Table of Contents

La résistance à la soudure est un facteur essentiel dans la conception et la sécurité des structures en acier. Elle détermine la capacité des joints soudés à résister aux forces et aux conditions de charge, ce qui rend essentiel pour les ingénieurs, les manufacturiers et les professionnels de la construction de comprendre les principes qui régissent les performances de soudure.

La performance des raccords soudés a une incidence directe sur la capacité structurelle globale, les marges de sécurité et la fiabilité à long terme des assemblages d'acier. Lorsque les soudures sont conçues et exécutées correctement, elles créent des joints continus qui peuvent correspondre ou dépasser la résistance des matériaux de base joints.

Comprendre les principes fondamentaux de la force de soudage

La résistance à la soudure est la capacité d'un joint soudé à résister aux charges appliquées sans défaillance, ce qui comprend plusieurs propriétés mécaniques qui travaillent ensemble pour déterminer la performance globale de l'assemblage. La résistance d'une soudure dépend de l'interaction entre le métal soudé, la zone affectée par la chaleur et le matériau de base, créant un système complexe qui doit être soigneusement analysé pendant la conception.

Le métal de soudure lui-même représente souvent la composante la plus forte d'un joint soudé. Lorsqu'il est correctement sélectionné et appliqué, les matériaux d'électrode peuvent produire des dépôts de soudure ayant des propriétés mécaniques qui dépassent celles des métaux de base qui sont joints.

Types de forces de soudure dans les applications structurelles

Les forces de soudure sont généralement classées en plusieurs types distincts, chacun jouant un rôle spécifique dans différents aspects de la performance structurelle. Comprendre ces catégories est essentiel pour la conception et la spécification de soudures appropriées.

Résistance à la traction ultime

La résistance à la traction des électrodes de soudure peut être de 60, 70, 80, 90, 100, 110 ou 120 ksi, avec la désignation indiquant la résistance minimale à la traction du métal de soudure déposé. La résistance à la traction ultime représente la contrainte maximale que peut supporter une soudure lorsqu'elle est soumise à des forces de traction avant la fracturation.

Les contraintes de conception admissibles pour le métal de soudure sont basées sur 85 % de la valeur finale minimale de traction respective, ce qui fournit un facteur de sécurité intégré qui tient compte de la variabilité des conditions de soudage et des propriétés du matériau.

Capacité de rendement

La résistance au rendement définit le niveau de contrainte auquel une soudure commence à se déformer en plastique sans revenir à sa forme originale. Cette propriété est particulièrement importante pour les applications structurales où la déformation permanente doit être évitée sous des charges de service. Les électrodes E70, qui sont couramment utilisées dans le soudage en acier structurel, ont une résistance au rendement de 70 ksi, ce qui les rend aptes à la soudure d'une large gamme d'aciers structuraux.

La relation entre la résistance à la soudure et la résistance à la soudure est un facteur clé dans la conception de la connexion. Selon la sélection de l'électrode, les soudures peuvent être inférieures, supérieures ou égales à la résistance à la soudure. La surmatching, où la soudure a une résistance supérieure à la base, est une pratique courante dans la fabrication de l'acier de construction et fournit des marges de sécurité supplémentaires.

Forte force de cisaillement

La conception des soudures de filet dans les bâtiments en acier de construction est régie par le tableau J2.5 de l'AISC 360-10 et est basée sur l'état limite de la rupture de cisaillement de la soudure. La résistance au cisaillement est particulièrement pertinente pour les soudures de filet, qui sont le type de soudure le plus commun dans les raccords en acier de construction.

La résistance au cisaillement d'une soudure de filet est calculée en utilisant la surface efficace de la gorge et la résistance du matériau de l'électrode. L'épaisseur de la gorge, définie comme la plus courte distance de la racine de la soudure à son visage, détermine la zone efficace résistant aux forces de cisaillement.

Fatigue

Les soudures bien conçues peuvent offrir une meilleure performance de fatigue par rapport aux raccords boulonnés, ce qui les rend avantageux pour les structures soumises à une charge cyclique. La résistance à la fatigue représente la capacité d'une soudure à résister à une défaillance lors de cycles de charge répétés, ce qui est critique pour les ponts, les structures de support de grues et d'autres applications qui subissent des charges dynamiques.

Les profils de soudure lisses avec transitions progressives réduisent les concentrations de contrainte et améliorent la durée de vie de la fatigue. Les soudures de pénétration articulaire complète offrent généralement une résistance à la fatigue supérieure à celle des soudures de pénétration partielle ou de filet en raison de leur distribution de contrainte plus favorable.

Types d'articulations de soudure et leurs caractéristiques de résistance

La configuration des joints soudés influence de façon significative leurs caractéristiques de résistance et leur aptitude à différentes applications. La compréhension des différents types de joints permet aux ingénieurs de choisir la configuration la plus appropriée pour des conditions de chargement spécifiques.

