Imaginez que vous construisiez un pont ou un gratte-ciel et qu'il tombe en panne à cause de défauts de soudure passés inaperçus. La résistance à la fatigue des structures soudées est un facteur essentiel pour garantir la durabilité et la sécurité de ces constructions. Cet article examine les causes de la rupture par fatigue, notamment les effets de la résistance à la charge statique, de la concentration de contraintes et des défauts de soudage. En comprenant ces facteurs, les ingénieurs peuvent concevoir et fabriquer des structures soudées plus fiables, ce qui permet d'éviter les défaillances catastrophiques et de prolonger la durée de vie des infrastructures vitales.
Les causes de la rupture par fatigue des structures soudées englobent plusieurs facteurs critiques :
① Alors que les joints soudés présentent généralement une capacité de charge statique comparable à celle du métal de base, leurs performances sous charge cyclique sont considérablement compromises. Cette résistance à la fatigue est fortement influencée par la configuration du joint et la conception structurelle globale. Par conséquent, une défaillance prématurée se produit souvent au niveau des assemblages soudés, ce qui compromet l'intégrité de l'ensemble de la structure.
② Historiquement, la conception des structures de soudage a donné la priorité à la résistance aux charges statiques, en négligeant les considérations cruciales liées à la fatigue. Cette négligence, associée à l'absence de normes complètes de conception en matière de fatigue, a conduit à des conceptions de joints sous-optimales qui sont maintenant reconnues comme inadéquates pour les charges cycliques à long terme.
③ Les concepteurs et les techniciens en ingénierie connaissent mal les caractéristiques uniques de résistance à la fatigue des structures soudées. Cette lacune se traduit souvent par l'application inappropriée de critères de conception de la fatigue et de formes structurelles provenant de structures métalliques non soudées, sans tenir compte des défis spécifiques posés par les joints soudés.
④ La prolifération des structures soudées, combinée aux tendances industrielles favorisant la rentabilité et la réduction du poids, a conduit à une augmentation des charges de conception. Cette poussée d'optimisation, bien que bénéfique pour les scénarios statiques, exacerbe souvent les problèmes liés à la fatigue en poussant les matériaux plus près de leurs limites d'endurance.
⑤ Les structures soudées étant de plus en plus utilisées dans des applications à grande vitesse et à forte charge, les exigences relatives à leur capacité de charge dynamique se sont intensifiées. Cependant, la recherche sur la résistance à la fatigue des structures soudées n'a pas suivi le rythme de l'évolution de ces exigences, ce qui crée une lacune critique dans les connaissances en matière de conception et de prévision des performances.
⑥ Les concentrations de contraintes inhérentes aux pointes et aux racines des soudures, associées à des défauts de soudage potentiels tels que l'absence de fusion ou la porosité, servent de sites d'initiation pour les fissures de fatigue. Ces discontinuités microstructurales et géométriques réduisent considérablement la durée de vie en fatigue des composants soudés par rapport à leurs homologues non soudés.
⑦ Les contraintes résiduelles introduites au cours du processus de soudage, en particulier les contraintes résiduelles de traction à proximité de la zone de soudage, peuvent réduire considérablement la résistance effective à la fatigue de la structure en facilitant l'apparition et la propagation de fissures sous l'effet d'une charge cyclique.
Dans l'étude des matériaux en fer et en acier, les chercheurs s'efforcent d'obtenir une résistance spécifique élevée, c'est-à-dire la capacité de supporter de lourdes charges tout en étant léger. Cela permet aux structures d'avoir une plus grande capacité portante tout en conservant le même poids, ou d'avoir la même capacité tout en étant plus légères. C'est ainsi qu'a été mis au point l'acier à haute résistance, qui présente une grande résistance à la fatigue.
La résistance à la fatigue des métaux de base augmente avec la résistance à la charge statique. Toutefois, cela n'est pas vrai pour les structures soudées. La résistance à la fatigue des joints soudés a une corrélation limitée avec la résistance statique du métal de base, du métal soudé, de la microstructure et des propriétés de la zone affectée thermiquement, et de la compatibilité de résistance du métal soudé.
En d'autres termes, pour les mêmes détails de joints soudés, la résistance à la fatigue de l'acier à haute résistance et de l'acier à faible teneur en carbone est la même, et ils présentent la même courbe S-N. Cela s'applique à différents types de joints, tels que les joints bout à bout, les joints d'angle et les poutres soudées.
Maddox a mené une étude sur la croissance des fissures de fatigue dans l'acier carbone-manganèse dont la limite d'élasticité est comprise entre 386 et 636 MPa, ainsi que dans le métal de soudure et les zones affectées thermiquement soudés à l'aide de six électrodes différentes.
Les résultats indiquent que les propriétés mécaniques du matériau ont un certain impact sur le taux de croissance des fissures, mais l'effet n'est pas significatif.
Dans la conception de structures soudées soumises à des charges alternées, le choix d'un acier à haute résistance ne permet pas de répondre aux exigences techniques. L'acier à haute résistance n'est nécessaire pour le métal de base du joint soudé que lorsque le rapport de contrainte est supérieur à +0,5 et que la condition de résistance statique joue un rôle dominant.
Ces résultats s'expliquent par la présence de défauts de coin de laitier semblables à des contre-dépouilles le long de la ligne de fusion au niveau du pied de soudure du joint, avec une épaisseur de 0,075 mm à 0,5 mm et un rayon de pointe inférieur à 0,015 mm. Les défauts aigus sont à l'origine des fissures de fatigue, ce qui équivaut au stade de formation des fissures de fatigue.
Par conséquent, la durée de vie en fatigue du joint sous une certaine amplitude de contrainte est principalement déterminée par le stade de propagation de la fissure de fatigue. Ces défauts entraînent le même type de joints soudés pour tous les aciers ayant la même résistance à la fatigue, quelle que soit la résistance statique du métal de base et des matériaux de soudage.
