, fonction du diamètre du fil), se forme entre la pointe de l’électrode et la pièce à souder et correspond à un gaz. Procédés par fusion – Soudage à l’arc électrique Lors d’un soudage à l’arc, le courant circule à travers un conducteur qui relie le poste de soudage à l’électrode. Il forme un arc électrique en traversant l’espace libre entre l’électrode et le métal de base, puis il poursuit sa course en passant par le câble de masse pour retourner au poste de soudage. Le soudage peut être réalisé à courant constant ou à voltage (potentiel) constant : - le soudage à courant constant fournit une chaleur constante, et permet le soudage de tôles minces, sans que l’électrode ne colle sur la plaque (si l’électrode s’approche trop de la plaque, le courant augmente un peu, et au contraire, si l’électrode s’éloigne, le courant diminue, évitant un surplus de projections). - le soudage à voltage (potentiel) constant permet donc une variation de l’intensité  fait fondre le fil-électrode ± rapidement, pour assurer que la longueur de l’arc reste constante. Procédés par fusion – Soudage à l’arc électrique 8 Le métal d’apport provient d’une électrode enrobée, d’un fil-électrode, ou encore d’une baguette. On utilise généralement des électrodes constituées d’un fil de diamètre 3 à 8 mm, et d’un flux d’enrobage, qui sert à former un laitier protégeant le bain de fusion contre l’oxydation pendant le processus de solidification et de refroidissement. Le choix du métal d’apport se fera en priorité en fonction de sa résistance à la traction, mais également de sa composition chimique, sa résilience et des positions de soudage possibles. Procédés par fusion – Soudage à l’arc électrique Les procédés utilisés peuvent être classés en trois catégories : - le soudage manuel qui reste le seul moyen possible pour réaliser des soudures dont l’accès est difficile ou de petite longueur, - le soudage semi-automatique (avancement automatique de l’électrode avec une torche tenue à la main). C’est celui qui est appliqué de manière générale, - le soudage automatique (la tête de soudage est montée, soit sur un chariot dont l’avancement est automatique, soit sur un robot de soudage). Il s’applique surtout aux soudures continues d’une certaine longueur : assemblage âme - semelles des profilés reconstitués soudés par exemple. Procédés par fusion – Soudage à l’arc électrique 9 Procédés par fusion – Soudage manuel a. Soudage manuel à l’arc avec électrode enrobée : relativement simple Une soudeuse (généralement à courant constant) est connectée à une électrode enrobée et à une pièce de métal à souder, ce qui provoque la création d’un arc électrique, libérant l’énergie nécessaire pour fondre le métal d’apport (dans l’électrode) sur les pièces à souder. Le flux recouvrant l’électrode sert à protéger le bain de fusion de la contamination atmosphérique. Applications : très populaire pour certaines tâches spécialisées (récipients et tuyaux sous pression, réservoirs de stockage, ponts et bâtiments, navires et wagons. Avantages : - s’exécute dans toutes les positions - grande autonomie - bonne mobilité - possibilité de souder à l’extérieur sans précaution particulière - équipement requis peu onéreux - coef de transmission thermique de 50 à 85%  permet une bonne pénétration Inconvénients : - chaleur au centre de l’arc + intense  peut créer des distorsions angulaires - demande un ouvrier qualifié Procédés par fusion – Soudage automatique ou semi-automatique Procédés automatiques ou semi-automatiques = la tête de soudage se déplace de façon automatique le long du joint ; ou bien, pour les procédés semi-automatiques, la torche de soudage, située à l’extrémité d’un tube flexible, est tenue à la main, et toutes les autres opérations sont automatiques. b. Soudage uploads/Industriel/ assemblage-et-tribologie.pdf