Pénétration complète des soudures de rainures

Les soudures à rainure à joint complet d'un côté et sans support sont extrêmement coûteuses, nécessitent des soudures spécialement qualifiées et ne devraient jamais être spécifiées pour les connexions HSS. Cependant, lorsqu'elles sont correctement exécutées, les soudures CJP offrent la plus grande résistance et la plus grande fiabilité pour les connexions critiques. Ces soudures pénètrent pleinement dans l'épaisseur des éléments joints, créant ainsi un chemin de charge continu qui peut développer la pleine résistance du matériau de base.

Si vous spécifiez une soudure à stylo complet (CJP), vous ne «concevez» pas la soudure car elle est plus forte que les pièces que vous êtes en soudage. Cette caractéristique rend les soudures CJP idéales pour les connexions moment, les écailles de colonne et d'autres applications où la résistance et la rigidité maximales sont nécessaires. La soudure devient essentiellement transparente dans une perspective de résistance, permettant aux éléments connectés d'être analysés en continu.

Pénétration partielle des joints Soudures de rainure

Les soudures à rainure à joint partiel sont une option pour les connexions HSS, surtout si les tailles de soudure de filet deviennent grandes (tailles de jambe sur environ 1⁄2 po). Les soudures PJP offrent une option de résistance intermédiaire entre les soudures de filet et les soudures de pénétration complètes, offrant des économies de coûts tout en maintenant une capacité adéquate pour de nombreuses applications.

La résistance des soudures PJP est limitée par l'épaisseur efficace de la gorge, qui dépend du processus de préparation et de soudage de la rainure. Ces soudures sont couramment utilisées pour les connexions en T, les joints d'angle et les situations où les limitations d'accès empêchent l'exécution de soudures de pénétration complète.

Soudures de filets

Les soudures de filet, qui sont le type de soudure le moins cher et le plus facile, sont le type de soudure préféré et le plus commun pour les connexions HSS. Ces soudures triangulaires de section sont largement utilisées dans la fabrication d'acier structurel en raison de leur polyvalence, leur facilité d'exécution et leur rentabilité.

L'épaisseur de la gorge du filet de soudure « a » est définie comme la hauteur du plus grand triangle isocèle inscrit dans une section de soudure sans pénétration. Cette dimension de la gorge est le paramètre critique pour calculer la résistance de la soudure du filet, car elle détermine la zone efficace résistant aux charges appliquées. La relation entre la taille des jambes et l'épaisseur de la gorge pour les soudures de filet à jambe égale est environ 0,707 fois la dimension de la jambe.

Facteurs influant sur la force de soudure

Plusieurs facteurs influencent la résistance de la soudure, exigeant une attention particulière lors de la conception, de la fabrication et de l'inspection. La compréhension de ces facteurs permet aux ingénieurs et aux fabricants d'optimiser les performances de la soudure et d'éviter les pièges communs qui peuvent compromettre l'intégrité des joints.

Sélection du processus de soudage

La méthode de soudage a une grande influence sur la soudabilité, principalement en deux points : les caractéristiques de la source de chaleur et les conditions de protection. Différents procédés de soudage produisent des niveaux d'entrée de chaleur variables, des profils de pénétration et des propriétés métalliques de soudure.

Les procédés de soudage courants pour l'acier de structure sont le soudage à arc blindé (SMAW), le soudage à arc à gaz (GMAW), le soudage à arc à flux (FCAW) et le soudage à arc submergé (SAW). Chaque procédé présente des avantages et des limites distincts. SMAW offre une polyvalence et une portabilité, mais des taux de dépôt plus faibles. GMAW offre une productivité élevée et des soudures propres, mais nécessite un équipement plus sophistiqué.

Propriétés et composition du matériel

Dans les mêmes conditions de soudage, les principaux facteurs qui déterminent la soudabilité du métal de base sont ses propres propriétés physiques et sa composition chimique. La teneur en carbone de l'acier a un impact particulièrement important sur la soudabilité et la résistance à la soudure.

Les facteurs tels que le point de fusion, la conductivité thermique, le coefficient d'expansion linéaire, la densité, la capacité thermique et d'autres facteurs du métal ont tous un impact sur les processus tels que le cycle thermique, la fusion, la cristallisation, le changement de phase. Ces propriétés physiques influencent la distribution de la chaleur pendant le soudage, les vitesses de refroidissement et la microstructure résultante de la zone de soudure et de la zone affectée par la chaleur.

Paramètres de soudage et entrée de chaleur

Les paramètres de soudage qui influencent le taux de refroidissement, comme le courant de soudage, la tension et le débit de gaz, influent directement sur la taille du grain, la microstructure et les propriétés mécaniques du joint soudé. Il est essentiel de contrôler adéquatement les paramètres de soudage pour obtenir la résistance de soudage souhaitée et éviter les défauts.

