Avec les progrès du traitement des métaux et des technologies de construction, la fabrication de ponts en acier est devenue le choix dominant dans l’ingénierie moderne des ponts. Sa haute résistance, sa ductilité, son efficacité de construction et sa compatibilité avec la production normalisée et automatisée la rendent indispensable. Dans la fabrication de ponts en acier, la technologie de soudage joue un rôle essentiel, servant de méthode principale pour relier les composants et former des éléments clés tels que les poutres, les nœuds et les sections en caisson.
Cependant, les températures élevées locales pendant le soudage et le processus de refroidissement non uniforme peuvent facilement induire des contraintes résiduelles dans les composants, entraînant des risques tels que la déformation, la fissuration et une durée de vie réduite en fatigue. Ces effets nuisent gravement à la sécurité et à la durabilité du pont. Cet article explore de manière systématique les technologies de prévention et de contrôle des contraintes résiduelles dans les structures en acier à partir de trois aspects : la conception structurelle, le processus de fabrication et le traitement post-soudage. Il présente également des mesures spécifiques pour soulager les contraintes à travers le traitement thermique, la vibration mécanique et le martelage.
Pour plus d’informations sur la définition des contraintes de soudage et leur apparition dans la production, consultez l’article précédent : Analyse des contraintes et déformations de soudage dans les ponts en structures d’acier.
Prévention et contrôle des contraintes de soudage dans la fabrication de ponts en acier
De plus, une concentration excessive de soudures peut entraîner une répartition inégale des contraintes et des points de concentration dangereux. Une rigidité élevée des joints peut aussi provoquer des contraintes de retenue importantes, augmentant le risque de fissuration. La solution évidente consiste à utiliser des joints de plus faible rigidité afin d’éviter les contraintes résiduelles longitudinales et transversales issues du soudage résiduel.
Dans la fabrication de ponts en acier, un séquençage et un appariement appropriés permettent une expansion libre maximale, réduisant les contraintes résiduelles. Les soudures courtes doivent être effectuées avant les longues, et celles ayant la plus grande contraction doivent être réalisées en premier afin de minimiser les contraintes internes.
Lors du soudage des poutres en I avec des plaques de couverture, la soudure bout à bout sur la plaque doit être réalisée avant les soudures d’angle, car ces dernières présentent une contraction plus faible. Pour les poutres fortement sollicitées, la soudure bout à bout soumise à contrainte est réalisée en premier, suivie de la soudure non sollicitée, puis des soudures de renfort. Lors du soudage croisé, d’importantes contraintes peuvent apparaître aux intersections, exigeant une planification précise de la séquence de soudage.
Avant le soudage, les composants doivent être préchauffés à 150–300°C, notamment pour les métaux fragiles, ou soudés avec un apport thermique faible pour réduire les écarts de température. Pendant le soudage, il est crucial de minimiser les contraintes de retenue, car les soudures fermées génèrent de fortes tensions de traction et augmentent le risque de fissure.
Sélection de la méthode de soudage
Selon cette théorie, pour prévenir les contraintes résiduelles lors de la fabrication de ponts en acier, il est recommandé d’utiliser des procédés de soudage à haute densité d’énergie. Ces procédés génèrent une faible énergie linéaire et donc peu de contraintes :
- Soudage par faisceau d’électrons
- Soudage au laser
- Soudage à fente étroite
Dans les processus de fabrication généraux, le soudage sous gaz CO₂ est de plus en plus courant pour son efficacité et sa capacité à réduire la distorsion. Pour les tôles fines, le soudage TIG pulsé ou la soudure par résistance peut être utilisée afin d’éviter le flambage. Si les méthodes à faible énergie ne sont pas disponibles, un refroidissement direct à l’eau ou à l’air peut être appliqué pour modifier le champ thermique sans compromettre la qualité du soudage.
Solutions pour éliminer les contraintes de soudage
Comme on le sait, la complexité du soudage laisse souvent des contraintes résiduelles importantes après la fabrication de ponts en acier. Certaines structures peuvent également en développer lors de l’assemblage, affectant la performance globale. La décision d’appliquer un traitement de détente dépend des propriétés du matériau, du procédé et de l’historique d’exploitation. Ci-dessous figurent les méthodes les plus courantes pour supprimer ou prévenir ces contraintes dans la fabrication de ponts en acier.
