Avec les progrès continus dans le domaine du traitement des matériaux métalliques et des techniques de construction, les structures en acier deviennent de plus en plus courantes dans l’ingénierie moderne des ponts en raison de leur grande résistance, de leur bonne ductilité, de leur excellente efficacité de construction et de la facilité de normalisation et d’automatisation de leur production. Dans la fabrication et l’installation de ponts à structure en acier, la technologie de soudage, qui est un moyen important de raccorder les composants en acier, est largement utilisée dans le traitement et le formage de pièces clés telles que les poutres, les nœuds et les caissons.
Cependant, les températures locales élevées pendant le soudage et le refroidissement irrégulier qui s’ensuit peuvent facilement induire des contraintes résiduelles de soudage au sein des composants, entraînant une série de dangers cachés tels que la déformation structurelle, la fissuration et une réduction de la durée de vie en fatigue, affectant gravement la sécurité de service et la durabilité du pont. À cette fin, cet article explore systématiquement les technologies de prévention et de contrôle des contraintes résiduelles de soudage dans les ponts à structure métallique sous trois aspects : la conception structurelle, le procédé de fabrication et le traitement après soudage. Parallèlement, il présente également des mesures spécifiques et des scénarios applicables pour la relaxation des contraintes par des méthodes telles que le traitement thermique, les vibrations mécaniques et le martelage lorsque les contraintes résiduelles sont déjà formées.
Pour plus d’informations sur la définition des contraintes de soudage et leurs manifestations en production, il est recommandé de lire l’article précédent : Analyse des problèmes de contraintes et de déformations de soudage dans les ponts à structure métallique.
Les principales idées pour prévenir et contrôler le stress de soudage
Lors de la conception initiale
des composants en acier, les techniciens doivent tenir compte de la situation réelle et sélectionner les méthodes appropriées pour réduire le nombre et le type de soudures dans la structure. Plus précisément, chaque soudure éliminée réduit une source correspondante de contraintes résiduelles. Des soudures plus petites réduisent la zone chauffée pendant le soudage ; à l’inverse, des soudures trop grandes augmentent la zone chauffée pendant le soudage. Cela entraîne non seulement une déformation des composants, mais augmente également significativement les résidus de soudure dans les zones de déformation plastique. Par conséquent, pour éviter une concentration excessive de soudures, il est important de maintenir une certaine distance entre elles.
De plus, une concentration excessive des soudures dans un composant peut entraîner une répartition inégale des contraintes et des concentrations potentiellement complexes. Il est important de noter qu’une rigidité élevée des joints soudés peut induire des contraintes de retenue importantes pendant le soudage, augmentant ainsi le risque de fissuration. Par conséquent, la solution évidente consiste à utiliser des joints soudés de rigidité plus faible afin d’éviter les contraintes résiduelles longitudinales et transversales .
Concernant le procédé de soudage des composants en acier, les services techniques doivent adopter une séquence d’appariement et de soudage raisonnable. Une séquence d’assemblage correcte garantit que chaque soudure du composant présente une dilatation libre maximale après soudage. Il est à noter que lors du soudage sur le même plan d’un composant, un espace libre doit être laissé pour la dilatation libre, tant horizontalement que verticalement. Par exemple, pour les soudures bout à bout, une séquence de soudage appropriée (souder d’abord les soudures courtes, puis les soudures longues) assure une dilatation ordonnée des soudures et réduit les contraintes résiduelles. De plus, les soudures à retrait important doivent être soudées en premier, suivies de celles à retrait faible. Cela s’explique principalement par le fait que les soudures soudées en premier présentent une moindre résistance au retrait, ce qui entraîne une contrainte résiduelle moindre.
Pour le soudage de poutres en I avec couvercles, la soudure bout à bout sur le couvercle doit être soudée en premier, suivie des soudures d’angle entre la poutre en I et le couvercle. En effet, les soudures d’angle se rétractent moins après soudage que les soudures bout à bout. Lors du soudage de soudures fortement sollicitées, comme les grandes poutres en I, la soudure bout à bout sollicitée doit être soudée en premier, suivie de la soudure bout à bout non sollicitée, et enfin de la soudure d’angle réservée. De plus, lors du soudage de soudures à plans croisés, d’importantes contraintes résiduelles sont facilement générées aux intersections, ce qui sollicite davantage la séquence de soudage du chef d’équipe.