Un courant de soudage plus élevé et un débit de gaz réduit entraînent une résistance à la traction maximale d'environ 533 MPa dans certaines applications, ce qui démontre l'impact important de la sélection des paramètres sur les propriétés mécaniques de soudure.

Composition du gaz de blindage

Les mélanges de gaz de blindage avec plus d'argon permettent généralement aux métaux de remplir de produire des soudures avec une plus grande résistance à la traction et à la limite de rendement. La composition du gaz de blindage affecte de façon significative la chimie des métaux de soudure, les propriétés mécaniques et les caractéristiques des arcs.

Le CO2 améliore la ductilité de la soudure mais réduit la résistance à la traction et au rendement. Cet équilibre entre la résistance et la ductilité doit être soigneusement équilibré en fonction des exigences d'application. Les gaz mixtes contenant à la fois de l'argon et du CO2 offrent des propriétés intermédiaires et sont largement utilisés pour le soudage en acier de construction, offrant un bon équilibre entre la résistance, la ductilité et la stabilité de l'arc.

Conception et géométrie conjointes

L'impact des facteurs de conception des joints, tels que l'épaisseur et la géométrie, sur les performances mécaniques est important et doit être soigneusement pris en compte lors de la conception des raccords. La conception des joints permet un accès adéquat au soudage, une répartition de la charge appropriée et une taille de soudure suffisante pour développer la résistance requise.

La surface de la gorge de soudure est un élément crucial qui affecte la résistance et la stabilité de l'articulation de soudure. La dimension efficace de la gorge détermine la surface de section transversale disponible pour résister aux charges appliquées et est influencée par la géométrie, le type de soudure et le processus de soudage de joint.

Préparation et propreté de la surface

L'état de la surface a des répercussions importantes sur la qualité et la résistance des soudures. Les contaminants tels que l'échelle de la fraise, la rouille, l'huile, la peinture et l'humidité peuvent causer de la porosité, des fissures et une fusion réduite, compromettant l'intégrité de la soudure.

La préparation des bords est également importante pour les soudures à rainure, où l'angle, l'ouverture des racines et les dimensions de la face des racines doivent être soigneusement contrôlés pour assurer une pénétration et une fusion complètes.

Les tensions résiduelles et la distorsion

La soudure introduit des contraintes résiduelles dues aux cycles de chauffage et de refroidissement localisés qui se produisent pendant le processus. Ces contraintes peuvent atteindre la résistance de rendement du matériau à proximité de la soudure et peuvent réduire la capacité de charge efficace de la connexion. Les contraintes résiduelles de traction sont particulièrement préoccupantes car elles peuvent favoriser le déclenchement et la propagation de fissures, en particulier dans les applications sensibles à la fatigue.

La distorsion résulte de la dilatation thermique et de la contraction non uniforme pendant le soudage et peut affecter à la fois la précision dimensionnelle et la performance structurale des assemblages soudés. Une distorsion excessive peut créer des excentricités involontaires qui introduisent des contraintes secondaires, réduisant la résistance effective du raccordement.

Normes de conception et exigences du code

Le soudage en acier de construction est régi par des normes et des codes de conception complets qui établissent des exigences minimales en matière de résistance, de qualité et de performance des soudures.

Spécifications de l'AISS

L'AS 4100, publié par Standards Australia, énonce les exigences de conception pour les raccords en acier soudé, y compris les règles de calibrage, l'épaisseur du col et les contrôles de capacité, tandis que des dispositions similaires existent dans d'autres codes internationaux.

La spécification AISC établit des équations de résistance de conception pour différents types de soudure, conditions de charge et états limites. Ces équations intègrent des facteurs de résistance pour la conception des facteurs de charge et de résistance (LRFD) ou des facteurs de sécurité pour la conception du stress admissible (ASD), assurant des marges de sécurité adéquates.

Codes de soudure AWS

La American Welding Society (AWS) a établi des normes qui guident la fabrication et l'utilisation prévue de fils de soudage et d'électrodes à bâtons. AWS D1.1 Code de soudage structurel - L'acier est la norme principale régissant la fabrication et l'inspection des structures en acier soudé en Amérique du Nord.

Les spécifications de remplissage AWS, telles que l'A5.1 pour les électrodes couvertes et l'A5.18 pour les électrodes de soudage à arc de gaz, établissent des systèmes de classification qui indiquent les propriétés mécaniques et les caractéristiques d'utilisation des consommables de soudage. Ces classifications permettent aux concepteurs et aux manufacturiers de sélectionner les métaux de remplissage appropriés en fonction des exigences de résistance, de la position de soudage et d'autres facteurs spécifiques à l'application.

Normes internationales

Les normes européennes, y compris la série Eurocode, fournissent des règles de conception complètes pour les connexions soudées. Les normes britanniques, canadiennes et australiennes offrent des directives similaires adaptées aux pratiques régionales et aux spécifications des matériaux.