2.2.1 Influence du type de joint
Les assemblages soudés comprennent les assemblages bout à bout, les assemblages transversaux, les assemblages en T et les assemblages à recouvrement. Ces joints sont susceptibles de subir une concentration de contraintes en raison de l'interférence de la ligne de transmission de force.
L'interférence de la ligne de contrainte des assemblages bout à bout est minimale, ce qui se traduit par une faible concentration de contrainte et une résistance à la fatigue plus élevée que pour les autres assemblages. Toutefois, des expériences ont montré que la résistance à la fatigue des assemblages bout à bout peut varier considérablement en raison de divers facteurs tels que la taille de l'échantillon, la forme de la rainure, la méthode de soudage, le type d'électrode, la position de soudage, la forme de la soudure, le traitement de la soudure après le soudage et le traitement thermique après le soudage.
L'utilisation d'une plaque d'appui permanente dans un assemblage bout à bout peut entraîner une concentration importante de contraintes au niveau de la plaque d'appui et réduire la résistance à la fatigue de l'assemblage. Les fissures de fatigue dans ce type de joint se produisent au niveau du joint entre la soudure et la plaque d'appui, plutôt qu'au niveau du bord de la soudure, et sa résistance à la fatigue est généralement égale à celle d'un joint bout à bout de la forme la plus défavorable sans plaque d'appui.
Les joints transversaux et les joints en T sont largement utilisés dans les structures soudées.
Dans ces joints porteurs, le changement évident de section à la transition entre la soudure et le métal de base entraîne un facteur de concentration des contraintes plus élevé que dans le cas d'un assemblage bout à bout, ce qui se traduit par une résistance à la fatigue plus faible pour les assemblages en croix et en T que pour les assemblages bout à bout.
Pour les joints non biseautés raccordés par soudures d'angle et les joints rainurés avec des soudures à pénétration locale, des fractures de fatigue peuvent se produire dans deux maillons faibles, c'est-à-dire la jonction entre le métal de base et le bord de la soudure ou la soudure, lorsque la soudure transmet la contrainte de travail. Pour les joints transversaux avec pénétration de la rainure, les ruptures se produisent généralement uniquement au niveau du pied de la soudure, et non au niveau de la soudure.
La résistance à la fatigue des joints en T et des joints transversaux, où la soudure ne supporte pas de contrainte de travail, dépend principalement de la concentration de contrainte à la jonction de la soudure et de la plaque soumise à la contrainte principale. Les joints en T ont une résistance à la fatigue plus élevée, tandis que les joints en croix ont une résistance à la fatigue plus faible.
Il est possible d'améliorer la résistance à la fatigue des joints en forme de T ou des joints transversaux en utilisant le soudage par rainure et en usinant la transition de soudure pour créer une transition lisse. Cette mesure permet d'améliorer considérablement la résistance à la fatigue.
La résistance à la fatigue des joints à recouvrement est très faible en raison de la déformation importante de la ligne de force. L'utilisation d'un joint de recouvrement "renforcé" est extrêmement déraisonnable.
L'utilisation d'une plaque de recouvrement dans un joint d'about affaiblit considérablement sa grande résistance à la fatigue en raison d'une concentration accrue des contraintes.
Dans les joints de plaques de recouvrement porteurs, des fissures de fatigue peuvent se produire dans le métal de base ou dans la soudure. En outre, la modification de la largeur de la plaque de recouvrement ou de la longueur de la soudure modifie la répartition des contraintes dans le métal de base, ce qui affecte la résistance à la fatigue du joint. La résistance à la fatigue du joint augmente lorsque le rapport entre la longueur de la soudure et la largeur de la plaque de recouvrement augmente, car il en résulte une répartition plus uniforme des contraintes dans le métal de base.
2.2.2 Influence de la forme de la soudure
Quelle que soit la forme du joint, ils sont reliés par deux types de soudures : les soudures bout à bout et les soudures à l'arc. soudures d'angle.
La forme des soudures affecte le facteur de concentration des contraintes, ce qui entraîne des variations significatives de la résistance à la fatigue.
La forme de la soudure bout à bout a le plus grand impact sur la résistance à la fatigue du joint.
(1) Influence de l'angle de transition
Yamaguchi et al. ont établi la relation entre la résistance à la fatigue et l'angle de transition (angle obtus externe) entre le métal de base et le métal soudé.
Lors des essais, la largeur (W) et la hauteur (H) de la soudure ont changé, mais le rapport H/W est resté constant, ce qui signifie que l'angle inclus est resté inchangé. Les résultats ont montré que la résistance à la fatigue restait également inchangée.
Toutefois, lorsque la largeur de la soudure est restée constante et que la hauteur a été modifiée, il a été constaté qu'une augmentation de la hauteur entraînait une diminution de la résistance à la fatigue du joint. Cela est clairement dû à une diminution de l'angle d'inclusion externe.
(2) Influence du rayon de transition de la soudure
Les résultats de la recherche de Sander et al. indiquent que le rayon de transition de la soudure a également un impact significatif sur la résistance à la fatigue du joint. Plus le rayon de transition augmente (alors que l'angle de transition reste inchangé), plus la résistance à la fatigue augmente.
La forme de la soudure d'angle a également un impact significatif sur la résistance à la fatigue du joint. Lorsque le rapport entre l'épaisseur calculée (a) d'une soudure simple et l'épaisseur de la tôle (b) est inférieur à 0,6 ou 0,7, la soudure se brise généralement dans la soudure. Lorsque a/b > 0,7, la rupture se produit généralement à partir du métal de base.
L'augmentation de la taille de la soudure ne peut pas modifier la résistance d'une autre section faible, c'est-à-dire le métal de base à l'extrémité du bord de la soudure, et par conséquent, la résistance à la fatigue ne peut pas être dépassée dans le meilleur des cas.
Soete et Van Crombrugge ont réalisé des essais sur des plaques de 15 mm d'épaisseur soudées avec différentes soudures d'angle sous une charge de fatigue axiale.
