Le chapitre présent aborde de manière générale la soudure dans le contexte de la pièce, de l'ensemble fabriqué. Il ne prétend pas être exhaustif, mais donner des orientations générales sur les cas les plus courants.
Choix du mode d'assemblage.
Un produit complexe — machine, structure — est fait de plusieurs pièces assemblées. Cela permet :
Il existe deux grandes familles d'assemblage :
Les assemblages démontables facilitent la maintenance (démontage de pièces pour les changer ou les réparer), le transport (si l'ensemble doit être déplacé régulièrement), le réglage, le désassemblage en fin de vie (tri). L'assemblage nécessite en général peu de matériel (tournevis, clefs) et permet d'avoir des tolérances serrées, typiquement 1/10 à . Mais le serrage peut s'altérer : les vibrations desserrent les vis, l'assemblage prend du jeu.
Les assemblages indémontables sont robustes et tiennent dans la durée, mais la réparation ou le démontage définitif nécessitent de découper les pièces.
Le soudage est donc choisi dans le cas :
Notons que l'on peut usiner des surfaces fonctionnelles après soudure, et donc avoir des tolérences serrées. Il faut pour cela prévoir des surépaisseurs — matière à enlever — supérieures aux déplacements relatifs provoqués par la soudure, et disposer d'une machine pouvant usiner l'assemblage, qui est en général de grandes dimensions.
Le soudage est donc bien adapté pour la construction métallique (escaliers, passerelles, gardes-corps), les tolérances en génie civil étant en général de l'ordre du cm. Dans le cas de l'assemblage de pièces mécaniques par soudage — ensemble mécano-soudé —, donc avec notion de mouvement, il faut s'assurer que le mécanisme est isostatique afin de pouvoir s'adapter aux imperfection de positionnement et d'orientation (défaut de coaxialité, de concentricité, …). Le soudage permet également d'assurer l'étanchéité, il est donc utilisé en tuyauterie, et pour la fabrication des cuves, réservoirs, chaudières et appareil de pression (chaudronnerie).
Mais tous les matériaux fusibles ne sont pas soudables. Par exemple, les aciers dits « trempés » (rendus durs par un refroidissement rapide) fondent comme tous les aciers, mais la soudure les fragilise.
Choix du mode de soudage.
Comme nous l'avons vu précédemment, il existe plusieurs modes de soudage. Le choix dépend des matériaux à assembler, de la résistance attendue, ainsi que de critères économiques. Le coût de la mise en œuvre du procédé dépend :
Par ailleurs, le mode de soudage peut être imposé par une norme.
Voici quelques critères généraux de choix :
Le soudage au chalumeau — soudage autogène (procédés 311 à 313), brasage (procédés 91, 94 et 971) — est le plus simple à mettre en œuvre (il ne nécessite pas de source d'électricité, le poste avec les bouteille de gaz est autonome). Les procédés à arc (désignation commençant par un 1) sont les plus utilisés industriellement pour le soudage autogène : la fusion est très localisée, ce qui limite la déformation, et la productivité est importante, mais le refroidissement est rapide (phénomène de trempe, contraintes résiduelles).
Les cas les plus courants sont :
Le procédé TIG (141) peut être utilisé dans tous les cas et donne un cordon de soudure d'excellente qualité, mais :
Choix de l'acier.
Le refroidissement d'une soudure est rapide, on se retrouve donc dans des conditions de trempe. Or, la formation de martensite — phase durcissante des aciers trempables — fragilise la soudure. Il faut donc s'assurer que l'on ne formera pas de martensite. Il existe d'autres problèmes métallurgiques. Tout ceci conditionne le choix de la nuance des pièces — métal de base — et de la baguette — métal d'apport.
Le premier cas est celui des aciers de construction de type
Ces aciers sont des aciers à basse teneur en carbone (inférieure à 0,25 % en masse), ils ne sont pas trempables, le problème ne se pose pas. Par contre, c'est le carbone qui permet d'élever la limite élastique. Si l'acier doit avoir une résistance importante, en particulier pour réduire la masse de l'ensemble, on choisira des nuances particulières : des aciers à haute limite d'élasticité (HLE) soudables. Pour ces aciers, on ajoute de petites quantités d'éléments d'alliage — niobium, titane, vanadium, … — qui durcissent l'acier tout en diminuant sa trempabilité (alphagènes) :
Le cas des aciers inoxydables est plus compliqué. En effet, la très grande majorité des inox utilisés sont des inox austénitiques, de phase gamma, donc qui comportent des éléments gammagènes, ceux-là même qui favorisent la formation de martensite. Par ailleurs, comme ce sont des aciers fortement alliés, il y a lors du refroidissement une concentration des éléments d'alliage en certains endroit (phénomène de ségrégation) qui abaisse localement le point de fusion (eutexie) et provoque de la fissuration à chaud. Il existe d'autres phénomènes de fragilisation : formation d'une phase sigma (fer-chrome), grossissement de grains de phase alpha.