De plus, avant le soudage, le composant doit être chauffé, partiellement ou entièrement, à une certaine température (valeur de référence de 150 °C à 300 °C). Pour les matériaux métalliques cassants ou relativement rigides, un préchauffage est généralement recommandé. Le soudage à froid (avec un apport de chaleur minimal) peut également être utilisé. Cette méthode réduit l’écart de température entre la soudure et le reste du composant en minimisant la surface chauffée. Enfin, lors du soudage, il est important de minimiser les contraintes de soudure. En effet, les soudures fermées subissent généralement des contraintes importantes, et les contraintes de traction résultantes dans les directions transversale et longitudinale sont élevées, ce qui favorise la formation de fissures. Par conséquent, pour réduire les contraintes résiduelles, les soudeurs doivent prendre des mesures pour minimiser la contrainte des soudures fermées.
Choix de la méthode de soudage :
selon la théorie ci-dessus, pour éviter les contraintes résiduelles lors du soudage des composants, les soudeurs devraient privilégier des méthodes de soudage à haute densité d’énergie pendant le processus de soudage. L’énergie de la ligne de soudage de ces soudeurs est relativement faible, et les contraintes de soudage générées sont également très faibles :
- Soudage par faisceau d’électrons
- Soudage au laser
- Soudage à joint étroit
Dans les procédés de fabrication généraux, le soudage sous protection gazeuse CO₂ est de plus en plus utilisé, non seulement pour son rendement élevé, mais aussi pour sa capacité à minimiser la déformation de la soudure. Pour le soudage de composants en tôle mince, le soudage à l’arc sous gaz inerte pulsé au tungstène ou le soudage par résistance peuvent être utilisés pour éviter le flambage. En l’absence de méthodes à faible consommation d’énergie, un refroidissement direct par eau ou par air peut être utilisé pour modifier la distribution du champ thermique. Cette approche minimise la déformation de la soudure sans compromettre les spécifications de soudage.
Solutions pour éliminer le stress du soudage
Comme on le sait, en raison de la complexité du soudage, d’importantes contraintes résiduelles peuvent subsister dans les composants en acier après soudage. Certaines structures sont également susceptibles de développer des contraintes résiduelles lors de l’assemblage, ce qui affecte inévitablement les performances des composants en acier. La nécessité d’un traitement de relaxation des contraintes après soudage est généralement déterminée par une analyse complète des propriétés des matériaux, du procédé de fabrication et de l’historique opérationnel du composant. Cet article ne présente que les méthodes courantes d’élimination et de prévention des contraintes résiduelles.
Traitement thermique :
il s’agit d’une méthode courante en métallurgie, éliminant les contraintes résiduelles par des moyens volumique, superficiels ou chimiques. À l’origine, les effets thermiques étaient utilisés pour atténuer la déformation et les contraintes résiduelles avant et pendant le soudage afin de remédier aux déformations structurelles causées par le soudage de panneaux à parois minces. Les méthodes de préchauffage avant soudage des composants en acier comprennent le chauffage volumique dans un four, le chauffage localisé par infrarouge lointain, le chauffage localisé à fréquence industrielle et le chauffage à la flamme. Ces méthodes consistent à chauffer la zone autour du cordon de soudure à une température spécifique par diverses méthodes, puis à maintenir cette température et à permettre un refroidissement lent et naturel.