Les résultats ont montré que lorsque la patte de soudure était de 13 mm, des fractures se produisaient dans le métal de base ou au niveau de la pointe de la soudure. Si la patte de la soudure était inférieure à cette valeur, des fractures de fatigue se produisaient dans la soudure. Lorsque la taille de la patte était de 18 mm, des fractures se produisaient dans le métal de base.
Sur la base de ces résultats, ils ont proposé une limite à la taille des pattes de soudure : S = 0,85B, où S est la taille de la patte de soudure et B l'épaisseur de la plaque.
Même si la taille de la patte de soudure a atteint l'épaisseur de la plaque (15 mm), des fractures se sont encore produites dans la soudure, ce qui confirme les résultats théoriques.
2.2.3 l'influence des défauts de soudure
Il existe de nombreuses les types de défauts au niveau du bord de la soudure, ce qui entraîne une fissuration précoce des fissures de fatigue et une diminution significative de la résistance à la fatigue du métal de base (jusqu'à 80%).
Les défauts de soudage peuvent généralement être divisés en deux catégories :
Les défauts planaires (tels que les fissures et le manque de fusion) et les défauts volumétriques (tels que les pores et les inclusions de scories) ont des degrés d'influence variables.
En outre, l'impact des défauts de soudure sur la résistance à la fatigue des joints dépend du type, de la direction et de l'emplacement des défauts.
1) Fissure
Fissures dans les souduresLes fissures, telles que les fissures à froid et à chaud, sont des sources importantes de concentration de contraintes en plus d'une microstructure fragile et peuvent réduire de manière significative la résistance à la fatigue des structures ou des articulations.
Des études antérieures ont montré que dans un échantillon de joint bout à bout en acier à faible teneur en carbone d'une largeur de 60 mm et d'une épaisseur de 12,7 mm, lorsqu'il y a des fissures d'une longueur de 25 mm et d'une profondeur de 5,2 mm dans la soudure (qui occupent environ 10% de la surface de la section transversale de l'échantillon), sa résistance à la fatigue sous charge alternée est réduite de 55% à 65% après 2 millions de cycles.
2) Pénétration incomplète
Il est important de noter qu'une pénétration incomplète n'est pas toujours considérée comme un défaut, car elle peut être intentionnellement conçue pour certains joints, tels que les tuyères des appareils à pression.
Les défauts de pénétration incomplète peuvent être des défauts de surface (soudure simple) ou des défauts internes (soudure double), et peuvent être locaux ou globaux. Ils affaiblissent principalement la section transversale et provoquent une concentration de contraintes.
Les tests ont montré que par rapport aux résultats sans ces défauts, la résistance à la fatigue est réduite de 25%, ce qui signifie que l'impact n'est pas aussi grave que celui des fissures.
3) Fusion incomplète
Bien qu'il s'agisse d'un problème important, peu de recherches ont été menées sur ce sujet en raison des difficultés liées à la préparation des échantillons.
Cependant, il est clair que l'absence de fusion est un type de défaut planaire qui ne peut être ignoré. Elle est souvent traitée comme une forme de pénétration incomplète.
4) Découpe
Les principaux paramètres qui décrivent le contre-dépouillement sont la longueur du contre-dépouillement (L), la profondeur du contre-dépouillement (h) et la largeur du contre-dépouillement (W).
Actuellement, le principal paramètre affectant la résistance à la fatigue est la profondeur du contre-dépouille (h), qui peut être évaluée soit par la profondeur (h), soit par le rapport entre la profondeur et l'épaisseur de la tôle (h/B).
5) Stomates
Harrison a analysé et résumé les résultats des tests précédents concernant les défauts volumétriques.
La diminution de la résistance à la fatigue est principalement due à la réduction de la section transversale causée par les pores. Il existe une relation linéaire entre les deux.
Cependant, certaines études montrent que lorsque la surface de l'échantillon est usinée, ce qui fait que les pores sont situés sur ou juste en dessous de la surface, l'impact négatif des pores augmente. Ils agissent comme une source de concentration de contraintes et deviennent le point de départ de fissures de fatigue.
Cela suggère que l'emplacement des pores a un impact plus important sur la résistance à la fatigue du joint que leur taille, et que les pores situés sur ou sous la surface ont l'effet négatif le plus significatif.
6) Inclusion de scories
Les recherches menées par l'IIW ont montré que, parmi les défauts volumétriques, l'inclusion de scories a un impact plus important sur la résistance à la fatigue des joints que la porosité.
L'impact des défauts de soudage sur la résistance à la fatigue des joints ne dépend pas seulement de la taille du défaut, mais aussi de divers autres facteurs tels que les défauts de surface ayant un impact plus important que les défauts internes, et les défauts planaires perpendiculaires à la direction de la force ayant un impact plus important que dans d'autres directions.
L'influence des défauts situés dans les zones de contraintes résiduelles de traction est plus importante que celle des défauts situés dans les zones de contraintes résiduelles de compression, et les défauts situés dans les zones de concentration de contraintes, telles que les fissures de pied de soudure, ont un impact plus important que les mêmes défauts dans des champs de contraintes uniformes.
Soudage contrainte résiduelle est une caractéristique des structures soudées qui est largement étudiée pour son impact sur la résistance à la fatigue de ces structures. De nombreuses études expérimentales ont été menées pour examiner cette question.
Les essais de fatigue sont souvent réalisés en comparant des échantillons avec des contrainte résiduelle de soudage à ceux qui ont subi un traitement thermique pour éliminer la contrainte résiduelle. En effet, la production de contraintes résiduelles de soudage s'accompagne souvent de changements dans les propriétés du matériau résultant de l'exposition à la chaleur. cycle thermique de soudageLe traitement thermique permet non seulement d'éliminer les contraintes résiduelles, mais aussi de restaurer partiellement ou totalement les propriétés du matériau.