Pour les inox, le point capital est le choix de la nuance de métal d'apport : en utilisant un métal d'apport différent du métal de base, on crée un bain de fusion ayant une composition différente du reste des pièces, donc avec un comportement à la trempe différent. En particulier, on cherche à avoir un mélange d'austénite avec 5 à 15 % de ferrite (phase alpha), qui va « ancrer » la soudure. Pour choisir la nuance de métal d'apport, on peut utiliser par exemple le diagramme de , , WRC ou (voir "").
Pour limiter les problèmes de fragilisation, on peut aussi :
Communication technique.
Sur un plan, les soudures peuvent être représentées de deux manières : de manière simplifiée ou de manière symbolique.
La représentation simplifiée permet de visualiser le cordon de soudure. On peut coter sa longueur et son épaisseur, mais cela n'apporte pas d'information sur sa réalisation (mode de soudage). Vue en coupe, on représente les pièces avant soudage (bords préparés), et le cordon de soudure est noirci. En vue extérieure, on représente des arcs de cercle correspondant à la progression de la soudure.
La représentation symbolique consiste à coter toutes les caractéristiques de la soudure :
Les pièces sont représentées avant préparation des bords.
Dans le cas d'une soudure bord-à-bord, on cote l'épaisseur "s" de la soudure (inférieure ou égale à l'épaisseur de la tôle). Dans le cas d'une soudure d'angle, on peut coter :
Si l'angle entre les pièces est droit, on a simplement 
La représentation symbolique d'une soudure selon la norme ISO 2553 comprend les éléments suivants (voir figure ci-contre) :
Dans les domaines sensibles — assemblage soumis à de fortes pressions, fortes températures, nucléaire —, le mode opératoire de soudage (MOS) doit être défini de manière précise : procédé utilisé, mais aussi conditions (nature du métal d'apport, intensité du courant de l'arc, vitesse d'avance, …). Le soudage doit être réalisé sur des éprouvettes (pièces métalliques) qui sont ensuite testées pour vérifier leur résistance. On constitue un dossier de qualification du mode de soudage (QMOS). Le soudeur doit être lui-même qualifié pour réaliser la soudure : il réalise la soudure sur des éprouvettes qui sont testées, la qualification devant être renouvelée régulièrement. Le descriptif des modes opératoires de soudage (DMOS) accompagne les plans, souvent sous la forme d'un cahier de soudage.
Conception du cordon de soudure.
La soudure en elle-même occasionne des déformations et la présence de contraintes résiduelles. Une bonne conception de la forme des pièces à assembler, et donc des cordons de soudure, permet de limiter les problèmes :
Soudure bord-à-bord.
Les bords des pièces doivent être préparés : le métal doit être propre (dégraissé, sans trace d'oxydation). Les bords sont en général chanfreinés, hormis pour les tôles de faible épaisseur, afin d'avoir une bonne pénétration de la soudure ; sinon, le résultat n'est qu'un « collage » (seule une petite partie du métal de base fond, le métal d'apport pénètre dans le joint sans se mélanger).
Si les pièces n'ont pas la même épaisseur, on s'arrange pour accommoder les épaisseurs au niveau de la soudure (illustration ci-contre, figures de droite) :
Soudure d'angle.
On fait en général une soudure d'angle symétrique (figures 2 et 4). Si l'on ne fait un cordon que d'un seul côté, alors la sollicitation doit se faire dans le sens de l'ouverture de la soudure (fig. 1 et 3). Si l'on peut, on effectue la soudure bout-à-bout sur une partie rectiligne (fig. 3 et 4) : ainsi, la concentration de contrainte est hors du cordon (meilleure tenue en fatigue) et cela diminue la déformation, mais cela nécessite en général d'avoir une pièce de fonderie.
Dimensionnement d'une soudure.