Calculs de la résistance des soudures et méthodes de conception

Pour calculer la résistance de la soudure, il faut appliquer des équations de conception appropriées en fonction du type de soudure, de l'état de charge et des dispositions de code applicables.

Calculs de la résistance du filet de soudure

La résistance de conception des soudures de filet est basée sur la rupture de cisaillement à travers la gorge de la soudure. L'équation de base tient compte de la surface efficace de la gorge, de la résistance du matériau de l'électrode et des facteurs de résistance ou de sécurité appropriés.

La surface efficace d'une soudure de filet est égale à l'épaisseur effective de la gorge multipliée par la longueur effective. Pour les soudures de filet à jambe égale, l'épaisseur de la gorge est 0,707 fois la taille de la jambe. La résistance nominale est ensuite déterminée en multipliant cette surface effective par 0,60 fois la résistance à la traction de l'électrode, reflétant la résistance au cisaillement du métal de soudure.

Calculs de la résistance des soudures de Groove

Les soudures complètes de rainure de pénétration sont conçues pour développer la résistance totale du matériau de base connecté. Lorsque la résistance du métal de soudure correspond ou dépasse la résistance du matériau de base, aucun calcul de résistance du matériau de soudure séparé n'est nécessaire.

Les soudures partielles de rainure de pénétration sont conçues de la même manière que les soudures de filet, en utilisant l'épaisseur efficace de la gorge pour déterminer la zone de cisaillement disponible. La gorge efficace dépend de la préparation de la rainure, du processus de soudage et de la position de soudage.

Conditions de chargement combinées

Les soudures soumises à des conditions de charge combinées, telles que le cisaillement simultané, la tension ou la flexion et la torsion, nécessitent une analyse plus complexe. L'interaction entre les différents éléments de contrainte doit être évaluée pour s'assurer que la soudure a une capacité adéquate sous la charge combinée.

Pour les soudures soumises à une charge excentrique, les forces appliquées créent à la fois des éléments de contrainte directe et de contrainte rotationnelle. L'analyse doit tenir compte de la répartition de ces contraintes dans le groupe de soudure, compte tenu de la géométrie et de l'emplacement des éléments de soudure individuels.

Meilleures pratiques en soudage pour une force optimale

Pour obtenir une résistance optimale à la soudure, il faut respecter les pratiques exemplaires établies tout au long des processus de conception, de fabrication et d'inspection, qui garantissent une qualité constante et une performance fiable des raccords soudés.

Sélection de la méthode de soudage appropriée

Le choix de la méthode de soudage appropriée pour le matériau et l'application est fondamental pour obtenir une résistance adéquate à la soudure. Le procédé choisi doit être capable de produire les propriétés de pénétration, de fusion et mécaniques requises tout en étant pratique pour la configuration de joint spécifique et l'environnement de production.

Par exemple, utiliser le soudage à l'arc immergé pour le soudage à haute qualité et à haut taux de positionnement des matériaux épais en position plate. Sélectionner le soudage à l'arc en métal gazeux pour le soudage polyvalent et productif à travers différentes positions et épaisseurs de matériau. Choisir le soudage à l'arc en métal blindé pour le soudage sur le terrain où la portabilité et la simplicité sont les priorités.

Préparation de surface et montage des joints

Les surfaces propres favorisent une meilleure fusion, réduisent la porosité et réduisent le risque de fissuration. Utilisez des méthodes de nettoyage appropriées comme le broyage, le brossage de fil ou le nettoyage des solvants en fonction du type et de l'étendue de la contamination.

Maintenir un ajustement adéquat des joints dans les tolérances spécifiées pour assurer une qualité de soudure constante.Les écarts excessifs nécessitent des soudures plus grandes et augmentent le risque de défauts, tandis que les écarts insuffisants peuvent empêcher une pénétration adéquate.

Développement et qualification de la procédure de soudage

Élaborer des procédures de soudage détaillées qui précisent toutes les variables essentielles qui influent sur la qualité et la résistance des soudures, et qui devraient porter sur le procédé de soudage, le type et la taille des métaux de remplissage, les positions de soudage, la température de préchauffage et d'interpassage, l'entrée de chaleur, la vitesse de déplacement et d'autres paramètres critiques.

Qualifier les procédés de soudage par des essais pour vérifier qu'ils produisent des soudures répondant aux exigences de propriété mécanique et de qualité spécifiées. La qualification de la procédure implique des essais de soudage en utilisant la procédure proposée et en effectuant des essais destructifs pour évaluer la résistance, la ductilité et la solidité.

Qualification et formation des soudeurs

S'assurer que les soudeurs sont qualifiés pour les processus, les positions et les matériaux qu'ils soudent. Les tests de qualification des soudeurs démontrent que les soudeurs individuels peuvent exécuter des procédures de soudage et produire des soudeurs sonores répondant aux exigences du code.