Cependant, en raison de la variabilité des résultats des tests, les interprétations des résultats et les évaluations de l'impact de la contrainte résiduelle du soudage diffèrent. On peut s'en rendre compte en examinant les recherches anciennes et récentes menées par différentes personnes.
Par exemple, différents chercheurs sont parvenus à des conclusions différentes à partir d'essais de cycles de 2×106 sur des joints de bout à bout avec renfort.
Il a été constaté que la résistance à la fatigue d'un échantillon après traitement thermique pour réduire les contraintes était supérieure de 12,5% à celle du même échantillon à l'état soudé. Cependant, certaines études ont montré que la résistance à la fatigue des échantillons tels que soudés et traités thermiquement était la même, avec peu de différence. Dans d'autres cas, la résistance à la fatigue a augmenté après le traitement thermique destiné à éliminer la contrainte résiduelle, mais l'augmentation était bien inférieure à 12,5%.
Des résultats similaires ont été trouvés dans les tests d'échantillons de joints bout à bout avec meulage de surface. Certains essais ont montré que la résistance à la fatigue pouvait être augmentée de 17% après le traitement thermique, tandis que d'autres n'ont montré aucune amélioration.
Cette question a été une source de confusion pendant un certain temps. Toutefois, une série d'essais sous charge alternée menés par des chercheurs de l'ex-Union soviétique a permis de clarifier le problème. Les recherches de Trufyakov sur l'effet de la contrainte résiduelle du soudage sur la résistance à la fatigue du joint sous différentes caractéristiques de cycle de contrainte sont particulièrement remarquables.
Les essais ont été réalisés avec de l'acier de construction ordinaire faiblement allié 14Mn2 et comportaient une soudure transversale bout à bout sur l'échantillon, avec un cordon de soudure longitudinal superposé des deux côtés.
Un groupe d'échantillons a subi un traitement thermique pour éliminer les contraintes résiduelles après le soudage, tandis que l'autre groupe n'a pas été traité. Le test de comparaison de la résistance à la fatigue a été effectué à l'aide de trois coefficients caractéristiques de cycle de contrainte, r = -1, 0 et +0,3.
Sous charge alternée (r = -1), la résistance à la fatigue de l'échantillon avec contrainte résiduelle éliminée était proche de 130 MPa, tandis que l'échantillon sans élimination avait une résistance à la fatigue de seulement 75 MPa.
Sous charge pulsée (r = 0), la résistance à la fatigue des deux groupes d'échantillons était la même, à 185 MPa.
Lorsque r = 0,3, la résistance à la fatigue de l'échantillon dont la contrainte résiduelle a été éliminée par traitement thermique était de 260 MPa, légèrement inférieure à celle de l'échantillon sans traitement thermique, qui avait une résistance à la fatigue de 270 MPa.
Les principales raisons de ce phénomène sont les suivantes :
Lorsque la valeur de r est élevée, par exemple sous une charge pulsée (r = 0), la résistance à la fatigue est élevée et la contrainte résiduelle est rapidement libérée sous l'influence d'une forte contrainte de traction, ce qui réduit l'impact de la contrainte résiduelle sur la résistance à la fatigue. Lorsque r augmente jusqu'à 0,3, la contrainte résiduelle diminue encore plus sous la charge, sans avoir d'effet sur la résistance à la fatigue.
Le traitement thermique permet non seulement d'éliminer les contraintes résiduelles, mais aussi de ramollir le matériau, ce qui entraîne une diminution de la résistance à la fatigue après le traitement.
Ce test démontre l'influence de la contrainte résiduelle et des modifications du matériau causées par le cycle thermique de soudage sur la résistance à la fatigue. Il indique également que l'impact de la contrainte résiduelle de soudage sur la résistance à la fatigue d'un joint est lié aux caractéristiques du cycle de contrainte de la charge de fatigue. Lorsque la valeur caractéristique du cycle est faible, l'impact est relativement élevé.
Il a été noté précédemment qu'en raison de la contrainte résiduelle atteignant le rendement des matériaux dans une soudure structurelle, dans un joint avec un cycle de contrainte d'amplitude constante, le cycle de contrainte réel près de la soudure tombera en dessous de la limite d'élasticité du matériau, quelles que soient les caractéristiques du cycle d'origine.
Par exemple, le cycle de contrainte nominal devrait être de +S1 à -S2, avec une amplitude de contrainte de S1 + S2. Cependant, le cycle de contrainte réel dans le joint sera compris entre sy (amplitude de la contrainte à la limite d'élasticité) et SY-(S1 + S2).
Il s'agit d'un facteur crucial à prendre en compte lors de l'étude de la résistance à la fatigue des joints soudés, ce qui a conduit certains codes de conception à remplacer la caractéristique cyclique r par la plage de contraintes.
En outre, la taille de l'échantillon, le mode de chargement, le rapport des cycles de contrainte et le spectre de charge ont également un impact significatif sur la résistance à la fatigue.
L'initiation des fissures de fatigue dans les joints soudés se produit généralement à la base et à la pointe de la soudure. Si le risque d'apparition de fissures de fatigue à la racine de la soudure est contrôlé, les points les plus vulnérables des joints soudés se concentrent au niveau du pied de la soudure.
Il existe plusieurs façons d'améliorer la résistance à la fatigue des joints soudés :
① Réduire ou éliminer les défauts de soudure, en particulier les ouvertures ;
② Améliorer la géométrie du bord de la soudure et réduire le facteur de concentration des contraintes ;
③ Ajuster le champ de contraintes résiduelles de soudage pour produire un champ de contraintes résiduelles de compression. Ces méthodes d'amélioration peuvent être divisées en deux catégories, comme le montre le tableau 1.
Optimiser la processus de soudage améliore non seulement la résistance à la fatigue de la structure soudée, mais aussi sa résistance à la charge statique et les propriétés métallurgiques des joints soudés. Il existe une grande quantité de données sur ce sujet, qui ne seront pas répétées ici.
