Avec l’avancement continu des technologies de construction de ponts, les structures en acier se sont imposées comme une solution essentielle dans l’ingénierie moderne de pont en Structure d’acier, grâce à leur résistance élevée, leur légèreté et leur haut degré d’automatisation.
Lors de la fabrication et de l’assemblage des structures métalliques, le soudage — en tant que procédé de fabrication principal — est largement utilisé pour la production de composants clés tels que les poutres en acier, les treillis et les plaques d’assemblage. L’efficacité et la qualité du soudage déterminent directement le calendrier de production, les coûts de fabrication, ainsi que les dépenses de maintenance à long terme et la durée de vie globale du pont en Structure d’acier.
Cependant, les températures élevées générées pendant le soudage et l’impact environnemental sur la vitesse de refroidissement entraînent inévitablement des contraintes résiduelles et des déformations.
Les contraintes de soudage désignent les tensions internes dues à l’expansion et à la contraction thermiques dans le cordon et la zone affectée par la chaleur. La déformation de soudage apparaît lorsque les conditions de fabrication ne répondent pas pleinement aux normes, se manifestant par des écarts dimensionnels ou géométriques. Dans la fabrication et l’installation des grands composants d’un pont en Structure d’acier, ces problèmes peuvent affecter sérieusement la précision dimensionnelle et la stabilité structurelle, entraînant des pertes économiques importantes.
Ces dernières années, avec l’utilisation accrue du soudage pour les joints complexes dans la production de ponts, le contrôle scientifique du stress et de la déformation pendant la soudure, ainsi que l’amélioration des procédés et des traitements post-soudage, sont devenus des domaines clés dans l’industrie de la fabrication de structures en acier.
Heureusement, **XTD Steel Structure** s’est engagée à améliorer la qualité du soudage dès la production des poutres caissons en acier pour le projet du pont Dongfeng sur l’autoroute Zhongjiang, dans la province du Guangdong. Nous avons appliqué des procédés de soudage perfectionnés dans la fabrication de ponts tels que le Shunxing et le Hutong à Foshan, améliorant considérablement la durabilité et la performance structurelle de chaque pont en Structure d’acier.
Normes et exigences de contrôle qualité du soudage
Normes de contrôle des contraintes et des déformations dans la production :
Le contrôle du stress et de la déformation est une exigence essentielle de qualité dans la production de ponts en structure d’acier.
Selon les « Spécifications pour la fabrication et l’installation des ponts en structure d’acier pour autoroutes » (JTG/T 3651-2022), l’article 7.2.5 stipule que la température de préchauffage avant le soudage doit être déterminée par un essai de qualification de procédure. La zone de préchauffage doit s’étendre sur 1,5 fois l’épaisseur de la plaque de chaque côté du joint, et ne pas être inférieure à 100 mm, la température étant mesurée à 30–50 mm du cordon.
L’article 7.2.7 précise que les points de soudure doivent être exempts de défauts tels que fissures, inclusions de scories ou irrégularités, et que les cratères d’arc doivent être remplis.
Pour les soudures fissurées, il faut identifier les causes avant suppression et ajouter des soudures correctives tout en respectant les dimensions.
Après soudage, les plaques guides et d’essai doivent être découpées au gaz et polies sans endommager le matériau de base.
Les défauts de soudure doivent être éliminés par gougeage à l’arc de carbone ou par des méthodes mécaniques, sur 50 mm au-delà de la fissure.
Un chanfrein approprié doit être préparé pour la reprise et la couche d’oxyde retirée jusqu’à révéler le métal nu.
Ainsi, après soudage, les composants en acier doivent subir une inspection visuelle, une vérification dimensionnelle et des essais de contraintes et de déformation résiduelle :
- Inspection visuelle : Les défauts tels que sous-coupes, fissures, porosités, projections ou manque de fusion ne doivent pas être présents.
- Précision dimensionnelle : La déformation du composant doit rester dans la tolérance prévue, notamment pour le gauchissement des plaques, la torsion des poutres et les écarts d’angle des soudures.
- Stabilité structurelle : Dans les zones où les contraintes sont concentrées, le niveau de stress résiduel doit être vérifié par analyse structurelle.
- Résistance à la fatigue : Pour les composants soumis à des charges alternées, l’influence des contraintes résiduelles sur la durée de vie doit être évaluée.
- Contrôle qualité (QC) : Les mesures de déformation sont effectuées avec des outils comme mètre ruban, règle et jauge après soudage.
- Essais non destructifs : La qualité du cordon est vérifiée par rayons X, ultrasons ou particules magnétiques.
- Instruments scientifiques : Analyse thermique simulée à l’aide d’équipements spéciaux pour comparer avec la répartition réelle des contraintes résiduelles.
L’évaluation scientifique des paramètres de stress et de la qualité du soudage constitue la base d’un processus de fabrication contrôlé pour tout pont en Structure d’acier.
Cette approche repose sur une analyse approfondie du mécanisme de formation des contraintes et des déformations, tenant compte de la rigidité et de la réponse thermique des différents composants.
Selon les résultats, le réglage adéquat des fixations et des contraintes joue un rôle déterminant dans la limitation de la dilatation et de la contraction thermique lors du soudage.
Analyse des causes des contraintes et déformations de soudage
L’origine des contraintes et des déformations de soudage provient des effets combinés de la déformation plastique causée par un apport de chaleur inégal et par les contraintes de structure. Les principales causes sont les suivantes :
Chauffage inégal pendant le soudage
Le soudage est un processus de chauffage et de pression. Cependant, en raison des conditions de production, la distribution de la température dans les composants en acier est souvent très inégale.