Fournir une formation continue pour tenir les soudeurs à jour avec de nouveaux procédés, matériaux et techniques. Les soudeurs bien formés sont plus susceptibles de produire des soudures cohérentes et de haute qualité qui répondent aux exigences de résistance.

Préchauffage et contrôle de température de l'interpass

Appliquer la préchauffage lorsque les dispositions du code ou les spécifications du matériau l'exigent pour réduire les vitesses de refroidissement, minimiser les contraintes résiduelles et prévenir les fissures.

Contrôler la température de l'intersection pour maintenir des vitesses de refroidissement appropriées et éviter une entrée excessive de chaleur. Les limites maximales de température de l'intersection empêchent le grossissement des grains et maintiennent des propriétés mécaniques adéquates dans la zone affectée par la chaleur.

Traitement thermique post-soudage

Appliquer le traitement thermique post-soudage lorsque nécessaire pour soulager les contraintes résiduelles, améliorer la ténacité ou tempérer les microstructures dures. Le PWHT consiste à chauffer l'ensemble soudé à une température spécifiée, à maintenir le temps prescrit et à refroidir à une vitesse contrôlée.

Suivez les exigences du code et les spécifications du matériau pour la température du PWHT, le temps de maintien, les vitesses de chauffage et de refroidissement et l'uniformité de la température. Le PWHT incorrect peut nuire aux propriétés de soudure, si bien qu'un contrôle et une documentation minutieux sont essentiels.

Normes et code de l'industrie Conformité

Respecter les normes et les codes de l'industrie pour les procédures de soudage, les inspections et les critères d'acceptation.Ces normes représentent les connaissances accumulées de l'industrie et fournissent des méthodes éprouvées pour obtenir des performances fiables en matière de soudure.

Les codes sont mis à jour périodiquement pour intégrer les nouvelles conclusions de recherche, les pratiques améliorées et les leçons tirées de l'expérience sur le terrain. La compréhension et la mise en oeuvre des dispositions actuelles du code permettent de souder les connexions pour répondre aux attentes actuelles en matière de sécurité et de rendement.

Contrôle de la séquence de soudage et de la distorsion

Le séquençage approprié consiste à équilibrer l'apport thermique dans l'ensemble, à souder vers des zones de plus grande retenue et à utiliser des techniques de soudage par contre ou par saut, le cas échéant. Considérez les effets du rétrécissement de soudure et des séquences de plan qui permettent à la structure de se déplacer librement pendant le soudage lorsque cela est possible.

Utilisez des dispositifs de fixation et des systèmes de retenue pour contrôler la distorsion tout en évitant les contraintes excessives qui pourraient favoriser la fissuration. Enlever les dispositifs de retenue temporaires dès que possible après le soudage pour permettre un soulagement de la contrainte par distorsion contrôlée.

Méthodes d'inspection et d'essai des soudures

Des inspections et des essais approfondis des soudures permettent de vérifier que la fabrication satisfait aux exigences de conception et aux dispositions de code.

Contrôle visuel

L'inspection visuelle est la méthode d'inspection la plus fondamentale et la plus largement utilisée, effectuée sur toutes les soudures avant et pendant la soudure, et comme inspection finale. L'examen visuel peut détecter des défauts de surface, y compris des fissures, de la porosité, une fusion incomplète, une sous-coupe, un chevauchement et une taille ou un profil de soudure inappropriés.

L'inspection visuelle efficace exige un éclairage, un accès et des outils d'inspection appropriés, y compris des jauges pour mesurer la taille de la soudure, la profondeur de la sous-coupe et d'autres caractéristiques dimensionnelles.

Méthodes d'essai non destructives

Les méthodes de test non destructif (NDT) détectent les défauts internes et de surface sans endommager la soudure. Les méthodes communes de test NDT pour les soudures en acier de structure comprennent les essais à ultrasons, les essais de particules magnétiques, les essais de pénétration liquide et les essais radiographiques.

Les tests ultrasoniques utilisent des ondes sonores à haute fréquence pour détecter les discontinuités internes et mesurer l'épaisseur de soudure. Cette méthode est efficace pour détecter les fissures, le manque de fusion et la porosité dans les sections épaisses. Les tests de particules magnétiques détectent les défauts de surface et de surface des matériaux ferromagnétiques en appliquant un champ magnétique et des particules magnétiques qui s'accumulent à des discontinuités.

Les essais radiographiques utilisent des rayons X ou des rayons gamma pour créer des images montrant la structure et les défauts de soudure interne. Cette méthode fournit un enregistrement permanent et peut détecter divers types de défauts, mais nécessite des précautions de sécurité et est relativement coûteuse.

Essais destructifs

Les essais destructifs consistent à retirer les échantillons des soudures de production ou des ensembles d'essais et à les tester pour ne pas évaluer les propriétés mécaniques et la qualité interne. Les essais destructifs courants comprennent les essais de traction, les essais de pliage, les essais d'impact et les examens macroetch.

