Avec les progrès constants de la technologie de construction des ponts, les structures en acier se sont imposées comme une solution essentielle dans l’ingénierie moderne des ponts en raison de leur grande résistance, de leurs propriétés légères et de leur haut degré d’automatisation. Au cours de la fabrication et de l’assemblage des structures en acier, le soudage, en tant que processus de fabrication primaire, est largement utilisé dans la production de composants clés tels que les poutres en acier, les fermes et les plaques de gousset. L’efficacité et la qualité du soudage déterminent de manière critique le calendrier de production, les coûts de fabrication, ainsi que les dépenses d’entretien à long terme et la durée de vie de l’ensemble de la structure du pont.
Cependant, les températures élevées générées lors du soudage et l’impact environnemental sur les vitesses de refroidissement génèrent inévitablement des contraintes et des déformations de soudage. Les contraintes de soudage désignent les contraintes internes causées par la dilatation et la contraction thermiques dans la soudure et sa zone affectée thermiquement environnante. La déformation de soudage survient lorsque divers facteurs lors du soudage ne respectent pas pleinement les normes de production, ce qui se traduit par des écarts par rapport à l’aspect du composant structurel conçu. Lors de la fabrication et de l’installation d’éléments de pont en acier de grande taille, ces problèmes peuvent gravement affecter la précision dimensionnelle et la stabilité structurelle des composants, entraînant diverses conséquences négatives telles qu’une baisse de la rentabilité économique.
Ces dernières années, avec l’adoption généralisée de la technologie de soudage pour les assemblages complexes et de formes spéciales dans la production d’éléments de pont, le contrôle scientifique des contraintes et des déformations pendant le soudage, ainsi que l’amélioration efficace des procédés de soudage et des mesures de traitement après soudage, sont devenus des axes d’exploration clés dans l’industrie de la fabrication de structures en acier. Heureusement, Xintiandi Steel Structure s’est engagé dans une démarche d’amélioration de la qualité du soudage, en commençant par la production de poutres-caissons en acier pour le projet de pont d’échange de Dongfeng sur l’autoroute Zhongjiang, dans le Guangdong. Nous avons constamment utilisé des procédés de soudage améliorés dans la fabrication de ponts tels que le pont Shunxing et le pont de la rivière Hutong à Foshan, améliorant considérablement la qualité du soudage et la durabilité structurelle.
Normes et exigences de contrôle de la qualité du soudage
Normes de contrôle des contraintes et des déformations dans la production de soudage :
Le contrôle des contraintes et des déformations est une exigence de qualité essentielle pour la production par soudage des structures de ponts en acier. Dans les « Spécifications pour la fabrication et l’installation des ponts routiers en acier » (JTG/T 3651-2022), l’article 7.2.5 stipule : La température de préchauffage avant soudage doit être déterminée par un essai de qualification de procédure de soudage ; la plage de préchauffage doit être égale à 1,5 fois l’épaisseur de la tôle de part et d’autre de la soudure et ne pas être inférieure à 100 mm, et la température doit être mesurée à 30-50 mm de la soudure. L’article 3 de l’article 7.2.7 stipule que les soudures par points doivent être exemptes de défauts tels que fissures, inclusions de laitier et bosses de soudure, et que les cratères d’arc doivent être comblés. En cas de soudures par points fissurées, la cause doit être identifiée avant de retirer la soudure fissurée, et des soudures par points supplémentaires doivent être réalisées en veillant au bon dimensionnement des composants. L’article 1 de la norme 7.2.12 stipule qu’une fois le soudage terminé, les plaques de guidage, les plaques d’essai ou les plaques de traitement placées aux deux extrémités de la soudure doivent être retirées par coupage au gaz, puis les coupes doivent être lissées. La découpe et le lissage ne doivent pas endommager le matériau de base. L’article 5 stipule que les défauts de soudure doivent être éliminés par gougeage à l’arc au carbone ou par d’autres méthodes mécaniques. La longueur de la fissure de soudure éliminée doit être de 50 mm à partir de l’extrémité de la fissure. Lors de l’élimination des défauts, une rainure propice à la soudure de réparation doit être rabotée et la calamine à la surface de la rainure doit être meulée à la meule pour révéler le lustre métallique.
Par conséquent, après le soudage, les pièces en acier doivent être soumises à un contrôle d’aspect, à un contrôle des dimensions géométriques et aux essais de contraintes résiduelles et de déformation nécessaires :
- Contrôle de l’apparence : les défauts de soudage courants tels que les contre-dépouilles, les fissures, les pores, les bosses de soudure, les projections et le manque de fusion ne doivent pas être présents.