Les éléments non contraints subissent une déformation libre pendant le chauffage et le refroidissement sans générer de contraintes internes. En revanche, les composants contraints développent à la fois des contraintes internes et externes.
Lorsque les pièces peuvent se contracter librement après soudage, une certaine déformation se produit sans contraintes résiduelles.
Mais lorsque les pièces sont retenues, la déformation est réduite et les contraintes résiduelles augmentent.
Ainsi, un apport thermique inégal, dépassant la limite élastique du métal, provoque une déformation plastique et, lors du refroidissement, des contraintes et déformations résiduelles apparaissent inévitablement, affectant directement la précision structurelle du pont en Structure d’acier.
Dans la fabrication des composants, le soudage provoque une déformation plastique près du joint, suivie d’une contraction lors du refroidissement.
Un bon contrôle de cette contraction réduit la contrainte mais augmente la déformation ; un contrôle insuffisant réduit la déformation mais élève la contrainte.
En général, le soudage crée une répartition irrégulière des contraintes, avec des zones de tension résiduelle près du cordon.
Contraction du métal de soudure et changements structurels
Au fur et à mesure que le métal fondu se refroidit et se solidifie, il se contracte naturellement, provoquant une déformation et des contraintes résiduelles.
Comme le soudage se fait souvent de manière séquentielle et discontinue, les premières soudures influencent les suivantes, entraînant une accumulation de contraction.
Dans le cas d’un pont en Structure d’acier, la transformation métallurgique du matériau — comme le passage de l’austénite à la perlite ou à la bainite — modifie le volume du métal, provoquant des microdéformations et augmentant le stress résiduel.
Rigidité du composant et degré de contrainte
Pendant la fabrication, la rigidité du composant en acier a un effet direct sur le niveau de déformation après soudage.
Une rigidité élevée limite la déformation mais augmente la contrainte résiduelle ; une rigidité faible permet davantage de déformation mais réduit les contraintes.
Dans un pont en Structure d’acier, les différences de rigidité entre les parties peuvent créer des incompatibilités thermiques et des déformations asymétriques si les supports ou séquences de levage sont mal planifiés.
Séquence et direction de soudage inappropriées
Par exemple, dans un pont en Structure d’acier, prioriser les longs cordons de soudure ou omettre les recouvrements de joints fermés peut provoquer une accumulation de chaleur et de contraintes dépassant la rigidité du composant.
Une mauvaise planification des trajectoires de soudage provoque des déplacements relatifs et des déformations forcées, réduisant la précision géométrique et la performance globale du pont en Structure d’acier.
Effets possibles des contraintes et déformations de soudage
Les composants en acier subissent un transfert thermique important lors du soudage.
Lorsque la température ou le refroidissement sont inégaux, cela provoque des déformations et des contraintes résiduelles, souvent appelées « stress de soudage », pouvant causer des distorsions dans un pont en Structure d’acier.
Effet des contraintes résiduelles sur la résistance structurelle
Pendant la fabrication, les structures soudées n’éprouvent pas toujours de fortes concentrations de contraintes transitoires.
Mais si le métal est fragile, la combinaison des contraintes internes et externes peut dépasser la limite du matériau et provoquer des fissures ou ruptures soudaines.
À des températures inférieures à la température critique de fragilité du matériau, la résistance à la charge statique diminue, compromettant la sécurité du pont en Structure d’acier.
- Distorsion angulaire : La contraction inégale sur les deux côtés de la soudure crée des déformations angulaires dans les âmes, brides et joints.
- Déformation ondulée : Les panneaux de poutres caissons et les barres de treillis peuvent présenter des ondulations dues à la dilatation et contraction répétées par la chaleur.
- Désalignements d’installation : L’accumulation des déformations de soudage provoque des décalages de trous, des erreurs de hauteur ou de plaques dans le pont en Structure d’acier.
- Fissuration structurelle : Les contraintes résiduelles concentrées dans les zones affectées par la chaleur peuvent causer des microfissures et réduire la durée de vie en fatigue.
Effet sur la précision dimensionnelle
Pendant la fabrication, le soudage crée des contraintes internes dans les composants.
Lors du retrait de matière, ces contraintes se redistribuent, provoquant une déformation et compromettant la précision de l’usinage.
Ainsi, pour garantir la précision dimensionnelle, les composants soudés doivent subir un traitement de détente avant l’usinage, notamment dans les éléments d’un pont en Structure d’acier.
Effet sur la stabilité des composants
Les contraintes internes combinées aux charges de compression peuvent affecter la stabilité du pont en Structure d’acier.
Pour exploiter pleinement les propriétés du matériau, il est nécessaire d’appliquer des mesures préventives visant à limiter les déformations et les contraintes résiduelles, ainsi que des traitements thermiques ou mécaniques spécifiques sur les pièces critiques.
Conclusion
Les contraintes et déformations de soudage constituent des problèmes techniques incontournables dans la fabrication de pont en Structure d’acier.
Leur présence affecte la précision d’assemblage, la sécurité et la durée de vie des ponts.
Bien qu’il soit difficile d’éliminer complètement ces phénomènes, la normalisation et la numérisation des procédés peuvent en minimiser les effets négatifs.
Grâce à une conception scientifique et une gestion de projet rigoureuse chez **XTD Steel Structure**, l’optimisation de la structure des composants, des procédés de soudage, du contrôle thermique et des traitements post-soudage permet de maîtriser efficacement les contraintes et déformations, assurant durabilité et fiabilité de chaque pont en Structure d’acier.