Les essais de pliage évaluent la ductilité et détectent les défauts internes qui peuvent ne pas être visibles par d'autres méthodes. Les essais d'impact évaluent la ténacité et la résistance à la rupture fragile, particulièrement importante pour les structures opérant dans des environnements froids ou soumises à une charge dynamique. L'examen macroscopique révèle la fusion de soudure, la pénétration et les caractéristiques de la zone affectée par la chaleur.

Critères d'acceptation et évaluation des défauts

Appliquer des critères d'acceptation appropriés fondés sur les codes applicables et les spécifications du projet.Les critères d'acceptation définissent la taille maximale admissible et la fréquence de divers types de défauts.

Les défauts mineurs qui répondent aux critères d'acceptation ne compromettent pas la résistance ou le rendement des soudures et peuvent être acceptés. Évaluer les défauts qui dépassent les limites d'acceptation pour déterminer si une réparation est nécessaire ou si l'évaluation technique peut démontrer un rendement adéquat.

Considérations particulières pour les différentes applications

Différentes applications structurelles présentent des défis et des exigences uniques pour la conception de la résistance à la soudure. La compréhension de ces considérations spéciales assure une conception de soudure appropriée pour des situations spécifiques.

Applications sismiques

Les structures des régions sismiques nécessitent des connexions soudées capables de supporter de grandes déformations inélastiques sans fracture. La conception sismique met l'accent sur la ductilité, la ténacité et la capacité de dissipation d'énergie en plus de la résistance.

Les soudures critiques dans les applications sismiques exigent souvent des inspections et des essais améliorés, y compris des essais non destructifs au-delà des exigences minimales de code. La qualification des soudures peut nécessiter des essais supplémentaires pour démontrer la capacité de travail critique.

Structures en fatigue

Les structures soumises à des cycles de charge répétés, tels que les ponts et les structures de support de grue, nécessitent une attention particulière à la résistance à la fatigue.

Concevoir des soudures critiques en fonction de la fatigue en utilisant des catégories de fatigue appropriées des codes de conception, qui tiennent compte des effets de concentration de contrainte de différents détails de soudure. Éviter les détails de soudure avec une faible performance de fatigue dans les zones fortement stressées. Spécifier le broyage des orteils de soudure et le retrait des barres de support lorsque nécessaire pour améliorer la résistance à la fatigue.

Service à faible température

Les structures fonctionnant à basse température exigent des matériaux et des procédures de soudage qui maintiennent une ténacité suffisante pour éviter une fracture fragile. Sélectionnez les matériaux de base et les métaux de remplissage avec les propriétés d'impact Charpy V-notch appropriées à la température minimale de service.

Préciser les essais d'impact sur les métaux soudés et les zones affectées par la chaleur lorsque les codes ou les spécifications du projet l'exigent. Envisager d'utiliser des procédés de soudage à faible teneur en hydrogène et des consommables, la préchauffage et le traitement thermique post-soudage pour améliorer la ténacité.

Sections structurelles creuses

Contrairement aux sections ouvertes, où le soudage est généralement possible des deux côtés d'un élément, le soudage de HSS n'est possible qu'à partir d'un seul côté, ce qui nécessite des tailles de soudure plus grandes. Cette limitation affecte la conception de soudure et peut nécessiter des considérations particulières pour la configuration des joints et le calibrage des soudures.

La face principale de la branche à laquelle une branche est soudée est généralement beaucoup plus souple que celle de sa face à large bride. Cette flexibilité accrue de la face de raccordement tend à entraîner une répartition inégale de la charge dans le joint soudé. La conception doit tenir compte de cette flexibilité et de la redistribution potentielle de la charge pour assurer une capacité de soudure adéquate sur l'ensemble du raccordement.

Aciers à haute résistance

Les aciers à haute résistance doivent faire l'objet d'une attention particulière pour éviter les fissures et maintenir une ténacité adéquate.Ces matériaux sont plus sensibles aux fissures induites par l'hydrogène en raison de leur plus grande résistance et de leur potentiel pour les microstructures dures dans la zone affectée par la chaleur.

Considérez que les matériaux de base à plus haute résistance peuvent nécessiter des métaux de remplissage à plus haute résistance pour obtenir une résistance de soudure égale ou sur-appariement. Cependant, une résistance de soudure trop élevée peut réduire la ductilité et la ténacité.

Les défauts courants de soudure et leur impact sur la force

La compréhension des défauts communs de soudure et de leurs effets sur la résistance permet de prévenir les problèmes de qualité et assure une performance fiable de soudure.

Porosité

La porosité consiste en des poches de gaz piégées dans le métal de soudure pendant la solidification. Ces vides réduisent la surface de section efficace de la soudure, diminuant sa capacité de charge. La porosité éparpillée a généralement un impact minime sur la résistance statique lorsque dans les limites d'acceptation du code, mais peut réduire significativement la résistance à la fatigue en créant des concentrations de contrainte.