Traitement thermique
C’est la méthode la plus répandue en métallurgie pour éliminer les contraintes résiduelles grâce à des effets thermiques, superficiels ou chimiques. À l’origine, les effets thermiques servaient à réduire les déformations avant ou pendant la soudure, notamment sur les plaques minces. Le préchauffage des composants en acier peut être effectué dans un four, par chauffage infrarouge, par fréquence de puissance ou à la flamme. On chauffe la zone de soudure à une température déterminée, on la maintient, puis on laisse refroidir lentement à l’air.
Avec le progrès technologique, la fabrication de ponts en acier moderne applique deux méthodes : le traitement thermique global et le traitement localisé. Le premier consiste à chauffer lentement la pièce entière dans un four jusqu’à une température spécifique, à la maintenir puis à la laisser refroidir. Ce procédé élimine les contraintes plus efficacement que le traitement localisé, mais pour les grandes pièces, ce dernier reste nécessaire, réduisant 50 % à 70 % des contraintes selon la température, la durée et la méthode de chauffage.
Le recuit post-soudage est fréquent dans les récipients sous pression et les canalisations, mais plus rare dans les grandes structures civiles comme les ponts en acier. Des études montrent qu’un chauffage uniforme des zones proches de la soudure par sources mobiles peut réduire les contraintes de 21 %, tandis que le chauffage parallèle les diminue jusqu’à 37 %.
En 2014, un spécialiste a porté une soudure de tablier de pont à 625 °C pendant trois heures, réduisant drastiquement les contraintes. Des essais au Royaume-Uni ont confirmé qu’un traitement thermique diminue le stress sans modifier le module d’élasticité ni la résistance de l’acier. Le chauffage par induction haute fréquence réduit jusqu’à 90 % les contraintes résiduelles et améliore nettement la durée de vie en fatigue.
En résumé, le traitement thermique post-soudage (PWHT) reste une méthode efficace, mûre et industrialisable pour éliminer les contraintes dans la fabrication de ponts en acier.
Martelage mécanique
Cette technique consiste à frapper mécaniquement le pied du cordon pour provoquer une déformation plastique compensatrice, réduisant ainsi les contraintes. Dans la fabrication de ponts en acier, elle comprend le martelage, le grenaillage et le sablage. Les recherches de Borg et al. ont mis en évidence un champ de compression résiduel en surface après martelage, et des tests américains ont montré une augmentation du nombre de cycles avant amorce et propagation de fissures. Yamada a observé que le martelage crée une contrainte de compression qui ferme les fissures existantes et améliore la résistance à la fatigue.
Cependant, en raison de la complexité des structures et du grand nombre de soudures sur les tabliers de ponts en acier, il est difficile d’appliquer cette technique partout. De plus, elle exige une grande maîtrise de l’opérateur et dépend de la forme de la tête de marteau, limitant son usage universel.
Méthode de vibration
La méthode de vieillissement vibratoire élimine les contraintes résiduelles durant la fabrication de ponts en acier. Son efficacité dépend du type de vibrateur, de la position des appuis, de la fréquence et de la durée. Pour les composants volumineux et rigides, plusieurs vibrations en différents points sont recommandées, avec une durée optimale d’environ 45 minutes. Ce procédé convient parfaitement aux grandes pièces : simple, flexible, rapide et économique.
Conclusion
En résumé, les contraintes résiduelles de soudage représentent un danger structurel majeur dans la fabrication de ponts en acier. Leurs mécanismes sont complexes et leurs effets multiples : déformations géométriques, difficultés d’assemblage, perte de résistance et réduction de la durée de vie. Mettre en place une stratégie complète de contrôle des contraintes, de la conception au traitement post-soudage, est donc crucial pour garantir la sécurité et la durabilité des ponts.
Sur le plan préventif, optimiser la conception, planifier la séquence de soudage et choisir des procédés adaptés permettent de réduire la formation des contraintes. Pour l’élimination, les traitements thermiques post-soudage, le martelage mécanique, la vibration et l’étirement thermique offrent d’excellents résultats.
À l’avenir, avec la diversification des structures et l’exigence croissante de précision, les technologies de contrôle des contraintes dans la fabrication de ponts en acier évolueront vers des méthodes plus efficaces, intelligentes et maîtrisées. En tant qu’expert mondial en structures préfabriquées, XTD Steel Structure continuera à fournir des solutions intégrées pour des ponts en acier sûrs et durables.
