8288 Conception Et Realisation de Chassis Mecano Soudes Ensps

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  1 Conception et réalisation de châssis mécano-soudés Bruce ANGLADE –  Hélène HORSIN MOLINARO Sylvain LAVERNHE Edité 20/02/2017 Utilisées en grande série (carrosseries de véhicule …) comme en fabrication unitaire (cuve …), les structures mécano-soudées sont le résultat du soudage d'éléments préfabriqués (tôles, profilés, tubes ...). La conception des châssis mécano-soudés et leur réalisation répondent à des prescriptions permettant d’obtenir l a faisabilité et la qualité espérée des soudures. En effet, la réalisation d’une soudure est soumise à son accessibilité et à son positionnement (bain de fusion).   Figure 1 : Réalisation d’un  châssis mécano-soudé, image [1] Cette ressource décrit les différentes soudures en fonction de leur genre et position, puis expose les calculs liés à la conception de châssis mécano-soudés. La ressource « Technique de réalisation de châssis mécano-soudés : la soudure  » présente les matériaux utilisés et les procédés de soudage. La ressource « Les principaux défauts et risques liés au soudage  » complète le descriptif de ce procédé d’assemblage.   1  –   Les différentes soudures L'essentiel à retenir est que dans toutes les positions de soudage autres qu'à plat (elles sont parfois désignées sous le terme général de soudage en position), le soudeur doit, en plus de l'attention qu'il apporte à la bonne réalisation de la soudure, se soucier de maintenir son bain de fusion en équilibre ; il y a donc forcément plus de risque de défauts. C'est la raison pour laquelle, chaque fois que ce sera possible, la pièce à souder est manutentionnée pour que la soudure soit en position à plat ou gouttière pendant son exécution. Pour cela des appareils appelés positionneurs de soudage sont utilisés permettant le bridage sur un plateau puis l'orientation du plan du plateau sur 90° de l'horizontale à la verticale, ainsi que sa rotation sur 360° autour d'un axe normal à son plan. Cela représente souvent pour les grosses pièces, des manutentions délicates et longues, mais amène des garanties indéniables sur la qualité de la soudure.  2 1.1 - Genre de soudure Les soudures sont classées en fonction de la disposition des éléments qu'elles assemblent :    1-2-3-4-5 : soudures bord à bord    6-7-8-9-14 : soudures en angle intérieur    10-11: soudures en angle extérieur    12-13 : soudures à clin    15 : soudure en bouchon Figure 1 : Terminologie des soudures en fonction de leur emplacement Pour les soudures en angle, le positionnement des éléments est plus aisé pour les soudures en angle intérieur où le bord d'une tôle repose sur le plan de l'autre. En angle extérieur, les tôles doivent être positionnées arête contre arête, ce qui est beaucoup plus délicat compte-tenu des tolérances de rectitude sur les bords et de planéité. L'exécution de la soudure est également plus délicate dans la mesure où le jeu est mal maîtrisé pour les mêmes raisons. En revanche, la soudure en angle extérieur élimine le risque d'arrachement lamellaire Les soudures à clin sont surtout utilisées lorsque l'on a des difficultés à maîtriser le jeu et l'alignement bord à bord (tolérance de rectitude et planéité). Si un effort de traction existe dans le plan de la tôle, cet assemblage amènera un moment de flexion dans la zone du joint, ce qui est défavorable. La soudure en bouchon permet la liaison lorsqu'on a accès simplement d'un côté d'une des tôles. 1.2 –  Positions de soudage Pendant l'opération de soudage, le bain de fusion (phase liquide) est contenu par le métal solide qui l'entoure. La position de l'interface liquide-solide par rapport à l'horizontale conditionnera l'équilibre du bain de fusion. Cette position est appelée position de soudage. En reprenant la figure 1, voici les différentes positions de soudage :    Soudures 1-5a-6-9-11-12 : soudage à plat. Le bain de fusion est situé au dessus du plan horizontal de la phase solide. Il sera naturellement stable.    Soudure 9 : soudage en gouttière. C'est une soudure en angle intérieur horizontale, les plans des tôles formant un angle de 45° avec le plan horizontal.    Soudure 3 : soudage en corniche (horizontal dans un plan vertical). Le bain de fusion pourra encore « s'appuyer » sur la tranche de la tôle inférieure, mais son équilibre sera plus précaire.  3    Soudures 4 et 7 : soudage vertical montant. Il est pratiquement impossible de le réaliser par une seule translation longitudinale de l'arc. Il faut, par un balayage latéral, laisser le bain de fusion se solidifier avant de venir « s'appuyer » à nouveau dessus.    Soudure 14 : soudage vertical descendant. Parfois imposé par des contraintes technologiques particulières, il présente le risque de voir le bain de fusion « dépasser » le soudeur et de réaliser ainsi des collages (bain de fusion coulant sur le métal de base non fondu) et non un soudage.    