La porosité résulte de la contamination, de l'humidité excessive, d'une mauvaise couverture du gaz de protection ou de paramètres de soudage incorrects. Prévenir la porosité par un nettoyage de surface approprié, l'utilisation d'électrodes sèches et de gaz de protection, des débits de gaz adéquats et une technique de soudage appropriée.

Fusion incomplète

La fusion incomplète se produit lorsque le métal de soudure ne fusionne pas complètement avec le matériau de base ou les passages de soudure précédents. Ce défaut crée un plan de faiblesse qui peut réduire significativement la résistance de soudure et est particulièrement préjudiciable aux performances de fatigue.

Les causes de fusion incomplète sont l'insuffisance de l'apport calorifique, la mauvaise préparation des joints, l'angle d'électrode incorrect, la vitesse de déplacement excessive ou la contamination.

Craquages

Les fissures peuvent se propager sous la charge, entraînant une défaillance soudaine et catastrophique. Différents types de fissures peuvent survenir, notamment des fissures chaudes pendant la solidification, des fissures froides après refroidissement et des déchirures lamellaires dans le matériau de base adjacent à la soudure.

Empêcher les fissures par une sélection appropriée des matériaux, un contrôle adéquat de la température de préchauffage et d'interpassage, des procédés de soudage à faible teneur en hydrogène, une sélection appropriée des métaux de remplissage et une conception appropriée des joints pour réduire au minimum les fissures.

Sous-cotation

Undercut est une rainure fondue dans le matériau de base à l'orteil de la soudure qui n'est pas remplie par le métal de soudure. Ce défaut réduit l'épaisseur de gorge efficace des soudures de filet et crée une concentration de stress qui peut déclencher des fissures de fatigue.

Une sous-coupe est obtenue par une entrée de chaleur excessive, un angle d'électrode incorrect, une vitesse de déplacement excessive ou une technique de soudage inadéquate. Prévenir la sous-coupe par une technique de sélection et de soudage appropriés.

Inclusions dans le laitier

Les inclusions de laitier sont des matériaux solides non métalliques piégés dans le métal de soudure. Ces inclusions réduisent la surface de soudure efficace et créent des concentrations de contrainte.

Les inclusions de laitier résultent d'un nettoyage inadéquat entre les passes, d'une technique de soudage inadéquate ou de paramètres de soudage incorrects. Empêcher les inclusions de laitier par un nettoyage approfondi entre les passes, une manipulation appropriée de l'électrode, et une vitesse de déplacement appropriée et une entrée de chaleur appropriée.

Considérations économiques dans la conception des soudures

Bien que la solidité soit primordiale, les considérations économiques jouent également un rôle important dans la conception des soudures. L'optimisation de la conception des soudures peut réduire considérablement les coûts de fabrication sans compromettre les performances structurelles.

Optimisation de la taille des soudures

Évitez de spécifier des soudures plus grandes que nécessaire pour transporter les charges appliquées. Le métal de soudure est coûteux, et la taille excessive de soudure augmente les coûts de matériaux, le temps de travail, la distorsion et les contraintes résiduelles. Calculer la taille minimale de soudure nécessaire pour la résistance et spécifier cette taille, à moins que d'autres considérations dictent des soudures plus grandes.

Considérons toutefois que les très petites soudures peuvent être difficiles à exécuter de façon uniforme et ne pas fournir une capacité suffisante pour tenir compte des variations pratiques de fabrication. Équilibrez les dimensions minimales théoriques avec les considérations pratiques de fabrication.

Sélection du type de soudure

Sélectionnez les types de soudure qui fournissent une résistance adéquate avec un coût de fabrication minimum. Les soudures de filet sont généralement plus économiques que les soudures de rainure parce qu'elles ne nécessitent aucune préparation de bord et peuvent être exécutées plus rapidement. Utilisez des soudures de filet chaque fois qu'elles peuvent fournir une capacité adéquate pour l'application.

Considérez les soudures partielles de pénétration comme une option intermédiaire qui peut fournir une capacité adéquate avec moins de temps de préparation et de soudage que les soudures CJP. Évaluer le coût total, y compris la préparation, le soudage et l'inspection, lors de la comparaison des options de type de soudure.

Efficacité de fabrication

Concevoir des connexions pour faciliter une fabrication efficace. Offrir un accès adéquat pour le soudage et l'inspection. Éviter les géométries complexes qui nécessitent des positions de soudage difficiles ou un temps d'aménagement important.

Normaliser les détails de connexion lorsque possible pour réduire le temps d'ingénierie et permettre aux fabricants de développer des procédures efficaces pour le travail répétitif. Coordonner avec les fabricants pendant la conception pour comprendre leurs capacités et préférences. Les détails de conception qui sont pratiques pour fabriquer seront exécutés plus efficacement et avec une meilleure qualité que les détails complexes ou inhabituels.