Le cordon est dimensionné en fonction de la résistance mécanique. On utilise la théorie des poutres en considérant que la section droite est le plan de gorge.
Traction sur une soudure bout-à-bout en vé.
Considérons deux tôles de même épaisseur "s", soudées sur une longueur L, et soumises à de la traction avec une force F. Le plan de gorge, hachuré en gris sur la figure, a une aire
Le plan de gorge est soumis à de la contrainte normale σ :
La valeur à ne pas dépasser est la résistance pratique à l'extension Rpe, qui est la limite d'élasticité Re divisée par un coefficient de sécurité "k", Rpe = Re/"k". La condition de résistance de la soudure est donc :
Si l'on suppose que l'épaisseur "s" est fixée, la longueur minimum que doit faire le cordon est
Par exemple, pour des tôle en acier S235 (Re = ) et d'épaisseur "s" = , soumis à une force F = et avec un facteur de sécurité "k" = 2, la longueur minimale du cordon vaut :
On retient en général que, avec un coefficient de sécurité de 2, un cordon ayant un plan de gorge de (soit × ou bien ×) peut tenir plus de (soit l'équivalent de ).
Cisaillement d'une soudure d'angle.
Considérons deux plats soudés ; on effectue une traction symétrique sur chacun des plats, d'une intensité F. Nous négligeons le moment du couple et ne considérons que la force.
Cette force est parallèle au plan de gorge, c'est donc un effort tranchant. L'aire des plans de gorge, au nombre de deux, vaut
et donc la contrainte, appelée « contrainte de cisaillement parallèle », vaut :
Pour que la conception de la soudure soit validée, il faut que cette contrainte soit inférieure à la résistance pratique au glissement Rpg, qui est la limite élastique au glissement Reg à laquelle on applique un coefficient de sécurité "k", Rpg = Reg/"k" :
Rappelons que pour un acier doux, dont notamment les aciers de construction, ou un alliage d'aluminium, on a Reg ≈ Re/2.
Étude d'une oreille de levage.
Pour lever un ouvrage lourd, on utilise souvent des élingues que l'on relie à des oreilles de levage soudées. Nous considérons un électrolyseur utilisé pour fabriquer du dihydrogène à partir de l'eau ; il doit fonctionner à des températures allant de 120 à sous des pressions de 30 à .
L'électrolyseur est fait de plusieurs cellules contenues dans une virole en acier P295GH de diamètre extérieur , de longueur et d'épaisseur . Lors du levage, les élingues font un angle α = avec l'horizontale. Le poids de l'ensemble vaut P = , soit une traction de sur chaque élingue.
Le système présente un plan de symétrie pour les charges comme pour les cordons, chaque cordon est donc sollicité de la même manière. L'aire de la gorge d'un cordon vaut
donc l'intensité du vecteur contrainte pour un cordon vaut
On considère le repère local du plan de gorge. Le vecteur contrainte s'exprime par ses composantes formula_9. On peut obtenir ces composantes en appliquant la matrice de changement de repère
soit
On peut aussi obtenir ce résultat de manière géométrique — voire graphique — plutôt qu'algébrique : on commence par projeter le vecteur contrainte sur les axes horizontaux et verticaux
Puis on décompose la composante verticale :
Comme nous sommes en présence à la fois de contrainte normale et de cisaillement, on calcule une contrainte équivalente σe, par exemple de :
ou bien de 
On compare ensuite cette contrainte à la résistance pratique à l'extension ; ici, Re = , si l'on prend un coefficient de sécurité "k" = 2, on a Rpe = .
Concernant le choix entre et , citons Jean-Louis :
Prise en compte des moments.
L'étude de la résistance d'un cordon de soudure devrait prendre en compte les moments (couples). Cependant, dans de nombreux cas, le bras de levier est faible donc le moment négligeable. Mais ce n'est pas toujours le cas.
Rappelons le calcul du moment d'encastrement dans deux cas (l'encastrement étant ici réalisé par la soudure).
Un moment se traduit par une répartition linéaire de la contrainte : la contrainte générée est nulle au centre de gravité de la section, et croît de manière linéaire lorsque l'on s'en éloigne : contrainte normale pour un moment fléchissant Mf, contrainte de cisaillement pour un moment de torsion Mt. On s'intéresse aux extrémités du cordon de soudure, là où les contraintes sont les plus élevées ; on a :
avec, pour une section rectangulaire de dimensions "b"×"h" ("h" ≥ "b") :
Notons que dans le cas d'une combinaison flexion transversale+torsion, la contrainte normale maximale n'est pas au même endroit que la contrainte de cisaillement maximal.