- Précision dimensionnelle : la valeur de déformation du composant doit être contrôlée dans la plage d’écart admissible de conception, comprenant principalement le gauchissement de la plaque, la distorsion du faisceau et l’écart d’angle de soudure.
- Stabilité structurelle : Pour les nœuds et les zones de soudure sujets à une concentration de contraintes élevée, le niveau de contrainte résiduelle doit être contrôlé par une analyse structurelle.
- Performance en fatigue : pour les composants soudés qui sont significativement affectés par des charges alternées, les effets de la concentration de contraintes et des contraintes résiduelles sur la durée de vie en fatigue doivent être évalués et une vérification du degré de fatigue doit être utilisée.
Exigences de test dans la phase d’évaluation du processus Dans la phase de préparation de la construction, l’évaluation du procédé de soudage (WPS) doit inclure la vérification systématique de paramètres tels que l’apport de chaleur de soudage, la température de préchauffage, le nombre de couches de soudure, la direction de soudage, la vitesse de refroidissement, etc., ainsi que des tests de contrainte-déformation des éléments prototypes, qui comprennent :
- CQ : les mesures de déformation sont effectuées à l’aide d’outils tels qu’un ruban à mesurer, une règle et un ruban d’inspection de soudure après le soudage.
- Contrôle non destructif : La qualité des soudures est vérifiée à l’aide de rayons, d’ultrasons ou de particules magnétiques.
- Instruments scientifiques : Analyse de simulation thermique à l’aide d’équipements spéciaux pour comparaison avec la disposition réelle des contraintes résiduelles.
L’évaluation scientifique de la qualité de la soudure et des paramètres de contrainte constitue la base du développement d’un procédé de soudage contrôlé. Ce procédé nécessite une analyse systématique du mécanisme de contrainte et de déformation du soudage, prenant en compte les caractéristiques de déformation et la réponse en rigidité des différents composants lors du processus thermique. D’après les résultats de cette analyse, un réglage judicieux des dispositifs et des contraintes peut avoir une influence décisive sur la suppression de la dilatation et de la contraction thermiques pendant le soudage.
Analyse des causes de contrainte et de déformation de soudage
Les contraintes et déformations de soudage résultent essentiellement des effets combinés de la déformation plastique due à un apport de chaleur irrégulier et aux contraintes structurelles. Les principales causes sont les suivantes :
Chauffage inégal pendant le soudage
Le soudage est un procédé de chauffage et de pressurisation. Cependant, en raison des conditions de production, la répartition de la température entre les composants en acier pendant le soudage est extrêmement inégale. Les composants non contraints présentent une déformation libre pendant le chauffage et le refroidissement, ce qui n’entraîne aucune contrainte interne pendant le processus de chauffage. De plus, après refroidissement, la déformation et les contraintes résiduelles sont naturellement absentes. De même, les composants contraints subissent également des contraintes internes et une déformation pendant le chauffage. Les composants contraints présentent une déformation non libre, entraînant des déformations internes et externes.
Lorsque les composants sont entièrement libres de se contracter après le soudage, un certain pourcentage de déformation se produit sans générer de contraintes résiduelles. De plus, lorsque les composants sont retenus par certains dispositifs, la déformation ne se produit pas, mais des contraintes résiduelles importantes sont générées. Lorsque les composants refroidissent et se contractent insuffisamment pendant le soudage, des déformations et des contraintes résiduelles sont générées. Par conséquent, pour résumer les différentes situations décrites ci-dessus, lorsque le processus de soudage d’un composant en acier est irrégulier et que l’apport de chaleur dépasse la limite d’élasticité du matériau métallique, une déformation plastique de soudage se produit. Une fois le composant refroidi, une déformation de soudage et des contraintes résiduelles de soudage se produisent inévitablement.
Généralement, lors de la fabrication de composants en acier, la déformation du composant peut différer de sa déformation après soudage. En effet, lors du soudage, une déformation plastique se produit à proximité de la soudure et, lors du refroidissement, la zone de déformation se rétracte dans une certaine mesure. Si ce retrait post-soudage est bien maîtrisé, la déformation du composant en acier augmente et la contrainte résiduelle diminue. Inversement, si le retrait post-soudage est insuffisant, la déformation du composant en acier diminue et la contrainte résiduelle augmente. En résumé, lors de la fabrication, la contrainte générée par le soudage dans le composant en acier est à la fois irrégulière et inégale. Après soudage, une contrainte résiduelle apparaît à proximité de la soudure. Cette contrainte est généralement appelée contrainte résiduelle de traction post-soudage.