Exigences en matière d'inspection

Veuillez préciser les exigences d'inspection appropriées à la criticité du raccordement et aux conséquences de la défaillance. Éviter les inspections trop précises qui ajoutent des coûts sans avantage proportionnel.

Lorsque la TDN est nécessaire, choisir des méthodes appropriées aux défauts de la préoccupation et de la configuration du joint. Examiner le coût et l'impact du calendrier des exigences d'inspection pendant la conception. Coordonner les exigences d'inspection avec les fabricants pour s'assurer qu'elles sont pratiques et peuvent être exécutées efficacement.

Tendances futures en matière de force de soudage et de technologie

La technologie de soudage continue d'évoluer, avec de nouveaux procédés, matériaux et méthodes d'analyse améliorant la résistance et les performances des soudures.

Processus de soudage avancés

Les nouveaux procédés de soudage et les variations des procédés existants offrent une productivité, une qualité et des performances améliorées. Le soudage par brassage, le soudage laser et les procédés hybrides combinant plusieurs sources de chaleur offrent des solutions de rechange au soudage à l'arc traditionnel pour des applications spécifiques.

Les systèmes automatisés et robotiques de soudage améliorent la cohérence et la qualité tout en réduisant les coûts de main-d'œuvre. Ces systèmes peuvent exécuter des séquences de soudage complexes avec un contrôle précis des paramètres, produisant des soudures avec une uniformité supérieure à celle du soudage manuel.

Matériaux à haute performance

Le développement de nouveaux aciers à haute résistance et à haute ténacité élargit la gamme de matériaux disponibles pour les applications structurelles. Ces matériaux avancés peuvent nécessiter des procédés de soudage spécialisés et des métaux de remplissage, mais offrent une meilleure performance et un potentiel pour des structures plus légères et plus efficaces.

Des métaux de remplissage améliorés, dotés de propriétés mécaniques améliorées, d'une meilleure convivialité ou d'une sensibilité réduite aux conditions de soudage, continuent d'être développés. Ces consommables peuvent améliorer la qualité et la productivité des soudures tout en maintenant ou en améliorant les propriétés mécaniques.

Outils d'analyse computationnelle

Les capacités avancées d'analyse des éléments finis permettent de prédire plus précisément les contraintes, les distorsions et les performances des soudures. Ces outils permettent aux ingénieurs d'optimiser la conception des soudures, de prévoir les distorsions et d'évaluer les conditions de charge complexes qui seraient difficiles à analyser à l'aide de méthodes traditionnelles.

Les applications d'intelligence artificielle et d'apprentissage automatique commencent à être appliquées au contrôle des procédés de soudage et à la prédiction de la qualité.Ces technologies peuvent permettre l'optimisation en temps réel des procédés et la prédiction des défauts, améliorant la qualité et réduisant les exigences d'inspection.

Considérations de durabilité

L'accent mis sur la durabilité suscite l'intérêt pour les procédés et les pratiques de soudage qui réduisent la consommation d'énergie, réduisent les déchets et améliorent l'efficacité des matériaux.

Les aciers recyclés et à faible teneur en carbone sont de plus en plus répandus, ce qui peut affecter la soudabilité et nécessiter des ajustements de procédure. Restez informé des caractéristiques de ces matériaux et de leurs exigences en matière de soudage.

Conclusion

La compréhension des forces de soudure est essentielle pour concevoir des raccords en acier de construction sûrs et efficaces.Les multiples facteurs qui influent sur la résistance de soudure, notamment les propriétés des matériaux, les procédés de soudage, la conception de joints et la qualité d'exécution, doivent être soigneusement pris en compte tout au long du processus de conception et de fabrication.

La conception adéquate des soudures commence par la compréhension des types de résistance et de leur pertinence pour des applications spécifiques. La sélection des types, tailles et configurations de soudure appropriés, en fonction des conditions de chargement et des exigences de code, assure une capacité adéquate.

La mise en oeuvre des meilleures pratiques en matière de préparation de surface, d'élaboration de procédures, de qualification des soudeurs et de contrôle de la qualité produit des soudures qui répondent aux attentes de conception.

Les considérations économiques, y compris l'optimisation de la taille des soudures et l'efficacité de fabrication, permettent une conception rentable sans compromettre la sécurité ou les performances.

Pour plus d'information sur la conception et le soudage de l'acier structurel, envisager d'explorer les ressources de American Institute of Steel Construction[, de American Welding Society[ et de Steel Construction Institute[. Ces organisations fournissent des ressources techniques complètes, des guides de conception et des possibilités de formation continue aux professionnels travaillant avec l'acier structurel et les raccords soudés.

En combinant une compréhension approfondie des principes de résistance à la soudure et une attention particulière aux détails de conception et à la qualité de fabrication, les ingénieurs de la structure peuvent créer des structures en acier soudé qui répondent de façon sûre et efficace à leurs objectifs pendant des décennies.