Tableau 1 - Méthodes d'amélioration de la résistance à la fatigue des structures soudées
| Méthode d'amélioration de la résistance à la fatigue d'une structure soudée | Optimisation du processus de soudage | Géométrie locale | Contrôle de la qualité | Contrôle des défauts de soudage | 1 | |
| Amélioration de la géométrie | 2 | |||||
| Processus technologique | Séquence de soudage | 3 | ||||
| Contrainte résiduelle (<0) | Traitement métallurgique du bord de la soudure | 4 | ||||
| Modélisation des cordons de soudure | Géométrie du pied de soudure | 5 | ||||
| État de l'or et du métal | 6 | |||||
| Amélioration des soudures | Géométrie locale | Usinage | Meulage de l'embout de soudure | 7 | ||
| Impact sur l'eau | 8 | |||||
| Refonte locale | Réparation du TG | 9 | ||||
| Réparation au plasma | 10 | |||||
| Contrainte résiduelle | Méthode de libération du stress | Traitement thermique | 11 | |||
| Traitement mécanique | 12 | |||||
| Chauffage local | 13 | |||||
| Méthode mécanique | Contact mécanique | Tir peignage | 14 | |||
| Martelage | 15 | |||||
| Impact des ultrasons | 16 | |||||
| soudage | Estampillage | 17 | ||||
| Compression locale | 18 | |||||
Les principales méthodes d'amélioration de la résistance à la fatigue des joints soudés sont examinées en détail dans trois parties, l'accent étant mis sur les méthodes de traitement.
1) Dressage TIG
Des études ont montré que la réparation TIG peut améliorer considérablement la résistance à la fatigue des joints soudés, tant au niveau national qu'international. Le processus consiste à utiliser Soudage TIG pour refondre la section de transition du joint soudé, créant ainsi une transition douce entre la soudure et le métal de base. Cela permet de réduire la concentration des contraintes et d'éliminer les petites non métallique des inclusions de scories, ce qui améliore la résistance à la fatigue du joint.
Le pistolet de soudage est généralement placé à une distance de 0,5 à 1,5 mm de la pointe de soudage pendant le processus de réparation, et la zone refondue doit être maintenue propre. Un léger meulage préalable permet d'améliorer les résultats.
Il est essentiel de gérer correctement le processus de ré-arc si l'extinction de l'arc se produit pendant le refonte, car cela aura un impact sur la qualité du cordon de soudure refondu. La meilleure position pour le réarc est généralement 6 mm devant le cratère du cordon de soudure.
Récemment, la Société internationale de soudage a collaboré avec des instituts de recherche en soudage de plusieurs pays européens et du Japon pour mener une étude unifiée sur l'efficacité des méthodes visant à améliorer la résistance à la fatigue des joints. Les échantillons ont été préparés par le British Welding Research Institute.
L'étude a confirmé que la résistance nominale à la fatigue de l'assemblage après 2×106 a augmenté de 58% à la suite de ce traitement. Cette valeur nominale de résistance à la fatigue de 211MPa correspond à une valeur caractéristique (indice K) de 144MPa. Elle dépasse la valeur FAT la plus élevée dans le détail de la résistance à la fatigue des joints établie par la Société internationale de soudure.
2) Usinage
L'usinage de la surface de la soudure peut réduire considérablement la concentration des contraintes et améliorer la résistance à la fatigue de la soudure bout à bout. Si la soudure est exempte de défauts, sa résistance à la fatigue peut même dépasser celle du métal de base. Toutefois, l'usinage est un processus coûteux et ne doit être effectué que lorsque les avantages justifient le coût.
Dans le cas de soudures présentant des défauts importants et sans soudure de fond, la concentration de contraintes au niveau du défaut ou de la racine de la soudure est beaucoup plus importante qu'en surface, ce qui rend l'usinage inutile. S'il n'y a pas de défaut de pénétration, les fissures de fatigue ne s'amorcent pas au niveau du renfort et du pied de la soudure, mais se transfèrent à la racine de la soudure. Dans ce cas, l'usinage peut en fait réduire la résistance à la fatigue du joint.
Le meulage du bord de la soudure uniquement, plutôt que de l'ensemble du métal soudé, peut également améliorer la résistance à la fatigue du joint. Les recherches ont montré que le point d'amorçage de la fissure dans ce scénario se déplace du bord de la soudure vers le bord de la soudure. défaut de soudure.
Les essais de résistance à la fatigue effectués par Makorov, de l'ancienne Union soviétique, sur de l'acier à haute résistance (résistance à la traction σb = 1080MPa) ont montré que la résistance à la fatigue des soudures bout à bout transversales sous charge alternée était de ± 150MPa après 2×106 cycles en l'état. L'usinage de la soudure et l'enlèvement du renforcement ont augmenté la résistance à la fatigue à ± 275 MPa, équivalente à la résistance à la fatigue du métal de base. Le meulage local au niveau du bord de la soudure bout à bout a permis d'obtenir une résistance à la fatigue de ± 245 MPa, ce qui équivaut à 831 TTP3T de l'effet de l'usinage et à une amélioration de 651 TTP3T par rapport à l'état de la soudure.
Il est important de noter qu'une technique appropriée doit être utilisée pour l'usinage ou le meulage afin de garantir l'amélioration souhaitée de la résistance à la fatigue.
3) Meulage de la meule
Le meulage à l'aide d'une meule n'est peut-être pas aussi efficace que l'usinage, mais il reste une méthode utile pour améliorer la résistance à la fatigue des joints soudés. La Société internationale de soudage recommande d'utiliser une meule électrique ou hydraulique à grande vitesse (15 000 à 40 000 tours/minute), fabriquée en tungstène. Le diamètre de la meule doit être tel que la profondeur et le rayon de meulage soient égaux ou supérieurs à 1/4 de l'épaisseur de la plaque.