Retrait du métal soudé des composants et changements organisationnels
Avec le refroidissement naturel du métal dans la soudure de l’élément en acier, c’est-à-dire lors de sa transformation progressive de l’état liquide à l’état solide, le volume de la soudure se rétracte naturellement, ce qui entraîne sa déformation. Parallèlement, des contraintes résiduelles subsistent dans la soudure. Lors du soudage, la formation de la soudure suit un ordre séquentiel ; les opérateurs sont limités par les équipements et les facteurs environnementaux peuvent ne pas assurer une soudure parfaitement continue. Dans ce cas, la première soudure affecte et modifie la soudure après sa formation, ce qui entraîne un retrait global de la soudure, ce qui entraîne généralement une déformation de la soudure et la formation de contraintes résiduelles.
De plus, lorsque l’organisation interne du matériau du composant change, des déformations et des contraintes de soudage se produisent également. Le volume du métal dans la zone de soudure varie entre la fusion et la solidification et, surtout, sa structure organisationnelle passe de l’austénite à la perlite ou à la bainite. Ce processus de transition de phase s’accompagne d’un retrait réticulaire, ce qui entraîne la formation de micro-déformations qui se superposent aux contraintes thermiques pour former les contraintes résiduelles totales. Si, à l’avenir, la recherche progresse, l’industrie développera des matériaux métalliques nanométriques, notamment grâce au renforcement des grains fins, afin d’améliorer considérablement les propriétés mécaniques globales des composants.
Rigidité de l’élément et degré de changement de contrainte
Lors du processus de fabrication, la rigidité de la structure en acier elle-même varie en raison de la déformation post-soudage, et les contraintes résiduelles ont un impact important. Lorsque la rigidité du composant en acier augmente, la déformation après soudage est relativement faible ; lorsque la rigidité est insuffisante, la déformation après soudage est relativement importante et les contraintes résiduelles très faibles.
D’autre part, le degré de contrainte de l’élément en acier aura également des effets sur celui-ci. Lorsque le degré de contrainte est élevé, la déformation de l’élément après soudage est très faible et la contrainte produite par le soudage est très importante. Lorsque la contrainte est faible, la déformation du composant après soudage est relativement marquée, mais la contrainte résiduelle du composant après soudage est très faible.
Lors du processus de production, lorsque la rigidité des différentes pièces d’un élément en acier varie significativement, la coordination des dilatations et contractions thermiques devient difficile. Dans ce cas, les extrémités contraintes restent immobiles, tandis que l’extrémité libre se contracte, créant un système de forces internes auto-équilibrées dans l’élément. Cependant, un réglage inapproprié du support fixe ou une séquence de levage incorrecte peut entraîner un renforcement artificiel de la contrainte dans une certaine direction, ce qui peut entraîner une déformation asymétrique et des conséquences néfastes.
Séquence et direction de soudage incorrectes
Une organisation irrationnelle de la séquence de soudage peut entraîner une concentration excessive des contraintes et une répartition inégale de l’apport de chaleur, ce qui peut entraîner une déformation irréversible. Par exemple, des déformations et des contraintes résiduelles peuvent survenir lorsque les ouvriers privilégient les soudures longues aux soudures courtes, ou lorsqu’ils ne parviennent pas à souder l’extrémité d’une soudure annulaire fermée pendant le soudage. En effet, la rigidité structurelle du composant peut limiter temporairement la déformation initiale ; à mesure que le soudage se poursuit, la température élevée engendrée par la superposition des contraintes rompt la rigidité du composant lui-même, entraînant une déformation permanente.
Il convient de souligner que, dans les nœuds spatiaux, les assemblages en T ou les assemblages transversaux multidirectionnels, ainsi que dans d’autres pièces complexes, les zones affectées thermiquement de la soudure, dans différentes directions, sont très susceptibles d’interférer. La microstructure du métal dans cette zone se modifie, ce qui réduit sa résistance. Par conséquent, une mauvaise disposition des trajectoires et des directions de soudage peut entraîner des problèmes tels que des conflits de contraintes, des déplacements relatifs et des déformations obligatoires, réduisant ainsi considérablement la précision géométrique et la résistance aux contraintes de la structure.
Effets possibles de la contrainte et de la déformation du soudage
Les composants en acier utilisés dans le procédé de soudage sont affectés par le transfert thermique. Lorsque la température n’est pas uniforme, les temps de chauffage ou de refroidissement locaux ne sont pas cohérents, ce qui entraîne une déformation des composants en acier. Une dilatation thermique inégale des éléments en acier et des séquences de refroidissement irrégulières peuvent entraîner une déformation de la barre. Ces contraintes sont généralement qualifiées de contraintes résiduelles de soudage par les universitaires. En raison de l’irrégularité des temps de soudage et de refroidissement, la transition de soudure est dense et la chaleur générée à certains endroits est importante, ce qui entraîne une déformation de la soudure.