Soudures 2-5b-8-10-13 : soudage au plafond. Il est encore plus délicat puisque le bain de fusion ne demande qu'à retomber. 2  –   Généralités sur le calcul des soudures 2.1 –  Type de calcul La norme E 83-100 classe les assemblages soudés en fonction du type de sollicitation auquel ils sont soumis :    Assemblages soumis à un calcul en fatigue : les charges cycliques sont déterminantes ; ils sont conçus et réalisés pour résister à des contraintes variables dans le temps.    Assemblages non soumis à un calcul en fatigue   : les charges statiques sont déterminantes et l'on peut présupposer que la fatigue ne sera pas le facteur prépondérant. On considère que le nombre de cycles  N   doit respecter :  N < 7.10 10    / Δσ  3    N   : nombre de cycles prévus pour la durée de vie de l'ouvrage  Δσ   = σ  maxi  - σ  mini  : étendue des contraintes appliquées en MPa    Assemblages non calculés : ils sont conçus et réalisés en fonction de l'expérience et par comparaison. 2.2 - Classe de qualité Calculer des soudures est une utopie si des garanties ne sont pas prises au niveau de leur exécution et de leur contrôle. Mais, réaliser une soudure de grande qualité sans défaut rédhibitoire nécessite une suite d'opérations onéreuses et n'est pas toujours nécessaire selon la sévérité de sollicitation à laquelle elle est soumise et les conséquences qu'entraînerait sa défaillance. La norme prend en compte ces critères pour définir la classe de qualité d'une soudure. Risques encourus en cas de défaillance Grades de risques Défaillance en service Nécessité du remplacement ou de la réparation de l’élément défaillant Condition de remplacement ou de réparation de l’élément défaillant  Dépannage sur le site Entraînant l’arrêt immédiat N’entraînant pas l’arrêt immédiat immédiat Différé Difficile Facile Impossible ou difficile Facile Délai court Délai long R1 X X X X R2 X X X X R3 X X X X R1 : risques importants ; R3 : risques faibles  4 Sévérité de la sollicitation Elle est définie par un coefficient :    σ  c  /σ  e  en statique     Δσ/Δσ  a  en fatigue Sollicitations en service des joints soudés Classe de qualité de soudure en fonction des grades de risques R1 R2 R3 Assemblages calculés non soumis à un calcul en fatigue (1) (charges statiques déterminantes) Contraintes statiques 0,8 ≤   c    /    e   ≤   1 A A B 0,4 ≤   c    /    e   ≤   0,8  A B C   c    /    e   ≤   0,4  B C C Assemblages calculés soumis à un calcul en fatigue (1) (charges cycliques déterminantes) Contraintes cycliques 0,7 ≤      /    a   ≤   1  A A B 0,3 ≤      /    a   ≤   0,7   A B C      /    a   ≤   0,3  B C C Assemblages non calculés Sollicités A A B Peu sollicités A B C   c  : Contrainte pondérée calculée   e  : Contrainte à la limite élastique conventionnelle (  R  p0,2 )    : Etendue des contraintes appliquées   a  : Etendue des contraintes admissibles à 2x10 6  cycles (1) le calcul en fatigue n’exclut pas la vérification en statiqu e : retenir le résultat le plus défavorable Degré d'aptitude La classe de qualité de la soudure étant choisie, la norme impose le degré d'aptitude des soudeurs (garantie sur l'exécution) et l'étendue des contrôles (défauts admissibles) Classe de qualité de soudure Degré d’aptitude des soudeurs et opérateurs Etendue des contrôles Visuel Radiographie ou ultrasons Magnétoscopie ou ressuage A I 100% > 50 % (1) (2) (3) > 50 % (1) B II 100% - > 10 % (4) C III 100% - - (1) Par accord entre le constructeur et l’acheteur, le contrôle par radiographie ou par ultrasons peut être remplacé par un contrôle par magnétoscopie ou par ressuage et vice-versa. (2) Pour les assemblages d’angle, le contrôle par ultrasons est remplacé par un contrôle par magnétoscopie ou par ressuage si l’épaisseur de la semelle est inférieure ou égale à 10  mm. (3) Les points de c oncentration des contraintes (nœuds , croisements, extrémités des soudures …) sont contrôlés à 100% sur au moins 50 mm de part et d’autre de l’axe de concentration  ou du bord du joint soudé. (4) Le contrôle par magnétoscopie ou par ressuage est supprimé pour les aciers dont la limite d’élasticité est inférieure à 355 MPa, si l’épaisseur  « t   » ou la gorge « a  » est inférieure ou égale à 20 mm. Remarques : les contrôles effectués doivent être répartis aussi régulièrement que possible sur l’ensemble de chaque joint soudé relevant de la même classe de qualité de soudure. La longueur contrôlée ne doit pas être inférieure à 400 mm. Tout joint soudé de longueur inférieure à 400 mm, est contrôlé sur la totalité de sa longueur. Pour les joints soudés de longueur supérieure à 400 mm, toutes les extrémités doivent être contrôlées sur une longueur au moins égale à 50 mm.
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