Des recherches récentes menées par la Société internationale de soudage ont montré que la résistance à la fatigue nominale de l'échantillon après 2 cycles a augmenté de 45% à la suite du meulage. La valeur nominale de 199 MPa de résistance à la fatigue correspond à une valeur caractéristique (135 MPa), qui est supérieure à la valeur FAT la plus élevée dans le détail de la résistance à la fatigue du joint établi par la Société internationale de soudage.
Il est important de noter que la direction du meulage doit être alignée sur la direction de la ligne de contrainte. Le meulage dans une autre direction peut laisser une entaille perpendiculaire à la ligne de contrainte, agissant comme une source de concentration de contrainte et réduisant la résistance à la fatigue de l'assemblage.
4) Méthode des électrodes spéciales
Cette méthode implique le développement d'un nouveau type d'électrode. Son métal liquide et son laitier liquide ont une mouillabilité élevée, ce qui améliore le rayon de transition de la soudure, réduit l'angle au niveau du pied de la soudure, réduit la concentration de contraintes au niveau du pied de la soudure et améliore la résistance à la fatigue du joint soudé.
Comme la réparation par soudage TIG, elle a une forte préférence pour certaines positions de soudage, en particulier le soudage à plat et le soudage d'angle, tandis que ses avantages sont considérablement réduits pour les soudages verticaux, horizontaux et à l'arc. soudage en hauteur.
1) Méthode de pré-surcharge
Lorsqu'une charge de traction est appliquée à un échantillon contenant une concentration de contraintes jusqu'à ce que la limite d'élasticité se produise au niveau de l'entaille, entraînant une certaine déformation plastique de traction, une contrainte de compression sera générée à l'endroit de la déformation plastique de traction près de l'entaille chargée après le déchargement. La contrainte de traction en dessous de la limite d'élasticité sera équilibrée dans d'autres sections de l'échantillon.
Lors des essais de fatigue ultérieurs, la plage de contraintes de l'échantillon soumis à ce traitement sera différente de celle de l'échantillon original sans précharge, et sera considérablement réduite. Cela peut améliorer la résistance à la fatigue des joints soudés.
Les recherches montrent qu'un essai de précharge est nécessaire avant la mise en service des grandes structures soudées, telles que les ponts et les réservoirs sous pression. Cela permettra d'améliorer leurs performances en matière de fatigue.
2) Chauffage local
Le chauffage local peut ajuster le champ de contraintes résiduelles dans le soudage, en générant des contraintes résiduelles de compression aux points de concentration des contraintes, ce qui peut améliorer la résistance à la fatigue du joint. Actuellement, cette méthode n'est applicable qu'aux soudures longitudinales discontinues ou aux joints comportant des plaques longitudinales raidies.
Pour les plaques d'angle à simple face, la position de chauffage se situe généralement à environ 1/3 de la largeur de la plaque à partir de la soudure. Pour les plaques d'angle à double face, la position de chauffage est le centre de la plaque. Cela génère une contrainte de compression dans la soudure, ce qui améliore la résistance à la fatigue du joint.
Différents chercheurs ont obtenu des résultats variables en utilisant cette méthode. Pour les goussets à une face, la résistance à la fatigue a augmenté de 145-150%, tandis que pour les goussets à deux faces, la résistance à la fatigue a augmenté de 70-187%.
La position du chauffage local a un impact significatif sur la résistance à la fatigue du joint. Le chauffage localisé à l'extrémité de la soudure provoque une contrainte résiduelle de compression au niveau de l'entaille et augmente la résistance à la fatigue de 53%. Cependant, un chauffage localisé au centre de l'échantillon à l'extrémité de la soudure, à la même distance de l'extrémité de la soudure, a le même effet métallographique mais produit une contrainte résiduelle de traction, ce qui donne la même résistance à la fatigue que l'échantillon non traité.
3) Méthode d'extrusion
Le mécanisme d'extrusion locale est similaire à la méthode de chauffage ponctuel, en ce sens qu'il améliore la résistance à la fatigue du joint en générant une contrainte résiduelle de compression. Cependant, son point d'action diffère et la position d'extrusion doit se situer là où une contrainte résiduelle de compression est souhaitée.
La méthode d'extrusion a un effet plus important sur les échantillons d'acier à haute résistance que sur l'acier à faible teneur en carbone.
4) Méthode de Gurnnert
Gunnert a proposé une méthode permettant d'obtenir des résultats satisfaisants en raison de la difficulté à déterminer avec précision la position et la température de chauffage dans la méthode de chauffage local. La clé de cette méthode est de chauffer l'entaille directement, plutôt que la zone environnante, à une température qui peut provoquer une déformation plastique mais qui est inférieure à la température de transformation de phase de 55°C ou 550°C, puis de la refroidir rapidement.
Le refroidissement tardif du métal sous la surface et du métal environnant qui n'est pas refroidi provoque une contraction et génère une contrainte de compression sur la surface refroidie. Cette contrainte de compression peut améliorer la résistance à la fatigue de l'élément.
Il est important de noter que le processus de chauffage doit être lent pour chauffer la couche inférieure. Gunnert recommande un temps de chauffage de 3 minutes, tandis que Harrison recommande 5 minutes.
Ohta a réussi à prévenir les fissures de fatigue dans les tuyaux d'about en utilisant cette méthode. L'extérieur du pipeline a été chauffé par induction et l'intérieur a été refroidi par circulation d'eau, ce qui a généré une contrainte de compression dans le pipeline et empêché efficacement la formation de fissures de fatigue. Après le traitement, le taux de croissance des fissures de fatigue du tuyau soudé bout à bout a été considérablement réduit et a atteint le même taux de croissance des fissures que le métal de base.
1) Méthode de martelage
Le martelage est une méthode de travail à froid qui crée une contrainte de compression sur la surface du bord de la soudure dans un joint. L'efficacité de cette méthode dépend de la déformation plastique de la surface du bord de la soudure.
