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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 5 189 − 1 Pièces mécaniques soudées Conception des assemblages par Alain MICHEL Ingénieur CNAM et ESSA Professeur à l’École Supérieure du soudage et de ses applications (ESSA) ien que le texte qui suit doive constituer logiquement le prolongement des articles BM 5 186 et BM 5 187, le praticien le consultera chronologiquement après avoir ﬁxé son choix sur la nuance de matériau, et c’est dans ce but qu’il a été disposé ici. L’analyse de structures soudées prématurément endommagées en service montre très fréquemment une conception inappropriée de l’assemblage soudé dans lequel les règles les plus élémentaires ont été tantôt ignorées, tantôt sacri- ﬁées à l’impératif économique. Après une présentation de quelques principes généraux de conception au cours desquels sont abordés, entre autres, la notion de contrainte géométrique et le problème d’admissibilité de la discontinuité naturelle de racine, l’auteur présente et commente avec les détails nécessaires, les dispositions construc- tives dans un ordre de complexité géométrique croissante, commençant par les préparations des bords sur assemblages élémentaires et s’achevant par les ensembles rotatifs, en passant par les poutres caissons composées. 1. Principes généraux de conception...................................................... BM 5 189 - 2 1.1 Règles fondamentales de tracé .................................................................. — 2 1.2 Recommandations spéciﬁques .................................................................. — 6 1.3 Symbolisation des assemblages soudés sur les dessins techniques..... — 8 2. Assemblages soudés élémentaires..................................................... — 9 2.1 Règles générales de préparation des bords en vue du soudage ............ — 9 2.2 Préparation des bords sur assemblages bout à bout............................... — 9 2.3 Préparation des bords sur assemblages angulaires d’éléments plats.... — 13 2.4 Dispositions particulières............................................................................ — 19 3. Poutres caissons ...................................................................................... — 21 3.1 Poutres caissons rectilignes ....................................................................... — 21 3.2 Poutres courbes soumises à ﬂexion dans leur plan................................. — 25 4. Liaisons angulaires de proﬁls-cadres soudés .................................. — 25 4.1 Cadres soumis à ﬂexion dans leur plan..................................................... — 25 4.2 Cadres soumis à ﬂexion et torsion hors de leur plan............................... — 27 5. Pièces tournantes .................................................................................... — 33 5.1 Assemblages axe-ﬂasque de tambours rotatifs........................................ — 33 5.2 Assemblages ﬂasque-jante de tambours rotatifs ..................................... — 33 5.3 Assemblages maneton-axe ........................................................................ — 34 Références bibliographiques ......................................................................... — 35 B PIÈCES MÉCANIQUES SOUDÉES __________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. BM 5 189 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique 1. Principes généraux de conception 1.1 Règles fondamentales de tracé 1.1.1 Assemblages d’épaisseurs différentes À la différence d’une étude de déﬁnition de pièce moulée pour laquelle le projeteur s’efforce de satisfaire l’impératif d’évolution d’épaisseur aﬁn d’obtenir une compacité convenable lors du mou- lage, celle d’une pièce constituée par soudage (appelée aussi mécano-soudée) laisse de ce point de vue une grande latitude au concepteur. En effet, dans le cas de la mise en œuvre de matériaux peu diffusants thermiquement tels que les aciers, soudés à l’aide de procédés à forte puissance spéciﬁque tels que l’arc électrique (1xx), la dissymétrie d’épaisseur ne pose pas un réel problème de souda- bilité opératoire, même dans le cas d’assemblages en T entre une pièce mince d’épaisseur 2 mm interrompue par une pièce épaisse de 40 mm. Cette situation devient en revanche problématique dès lors que le matériau à souder est très diffusant thermiquement, tel l’aluminium et ses alliages pour lesquels un arc électrique de même puissance spéciﬁque ne permettra pas de souder sans réelles difﬁ- cultés (fusion prématurée de la pièce mince) l’assemblage proposé précédemment comme exemple, où il conviendra de limiter à 8 ou 10 mm la pièce épaisse dans le cas d’un assemblage par cordons d’angle intérieurs. Cet exemple montre immédiatement l’avantage apporté par la confection de « lèvres » (ﬁgure 1) obtenues par usinage, forgeage, matriçage ou ﬁlage qui facilitent la liaison soudée d’éléments d’épaisseurs très différentes. 