Grâce aux progrès technologiques constants, la production moderne de ponts en acier utilise principalement deux méthodes pour éliminer les contraintes résiduelles de soudage : le traitement thermique global et le traitement thermique localisé. Le traitement thermique consiste à chauffer lentement l’ensemble de la pièce en acier dans un four à une température spécifique, à la maintenir pendant un certain temps, puis à la laisser refroidir naturellement dans le four. En général, l’efficacité de l’élimination des contraintes résiduelles de soudage par traitement thermique global est nettement supérieure à celle du traitement thermique localisé. Cependant, pour les pièces en acier de grande taille qui ne peuvent pas être soumises à un traitement thermique global, le traitement thermique localisé est plus adapté. Cela dépend principalement de la température de chauffage, du temps de maintien, de la vitesse de refroidissement, du mode de chauffage et de la plage de chauffage de la pièce, éliminant généralement 50 % à 70 % des contraintes résiduelles de soudage.
Le procédé de recuit après soudage est fréquemment utilisé dans la fabrication d’appareils sous pression et de pipelines, mais rarement appliqué aux grandes structures de génie civil telles que les ponts en acier. Généralement, les unités standard sont placées dans de grands fours de recuit pour le traitement thermique, ce qui réduit considérablement les contraintes résiduelles dans les joints soudés. Des recherches indiquent que l’ajout de deux sources de chauffage mobiles de chaque côté du pistolet de soudage pour chauffer la zone proche du cordon de soudure, et la création d’un champ de température uniforme pendant le refroidissement de la zone de fusion et du matériau de base adjacent, peuvent réduire la formation de contraintes résiduelles. Les résultats montrent que la contrainte résiduelle maximale parallèle au sens du cordon de soudure a été réduite d’environ 21 %. De même, l’utilisation d’une technologie de chauffage parallèle pour effectuer un traitement thermique après soudage sur la soudure près de la zone de soudure a montré que la contrainte résiduelle dans le sens parallèle à la soudure a diminué d’environ 37 %. Par conséquent, bien que les dispositifs de chauffage locaux mobiles puissent contrôler efficacement la déformation du cordon de soudure, les résultats indiquent que leur effet sur l’élimination des contraintes résiduelles est négligeable.
En 2014, un spécialiste a initialement utilisé un dispositif de chauffage linéaire pour chauffer la zone du cordon de soudure sur la surface supérieure d’un tablier de pont en acier à 625 °C et maintenir cette température pendant trois heures. Les résultats des essais ont montré une réduction significative des contraintes résiduelles parallèles au cordon de soudure. Le spécialiste a également utilisé un dispositif de chauffage en céramique en forme de feuille pour chauffer un seul échantillon de nervure en U à 600 °C et maintenir la température pendant une heure. Des résultats expérimentaux similaires ont été obtenus, démontrant que le traitement thermique réduisait significativement les contraintes résiduelles dans le cordon de soudure entre la plaque supérieure et la nervure en U. Par ailleurs, afin d’étudier les effets du chauffage et du refroidissement sur les propriétés mécaniques de l’acier des ponts, un laboratoire de soudage britannique a mené une série d’essais supplémentaires. Les résultats n’ont montré pratiquement aucune modification du module d’élasticité, de la limite d’élasticité et de la résistance à la traction ultime du matériau. L’utilisation d’un dispositif de chauffage par induction haute fréquence pour chauffer localement le pied de soudure réduit les contraintes résiduelles de près de 90 %. Les résultats des essais de fatigue montrent une amélioration significative de la durée de vie en fatigue à amplitude de contrainte identique.
En résumé, le traitement thermique après soudage (TPS) est une méthode hautement efficace, éprouvée et facilement industrialisable pour éliminer les contraintes résiduelles de soudure. Il a un impact significatif sur la tenue à la fatigue des soudures critiques dans les soudures intégrales des structures de pont en acier.
Le martelage mécanique
consiste à impacter mécaniquement le pied de soudure pour induire une déformation plastique, ce qui compense une partie de la pression et de la déformation plastique, réduisant ainsi les contraintes résiduelles de soudure. Ses méthodes de production incluent généralement le martelage, le grenaillage et le sablage. De nombreuses études ont été menées sur cette méthode, tant au niveau national qu’international. Les recherches de Borg et al. ont démontré la présence d’un champ de contraintes résiduelles de compression à la surface des éprouvettes martelées. De plus, des résultats expérimentaux réalisés par des chercheurs américains indiquent que le nombre de cycles de chargement pour l’amorçage et la propagation des fissures dans les matériaux d’essai martelés est significativement augmenté. De plus, Yamada a découvert que les fissures de martelage créent un champ de contraintes résiduelles de compression qui non seulement ferme les fissures existantes, mais améliore également la résistance à la fatigue.