En outre, le martelage peut réduire la netteté de l'entaille et donc la concentration des contraintes, ce qui entraîne une amélioration significative de la résistance à la fatigue du joint. La Société internationale de soudage recommande une pression de martelage de 5-6 Pa.
Le sommet de la tête du marteau doit être solide et avoir un diamètre de 8 à 12 mm. Il est recommandé d'utiliser quatre impacts pour assurer une profondeur de martelage de 0,6 mm.
Les recherches menées par la Société internationale de soudure montrent que pour les joints en T non porteurs, le martelage augmente la résistance à la fatigue de 54% sous 2×106 cycles.
2) Grenaillage de précontrainte
Le grenaillage de précontrainte est une autre forme de martelage et un type d'usinage par impact. L'efficacité du grenaillage de précontrainte dépend de son diamètre. Le diamètre ne doit pas être trop grand pour traiter les petits défauts, mais pas trop petit pour atteindre un certain niveau d'écrouissage. Le grenaillage de précontrainte peut généralement avoir un impact sur la surface à une profondeur de quelques millièmes de millimètre.
Les recherches montrent que le grenaillage de précontrainte peut améliorer considérablement la résistance à la fatigue des joints en acier à haute résistance, et qu'il a un effet particulièrement important sur la résistance à la fatigue des joints en acier à haute résistance. soudage à l'arc sous argon les matériaux en acier à haute résistance, surpassant même la réparation TIG. L'utilisation du grenaillage de précontrainte peut également renforcer l'impact de la réparation par fusion TIG.
Ces dernières années, l'impact ultrasonique a été développé comme moyen d'améliorer la résistance à la fatigue des joints et structures soudés. Son mécanisme est similaire à celui du martelage et du grenaillage de précontrainte.
Cependant, l'impact ultrasonique présente des avantages tels que la légèreté, un bon contrôle, une utilisation flexible et pratique, un bruit minimal, une grande efficacité, moins de restrictions d'application, un faible coût et une bonne efficacité énergétique. Il convient à tous les types de joints et constitue une méthode efficace pour améliorer la résistance à la fatigue des joints soudés après le soudage.
Des études ont été menées à l'aide d'un traitement par impact ultrasonique sur des joints d'about et des joints d'angle longitudinaux non porteurs de divers aciers de construction soudés typiques. Des essais de fatigue comparatifs ont ensuite été effectués sur les joints tels que soudés et traités par impact. Les résultats, présentés dans le tableau 2, indiquent que la résistance à la fatigue des joints soudés a augmenté de 50-170% après le traitement par impact ultrasonique.
Tableau 2 Comparaison de la résistance à la fatigue avant et après le traitement par impact ultrasonique
| Matériau et forme du joint | Résistance à la fatigue Ds / MPa | Augmenter le degré (%) | |
|---|---|---|---|
| Tel que soudé | État de choc | ||
| Q235B (R= 0,1) - joint d'about | 152 | 230 | 51 |
| SS800 (R= 0,05) - joint de bout en bout | 306 | 101 | |
| 16Mn (R = 0,1) - joint d'extrémité | 285 | 88 | |
| Q235B (R=0,1) - joint d'angle longitudinal | 104 | 200 | 92 |
| SS800 (R=0,05) - joint d'angle longitudinal | 279 | 168 | |
| 16Mn (R=0,1) - joint d'angle longitudinal | 212 | 104 | |
4.2.1 PPrincipe et développement de l'amélioration de la résistance à la fatigue des joints soudés
La contrainte de compression peut améliorer la résistance à la fatigue des joints soudés, ce qui a été largement discuté dans la littérature. Toutefois, la difficulté réside dans la manière d'introduire facilement une contrainte de compression dans les joints soudés.
Il est bien connu que la composition chimique, la teneur en alliages et la vitesse de refroidissement peuvent entraîner différents changements microstructuraux au cours du processus de refroidissement des matériaux en fer et en acier. Ces transformations structurelles s'accompagnent d'une expansion du volume, qui peut créer une contrainte de transformation de phase lorsqu'elle est limitée, conduisant à une contrainte de compression.
Pour le métal soudé, cela réduit la contrainte résiduelle de traction et entraîne même une contrainte résiduelle de compression, améliorant ainsi les propriétés mécaniques des joints soudés.
L'électrode de soudage à basse température de transformation (LTTE) est une nouvelle électrode de soudage à basse température de transformation (LTTE). matériel de soudage qui utilise la contrainte de transformation de phase pour produire une contrainte de compression dans les joints soudés et améliorer leur résistance à la fatigue.
Dès les années 1960, des experts en soudage de l'ex-Union soviétique ont proposé la méthode de la transformation en phase basse soudage par points pour améliorer la résistance à la fatigue des structures soudées, bien que le terme "bande de soudage par points à faible transformation de phase" n'ait pas été utilisé à l'époque et qu'il ait été simplement désigné comme une électrode spéciale.
Le revêtement composition métallique se compose principalement de 3-4% Mn pour réduire la température de transformation de la phase et réaliser la transformation métallurgique de la phase. La littérature suggère que la résistance à la fatigue des petits spécimens après le surfaçage avec ces électrodes spéciales est 75% plus élevée que sans surfaçage.
Récemment, le développement de l'acier à très faible teneur en carbone et l'utilisation du Cr et du Ni pour abaisser la température de transformation martensitique du métal déposé dans les matériaux de soudage ont permis de réaliser des progrès rapides dans le domaine des bandes de soudage par points à faible transformation.
Le Japon et la Chine ont tous deux mené des recherches approfondies dans ce domaine, bien qu'elles en soient encore au stade du laboratoire.
4.2.2 Effet de l'électrode LTTE sur l'amélioration de la résistance à la fatigue
L'école des matériaux de l'université de Tianjin a conçu et optimisé l'électrode de soudage à basse température de transformation (LTTE) et a mené des essais de fatigue approfondis et des essais de performance de processus sur divers joints soudés.
