L’assemblage par soudage des matériaux métalliques constitue une source de modification des lignes isostatiques, ainsi que du comportement mécanique local du matériau au travers des liaisons mises en œuvre.
L’article précise les méthodologies applicables au dimensionnement par calcul des assemblages soumis à chargement variable, et la vérification de la nocivité des défauts hors des tolérances habituelles de fabrication. Cette présentation, qui porte en particulier sur les aciers, ainsi que sur les alliages d’aluminium, et qui fait largement appel aux documents normatifs issus du domaine de la construction, se veut complète, explicative et actualisée.
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Alain MICHEL
: Ingénieur CNAM et ESSA - Expert, ex-chargé de cours - Institut de Soudure Industrie, Villepinte, France - École Supérieure du Soudage et de ses Applications, Yutz, France
INTRODUCTION
Une large part de pièces mécaniques, parmi lesquelles celles dont la fonction est la transmission d’un mouvement, se trouvent soumises en service à des efforts variables, ce qui expose les assemblages soudés à un mode de défaillance par fissuration progressive en fatigue.
Le dimensionnement d’un assemblage soudé sous charge variable constitue, de la sorte, la phase finale de la conception d’une pièce mécanique. Cette vérification qui est souvent négligée, voire ignorée, est fréquemment à l’origine de désordres prématurés en service, lourds de conséquences pour les sociétés productrices et utilisatrices de l’équipement endommagé.
Dans cet article, sont abordés la justification du dimensionnement des assemblages soudés soumis à charges variables au cours de la phase de conception d’une structure, ainsi que la vérification d’aptitude à l’emploi de cette même structure en fonctionnement, et sur laquelle le contrôle non destructif fait apparaître des assemblages soudés comportant des défauts à caractère évolutif qui sont alors identifiés et caractérisés.
Il est essentiel de noter que l’article ne peut se substituer à un code de dimensionnement. Il se fixe comme principal objectif de préciser les méthodologies utilisables concernant les analyses à mettre en œuvre vis-à-vis de la fatigue d’une part, et de la nocivité des défauts d’autre part, dans un contexte de construction de structures soudées à vocation mécanique.
Le lecteur trouvera en fin d’article un tableau des sigles et symboles utilisés.
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1. Dimensionnement en fatigue des assemblages soudés
1.1 Endommagement en fatigue – Étapes – Facteurs d’influence
Alors que sous chargement statique monotone croissant, l’endommagement interne d’un matériau métallique n’apparaît qu’après épuisement des possibilités de déformation plastique, c’est-à-dire très tardivement lorsque la tri-axialité est faible, l’endommagement en fatigue se manifeste à partir d’un seuil de variabilité de charge et se cumule au fil des cycles de chargement selon une chronologie en trois étapes :
amorçage d’une microfissure ;
propagation (croissance stable) de la fissure ;
rupture (croissance instable de la fissure) selon un mode ductile et/ou fragile.
En deçà d’un seuil de variabilité de charge, l’initiation d’un dommage sur une structure saine n’a pas lieu et un éventuel défaut plan préexistant ne se propage pas (défaut stable).
Par ailleurs, et alors que les seules connaissances de la contrainte équivalente et de la loi de comportement du matériau en traction
à une température donnée sont suffisantes pour déterminer si le système se trouve dans le domaine élastique ou plastique sous une charge statique, l’endommagement en fatigue des assemblages soudés met en jeu de nombreux facteurs qui sont énumérés ci-après.
Nombre de cycles appliqués :
.
Sollicitation
Comme la sollicitation évolue entre une valeur maximale et une valeur minimale, sa caractérisation requiert au moins deux paramètres :
une étendue de contraintes (ou variation d’amplitude de contrainte), qui se définit par la quantité :
...
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(1) -
CETIM -
Éléments de calcul des appareils de levage suivant les règles FEM 1.001
-
(1998).
(2) -
HOBBACHER (A.), BAUMGARTNER (J.) -
Recommendations for fatigue design of welded joints and components.
-
A. International Institute of Welding Paris (2014). PDF disponible en ligne https://content.e-bookshelf.de/media/reading/L-23572313-6973a397a2.pdf
(3) -
AWS -
Structural Welding Code – Steel.
-
D1.1/D1.1M American National Standard 18th edition American Welding Society (2002).
(4) -
HUSSAIN (M.) -
BS 7910 – Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures.
-
British Standards Institution (2019). PDF disponible en ligne https://www.academia.edu/103238577/BS_7910_Guide_to_methods_for_assessing_the_acceptability_of_flaws_in_metallic_structures
(5) -
SEDLACEK (G.), FELDMANN (M.), KÜHN (B.) et al -
Commentary and worked examples to EN 1993-1-10 “Material toughness and through thickness properties”
-
and Other Toughness Oriented Rules in EN 1993....
Eurocode 3 – Calcul des structures en acier – Partie 1-9 : fatigue
-
AFNOR NF EN 1993-1-9
-
Décembre 2005
Soudages et techniques connexes – Classification des défauts géométriques dans les soudures des matériaux métalliques – Partie 1 : soudage par fusion
-
AFNOR NF EN ISO 6520-1
-
Septembre 2017
Eurocode 9 – Calcul des structures en aluminium – Partie 1-3 : structures sensibles à la fatigue
-
AFNOR NF EN 1999-1-3
-
Septembre 2017
Soudage – Assemblages en aluminium et alliages d’aluminium soudés à l’arc – Niveaux de qualité par rapport aux défauts
-
AFNOR NF EN ISO 10042
-
Juillet 2018
Fatigue design of offshore steel structures
-
DNV-RP-C203
-
Octobre 2011
Fitness-For-Service
-
API 579-1/ASME FFS-1
-
Septembre 2025
Bibliographie & annexes
Vérification d’aptitude à l’emploi d’assemblages soudés défectueux.