Effet des contraintes résiduelles de soudage sur la résistance structurelle des éléments en acier
Lors du processus de fabrication, les structures soudées ne subissent pas de concentrations de contraintes transitoires. Dans ce cas, le métal composant présente une certaine capacité de déformation plastique, et la contrainte de soudage n’affecte généralement pas la résistance à la charge statique du composant. Lorsque le métal composant est cassant, la contrainte de traction interne et la contrainte de traction externe qui en résultent peuvent se combiner pour augmenter la contrainte. Au-delà d’un certain niveau de contrainte, une défaillance structurelle est possible et le composant peut se fracturer à tout moment. Lorsque le composant est utilisé à une température inférieure à la température critique de fragilité du matériau pendant le soudage, la combinaison des contraintes de traction et internes peut réduire sa résistance à la charge statique.
Voici quelques causes et effets de la déformation par soudage :
- Distorsion angulaire : Un retrait irrégulier dû aux gradients de température de part et d’autre de la soudure peut facilement entraîner une distorsion angulaire au niveau des brides, des âmes et des joints. Par exemple, si le soudage double face n’est pas effectué de manière uniforme et symétrique, le retrait latéral pendant le soudage peut provoquer un gauchissement des tôles, affectant gravement l’assemblage des composants.
- Déformation et distorsion ondulatoires : Les panneaux de poutres-caissons et les éléments de fermes sont sujets à des fluctuations ondulatoires dues aux effets répétés de dilatation et de contraction dus aux températures élevées et au refroidissement. Si les composants sont maintenus de manière inégale pendant le soudage, une déformation générale peut également se produire, en particulier pour les sections de caisson longues ou les grands éléments plats.
- Écarts d’installation et désalignement du métal : Les effets cumulés de la déformation due au soudage peuvent avoir des conséquences néfastes, notamment un désalignement des trous, une défaillance des goussets et des différences de hauteur entre les segments de poutre. Plus important encore, ces problèmes retardent considérablement l’installation, obligeant les ouvriers à corriger le problème avec force et aggravant les dommages causés par les contraintes aux composants.
- Fissuration structurelle ou endommagement des soudures : Les contraintes résiduelles de soudure s’accumulent dans la zone affectée thermiquement. Combinées aux charges de circulation, elles peuvent facilement induire une propagation de microfissures ou une rupture localisée. Cette situation est plus grave lorsque le matériau est à des températures fragiles, ce qui affecte significativement la stabilité structurelle et réduit la durée de vie en fatigue.
Effet des contraintes résiduelles de soudage sur la précision dimensionnelle des éléments en acier usinés
Lors du processus de fabrication, le soudage génère des contraintes internes dans les composants en acier. L’enlèvement de métal d’un composant peut perturber son équilibre initial. Ces contraintes internes se redistribuent progressivement pour former un nouvel équilibre. Au cours de ce processus, si le composant n’est pas bridé, il se déformera dans une certaine mesure, ce qui affectera la précision de l’usinage. Par conséquent, pour garantir la précision dimensionnelle, les composants soudés doivent subir un traitement de détente avant l’usinage.
Effet des contraintes résiduelles de soudage sur la stabilité des éléments en acier
Lors du processus de fabrication, les contraintes internes induites par les composants externes, combinées aux contraintes de compression, peuvent avoir un impact significatif sur la stabilité des composants en acier. Cet impact est directement lié aux contraintes internes et aux propriétés de la section du composant. Des sections efficaces situées loin de l’axe neutre du composant peuvent améliorer sa stabilité. Pour garantir que les composants en acier optimisent leurs propriétés matérielles, les responsables doivent prendre les mesures nécessaires pour prévenir et contrôler la déformation des soudures et les contraintes résiduelles pendant le processus de fabrication. De plus, des mesures ciblées visant à éliminer les contraintes résiduelles de soudure sont également requises pour les composants critiques en acier après soudage.
Conclusion
Les contraintes et déformations résiduelles de soudage sont des problèmes techniques majeurs incontournables dans la fabrication des structures en acier des ponts. Leur présence affecte non seulement la précision de l’assemblage des composants et la sécurité structurelle, mais peut également réduire la durée de vie des ponts. Résoudre ce problème est extrêmement complexe, mais la standardisation et l’intelligibilité du processus de production permettent d’en minimiser l’impact négatif.
Grâce à la conception scientifique et à la gestion de projet chez XTD Steel Structure, l’optimisation de la structure des composants, des procédés de soudage, le contrôle de l’apport thermique, le choix des méthodes de soudage appropriées et la combinaison d’un traitement thermique ou mécanique post-soudage efficace permettent de maîtriser efficacement les contraintes et déformations de soudage.