(1) La méthode des LTTE
L'électrode de soudage à basse température de transformation (LTTE) et l'électrode ordinaire E5015 ont été utilisées pour souder le joint transversal, le joint transversal non porteur, le joint d'angle longitudinal circonférentiel, le joint longitudinal parallèle, le joint d'angle longitudinal, le joint d'angle longitudinal et le joint d'angle longitudinal. joint soudé d'angleet les joints longitudinaux, respectivement. Un essai comparatif de fatigue a été réalisé.
Les résultats indiquent que la résistance à la fatigue du joint LTTE de la tache à changement de phase baguette de soudure était supérieure de 11%, 23%, 42%, 46% et 59% à celle de l'électrode ordinaire E5015. La durée de vie en fatigue a été augmentée de plusieurs fois à des centaines de fois.
Tableau 3 Effet d'amélioration de la résistance à la fatigue de différents types de joints soudés
| Type d'électrode | Joint transversal | Joint transversal non porteur | Soudure d'angle longitudinale et circonférentielle | Soudure d'angle longitudinale parallèle | Joint d'about longitudinal |
|---|---|---|---|---|---|
| E5015 baguette de soudure | 176.9 | 202.1 | 167.0 | 182.7 | 179.4 |
| Électrode LTTE | 157.8 | 164.8 | 118.3 | 124.9 | 113.0 |
| Degré d'amélioration | 11% | 23% | 41% | 47% | 58% |
| Concentration des contraintes | Léger K1 | Moyen K2 | Forte K3 | Particulièrement fort N4 | K4 particulièrement fort |
| Degré de contrainte | Petit grand | ||||
Étant donné que l'électrode de soudage à basse température de transformation (LTTE) crée une contrainte de compression résiduelle due à l'expansion du volume de la transformation martensitique à une température plus basse, l'ampleur de la contrainte de compression résiduelle est étroitement liée à la contrainte du joint soudé.
Plus le joint soudé est contraint, plus la contrainte de compression résiduelle est importante et plus l'amélioration de la résistance à la fatigue est significative.
(2) Méthode de dressage LTTE pour le soudage par points à faible transformation de phase
Cependant, l'ajout d'un plus grand nombre de éléments d'alliage Le coût de l'électrode de soudage à basse température de transformation (LTTE) augmente considérablement si l'on veut que les matériaux de soudage atteignent la transformation martensitique à une vitesse de refroidissement normale et à basse température. Si toutes les soudures d'une structure soudée sont réalisées avec des matériaux de soudage à faible changement de phase, le coût global de la structure sera également beaucoup plus élevé, ce qui la rendra économiquement irréalisable.
Il est bien connu que la fracture de fatigue dans les joints soudés se produit généralement au niveau du bord de la soudure. Si une contrainte de compression résiduelle est générée au niveau du bord de la soudure, la résistance à la fatigue du joint soudé peut être améliorée sans utiliser toutes les bandes de soudage par points à faible changement de phase, ce qui permet de réduire le coût des matériaux.
Avec cette idée en tête, l'université de Tianjin a proposé la méthode de l'enrobage de l'électrode de soudage à basse température de transformation (LTTE) pour améliorer la résistance à la fatigue des joints soudés, en se basant sur des résultats expérimentaux. La résistance à la fatigue du dressage LTTE et des joints soudés à l'électrode ordinaire a été comparée à l'aide de deux types de joints transversaux non porteurs et de joints d'angle longitudinaux circonférentiels. La résistance à la fatigue des premiers était respectivement supérieure de 19,91 TTP3T et de 41,71 TTP3T à celle des seconds, ce qui prouve la faisabilité et l'utilité de l'idée.
Cette recherche préliminaire fournit une application plus raisonnable de l'électrode de soudage à basse température de transformation (LTTE) dans la pratique de l'ingénierie.
Dans le même temps, le joint de dressage des orteils de l'électrode de soudage à basse température de transformation (LTTE) peut également refléter son application dans les soudures de recouvrement et les cordons de soudure de recouvrement proches des orteils.
4.2.3 Advantages et inconvénients de la bande de soudage par points à faible changement de phase
Avantage :
(1) La méthode de l'électrode de soudage à basse température de transformation (LTTE) est appliquée pendant le processus de soudage, ce qui élimine la nécessité d'un traitement post-soudage.
(2) La méthode LTTE ne nécessite pas de compétences particulières, ce qui la rend simple et pratique à utiliser.
(3) L'utilisation d'électrodes de soudage à basse température de transformation (LTTE) permet d'améliorer la résistance à la fatigue des joints soudés. Comme elle n'est pas affectée par les effets thermiques des cordons de soudure ultérieurs, elle est bien adaptée à l'amélioration de la résistance à la fatigue des soudures cachées, des soudures couvertes, des soudures arrière de la soudure unilatérale et d'autres soudures qui ne peuvent pas être traitées après le soudage.
(4) L'électrode LTTE peut également être utilisée pour réparer les fissures de fatigue dans les structures soudées.
Inconvénients :
L'ajout d'éléments d'alliage aux matériaux de soudage augmente le coût des électrodes de soudage à basse température de transformation (LTTE), mais cette augmentation peut être compensée par l'utilisation de l'apprêt LTTE et d'autres méthodes.
En conclusion, les exigences en matière de capacité de charge dynamique pour les structures soudées ont augmenté car elles sont utilisées pour des charges lourdes et à grande vitesse. Par conséquent, le développement et l'utilisation de nouvelles technologies visant à améliorer la résistance à la fatigue des joints soudés sont essentiels pour une application plus large des structures soudées.
La technologie de l'impact ultrasonique et l'utilisation d'électrodes de soudage à basse température de transformation (LTTE) pour améliorer la résistance à la fatigue des joints soudés sont des axes de recherche importants dans le domaine de l'amélioration des performances en fatigue et du processus des structures soudées.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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