Cependant, en raison de la structure complexe et des nombreuses soudures des tabliers de pont en acier, il est actuellement difficile de marteler chaque soudure dans des structures complexes lors de la fabrication de tabliers de pont en acier. Une pratique de longue date a montré que cette technique exige non seulement une grande compétence et une grande expérience de l’opérateur, mais qu’elle est également sensible aux paramètres de forme de la tête du marteau, ce qui la rend difficile à adapter à toutes les conditions et à tous les composants en acier.
La méthode des composants vibrants
utilise le vieillissement vibratoire pour éliminer les contraintes résiduelles des soudures lors de la fabrication de composants en acier. Son efficacité dépend du vibrateur, de l’emplacement du point d’appui du composant, de la fréquence et de la durée des vibrations. Ainsi, pour les composants en acier rigides et complexes, des vibrations multiples à différents endroits peuvent être utilisées, la durée optimale étant de 45 minutes. De plus, cette méthode est adaptée à la vibration de composants en acier de grande taille, offrant des avantages de simplicité, de flexibilité, de gain de temps, d’économie d’énergie et de faible coût.
Méthode d’étirement par différence de températureDans la production et la fabrication de composants de structures en acier, l’étirage par différence de température est une méthode couramment utilisée pour éliminer les contraintes résiduelles de soudage. Son principe est essentiellement le même que celui de l’étirage mécanique. La principale méthode consiste à utiliser un pistolet à flamme pour chauffer les deux faces de la soudure, élevant ainsi la température de surface à un niveau spécifique. Parallèlement, une buse de pulvérisation d’eau est utilisée derrière le pistolet à flamme pour le refroidissement. Cela crée un champ thermique spécifique où les températures des deux faces du composant sont élevées, tandis que celles de la soudure et de la zone affectée thermiquement sont basses. Il est important de noter que la zone de chauffage et la température doivent être contrôlées de manière appropriée pour éliminer et prévenir efficacement les contraintes résiduelles dans les composants en acier causées par le soudage.
Conclusion
En résumé, les contraintes résiduelles de soudage constituent un risque structurel important lors de la fabrication des ponts en acier. Leurs mécanismes de génération sont complexes et leurs manifestations diverses. Elles peuvent non seulement entraîner des écarts géométriques au niveau des composants et des difficultés d’assemblage, mais aussi avoir un impact direct sur la portance et la durée de vie des ponts en acier. Par conséquent, le développement d’une solution systématique et efficace de contrôle des contraintes résiduelles de soudage, de la conception à la fabrication, et de la prévention et du contrôle à la détente post-contrainte, est crucial pour garantir la sécurité et la durabilité des structures de pont.
À titre préventif, l’optimisation de la conception structurelle, l’organisation rationnelle des séquences de soudage et le choix de méthodes de soudage et de procédés de préchauffage appropriés peuvent minimiser la formation et l’accumulation de contraintes de soudage à la source. Concernant la détente des contraintes, des méthodes telles que le traitement thermique post-soudage, grâce à sa technologie éprouvée et efficace, ainsi que le martelage mécanique, le vieillissement vibratoire et l’étirement différentiel de température, avec leurs options de traitement localisé pratiques et applicables, présentent toutes un potentiel considérable.
À l’avenir, avec la diversification des structures de ponts en acier et l’amélioration continue des exigences de précision de fabrication, les technologies de contrôle des contraintes résiduelles de soudage continueront d’évoluer vers des approches plus efficaces, plus intelligentes et plus contrôlables. En bref, en tant qu’expert mondial en bâtiments préfabriqués, grâce à notre recherche théorique et à notre pratique d’ingénierie professionnelles, le système de contrôle qualité du soudage des ponts uniques de XTD Steel Structure continuera d’offrir à nos clients des services complets !