Cordons de soudure multiples.
Chaque cordon de soudure réalise une liaison encastrement. Avec la statique, on peut donc déterminer les efforts "globaux" qui s'exercent sur les cordons reliant deux pièces ; mais si l'on s'intéresse aux cordons "individuellement", on se retrouve face à un problème hyperstatique. La résolution analytique est bien trop complexe. On peut résoudre ce problème avec la méthode des éléments finis (calcul sur ordinateur). Cependant, certaines hypothèses permettent de faire un calcul approché à la main.
Lorsque le problème présente une symétrie des cordons de soudure "et" du chargement, alors l'effort se répartit équitablement sur chacun de cordons.
Sinon, il faut répartir les efforts en fonction de l'orientation des soudures, en appliquant les règles (simplifications) suivantes :
Étude de la liaison d'un pied sur une cuve.
Nous étudions un filtre à vin utilisé dans une entreprise de stockage et de distribution du vin en gros. ce filtre est mobile pour pouvoir être amené aux différentes cuves. Le filtre est donc sur roulettes ; les pieds sont soudés sur la cuve. Les pieds sont en tube carré de section □115ext ép.8 et font un angle de avec l'horizontale.
On détermine que l'action maximale du sol sur un pied est F = . La limite élastique de la soudure vaut Re = , et le coefficient de sécurité vaut "k" = 2.
L'effort d'encastrement au niveau de la soudure comprend donc :
La force génère une contrainte de cisaillement
La variable L' est ici la longueur du cordon de soudure, et il y a deux cordons symétriques.
Le vecteur moment se projette dans le plan de gorge selon Mf, un moment fléchissant, et perpendiculairement à ce plan selon Mt, un moment de torsion. On a :
Les caractéristiques de la section sont :
On en déduit (il y a deux cordons symétriques ; attention aux unités, on a utilisé des m pour le moment et des mm pour les caractéristiques de la section) :
Il n'est pas nécessaire d'aller au bout du calcul : la contrainte maximale de cisaillement générée par la torsion est largement supérieure à la limite élastique en cisaillement ( » 125, τ// max » Reg).
Considérons une autre conception avec un cordon de soudure périphérique de largeur de gorge uniforme "a" = . On peut considérer qu'il y a quatre cordons : deux horizontaux et deux verticaux.
D'après la règle de répartition vue précédemment :
Dans les cordons verticaux, on a donc uniquement une contrainte de cisaillement uniforme
La résistance pratique au glissement vaut
On a ainsi 6,90 ≤ 25 soit τ// ≤ Rpg donc les cordons verticaux sont validés.
Comme les cordons horizontaux sont espacés, on peut considérer que la contrainte est uniforme dans chaque cordon et que le couple M est sous la forme d'un couple de forces formula_27 distantes de "d" = = :
Le vecteur contrainte a pour norme
soit
La contrainte équivalente de vaut
Cette contrainte est inférieure à la limite élastique, mais hors de la zone de sécurité puisque la résistance pratique à l'extension vaut Rpe = Re/"k" = . Le coefficient de sécurité effectif vaut "k"eff = 250/186 = 1,3. Le cordon n'est donc pas validé.
Normes de calcul des soudures.
Les normes reprennent la démarche utilisée précédemment. Le critère général est
où
Outre ce coefficient de qualité de soudure, on applique un coefficient de pondération de charge "k"p en fonction du domaine (typiquement, "k"p = 1,5 pour une oreille de levage) ; l'effort retenu est l'effort nominal multiplié par ce coefficient. Le coefficient de sécurité total vaut donc
(les notations "k", α et β diffèrent selon les normes).
Dans les normes récentes, citons
Acier — norme Afnor NF P 22-470 (1989).
avec
Acier — Eurocode 3 (1993).
avec
Alliage d'aluminium — Eurocode 9 (1999).
avec
Le tableau ci-dessous utilise les désignations normalisées européennes (5083 désigne l'EN AW-5083[AlMg4,5Mn0,7], 42100 désigne l'EN AC-42100[AlSi7Mg0,3]) ; on indique l'ancienne désignation française entre parenthèses.
Notes et références.
< "Généralités" — "Soudage par friction" >