1.1.2 Transmission des efforts. Notion de contrainte géométrique La disposition des éléments constitutifs d’une structure doit être conçue avec le souci permanent d’assurer aux lignes isostatiques une inﬂexion minimale à travers les pièces. À l’évidence, certains impératifs géométriques propres à la structure font souvent obsta- cle à cette règle fondamentale ; l’exemple qui suit en donne une illustration. Deux plats A et B (section : b × e ) soumis à effort normal (Fz ) se trouvent décroisés et doivent être assemblés par soudage (ﬁgure 2a ). La solution simpliste consiste à interposer une platine intermédiaire (P) carrée d’épaisseur (e1) voisine de celle des plats, qui est assemblée par une paire de cordons de soudure en angle interne (gorge a ) sur chacun des deux plats (ﬁgure 2b ). La question se pose alors de vériﬁer le dimensionnement des plats et des cor- dons (pour la platine, découpée dans une tôle, le problème de la compacité est plus critique que celui de ses dimensions). En ce qui concerne le dimensionnement des plats, tout se ramène ﬁnalement à étudier le long d’un axe de symétrie, la loi d’évolution de la con- trainte normale σz aﬁn de rechercher la valeur maximale, pour la comparer in ﬁne à une valeur limite donnée par un critère de stabi- lité. L’étude de la loi d’évolution de σz (ﬁgure 3a ) permet précisé- ment de faire apparaître plusieurs valeurs caractéristiques : — une contrainte nominale σN de niveau constant et minimal à partir d’une certaine distance de la zone dans laquelle la géométrie est notablement perturbée ; — une contrainte dite géométrique σG déductible par extrapola- tion de la loi d’évolution de la contrainte au voisinage de la pertur- bation géométrique, abstraction faite de la présence du cordon ; — une contrainte dite locale σL qui est maximale et observable au « pied de cordon » et qui intègre la forme de ce dernier et les éven- tuelles imperfections du raccordement du cordon de soudure. Figure 1 – Assemblage en T d’éléments d’épaisseurs très différentes : confection de lèvres Figure 2 – Assemblage de deux plats décroisés avec platine intermédiaire P Figure 3 – Notion de contrainte nominale, géométrique et locale Pour la signification des symboles concernant les assemblages soudés, se reporter en figure 22 II e b A B Fz A P a e1 B a b z x e1 σL σz σG σN A a b σ = τ T T σ __________________________________________________________________________________________________________ PIÈCES MÉCANIQUES SOUDÉES Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 5 189 − 3 À l’évidence, la valeur de la contrainte géométrique ne dépend que de paramètres liés à la géométrie de la disposition tels que : b, e, e1 et a (la transposition d’une pièce soudée en une pièce moulée comportant des congés à la place des cordons, n’écarterait ni la notion de contrainte géométrique, ni celle de contrainte locale). De son côté, la pointe de contrainte (de σL à σG) ne dépend que de la forme du cordon et des imperfections du raccordement. Il y a lieu de noter par ailleurs, que c’est l’effet géométrique qui génère une hétérogénéité des composantes de contraintes le long du cordon de soudure (ﬁgure 3b ). Pour une justiﬁcation du comportement statique du cordon de soudure (comme celui du corps des pièces A et B du reste) en état de ductilité, c’est la contrainte géométrique σG qui doit être prise en considération, pour le calcul des composantes de contraintes (σ⊥, τ⊥) dans la gorge de ce dernier. Pour une justiﬁcation de la tenue en fatigue, c’est soit la contrainte nominale σN , soit la contrainte géométrique σG, soit la contrainte locale σL , qui est à prendre en compte, selon la méthode retenue (voir BM 5 187, § 2.3.2). Dans la mesure où les dimensions (b, e ) des plats sont ﬁgées, une première disposition visant à abaisser le niveau de contrainte géo- métrique consiste à épaissir la platine (ﬁgure 4a ) conduisant de la sorte à une meilleure diffusion de l’effort dans les cordons de sou- dure. La solution est toutefois inélégante par suite de l’alourdisse- ment qui en résulte, et des risques inhérents à la compacité et au comportement du laminé épais constituant la platine. Une seconde solution fait appel à deux paires de goussets trian- gulaires, disposés dans le prolongement des plats (ﬁgure 4b ) aﬁn de diffuser correctement l’effort. Cette seconde disposition amène naturellement à la solution déﬁnitive et logique en pareille circons- tance, qui est celle d’un enfourchement à mi-longueur des deux plats, sur lesquels les extrémités proﬁlées permettent de garantir la constante de section transversale de la structure (ﬁgure 4c ). Une telle solution doit avoir la préférence en service sous effort variable. 1.1.3 Conditions d’admissibilité de la discontinuité de racine Bien qu’abordé dans BM 5 186, § 1.1 et § 1.2 à propos du comportement élastique des assemblages soudés, il n’est pas inu- tile de dresser ici la liste des facteurs à prendre en compte dans le but d’admettre ou non la discontinuité de racine d’une liaison soudée pour uploads/Ingenierie_Lourd/ pieces-mecaniques-soudees.pdf