11 Examens, essais et mesures sur joints soudés








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Soudage (théorie)

Cet article aborde le concept d'énergie de soudage, afin de décrire et de quantifier quelques spécificités du soudage que sont les phénomènes locaux de fusion et de solidification ainsi que l'écoulement thermique et les effets qui en résultent. Il présente des méthodes de calcul de températures dans la pièce à souder et introduit les notions de préchauffage, de température entre passes et de température initiale des pièces à souder comme des outils nécessaires, entre autres, pour maîtriser le soudage et présente, de manière succincte, les principales méthodes d'essais mécaniques des soudures. L'article comporte quelques études de cas sur des matériaux de type « acier ».

Sommaire

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  • 1 Introduction

  • 2 Histoire du soudage

  • 3 Présentation des principaux procédés de soudage

    • 3.1 Les procédés de soudage des métaux

    • 3.2 Les procédés de soudage des plastiques

  • 4 Sources d'énergie électrique

    • 4.1 Arc électrique

    • 4.2 L'effet Joule

  • 5 Sources d'énergie chimique

    • 5.1 La flamme

    • 5.2 La réaction exothermique

  • 6 Physique du soudage

    • 6.1 Énergie de soudage

    • 6.2 Concept d'efficacité de fusion

      • 6.2.1 Étude de cas

  • 7 Propriétés physiques des métaux et des gaz de protection

  • 8 Écoulement thermique en soudage

    • 8.1 Pics de température

      • 8.1.1 Étude de cas

    • 8.2 Vitesses de refroidissement

    • 8.3 Comment faire la distinction entre tôle mince et tôle épaisse

    • 8.4 Vitesse critique de refroidissement et température de préchauffage

      • 8.4.1 Étude de cas

    • 8.5 Influence du type de joint

      • 8.5.1 Étude de cas

    • 8.6 Conclusion

  • 9 Transformations à l'état solide

    • 9.1 Diagramme TTT (Temps - Température - Taux de transformations)

    • 9.2 Courbes TRC (transformations en refroidissement continu)

    • 9.3 Temps de solidification

    • 9.4 Représentation schématique d'un bain de fusion

  • 10 Cycle thermique en soudage

    • 10.1 Surface isotherme et régime stationnaire

    • 10.2 Surface isotherme instantanée et régime quasi stationnaire

  • 11 Examens, essais et mesures sur joints soudés

    • 11.1 Pièce soudée représentative

    • 11.2 Essai de traction

    • 11.3 Essai de pliage

    • 11.4 Essai de dureté

    • 11.5 Essai de flexion par choc - Mesure de la ténacité

  • 12 Mécanique de la rupture

  • 13 Contraintes résiduelles et déformation

  • 14 Techniques connexes

    • 14.1 Formations en soudage

  • 15 Bibliographie

  • 16 Référence

  • 17 Liens externes

Introduction[modifier | modifier le code]

Le soudage est une technique d'assemblage permanent qui établit une continuité de nature entre les pièces soudées. Le terme soudure est utilisé pour désigner l'alliage reliant les pièces à assembler formé par la fusion des bords à assembler, avec ou sans adjonction d'un produit d'apport. La soudure peut donc être le résultat du seul mélange des matériaux de base (les matériaux à souder) ou du mélange des matériaux de base et d'un produit d'apport. En ce qui concerne les métaux, beaucoup sont soudables moyennant les études préalables requises pour la mise au point du mode opératoire ; citons les aciers (dits soudables), le cuivre, l'aluminium, le nickel et leurs alliages.

Lors du soudage, il y a fusion locale des éléments à assembler, contrairement à ce qui se passe dans le cas du brasage où il n'y a jamais fusion des matériaux à assembler.

En ce qui concerne les métaux on distingue trois types de soudures :

  • La soudure homogène, dans laquelle les métaux de base et le métal d'apport éventuel sont tous de même nature,

  • La soudure hétérogène de type « A » qui associe des métaux de base de même nature avec un métal d'apport d'une autre nature, et

  • La soudure hétérogène de type « B » où les métaux de base et le métal d'apport sont tous trois de natures différentes.

Le soudage des plastiques est une technique d'assemblage permanent qui assure une continuité de même nature par fusion des surfaces à joindre, rapprochement, contact puis maintien jusqu'à solidification du mélange ainsi formé. La plupart des plastiques appartiennent à deux catégories, les thermoplastiques qui sont soudables et les thermodurcissables qui ne le sont pas. Les plus communs de ces plastiques soudables sont le polychlorure de vinyle (PVC), le polypropylènel'acrylonitrile butadiène styrène (ABS), le polyéthylène et les acryliques. Comme pour le soudage des métaux, il existe divers procédés utilisant ou non des produits d'apport.

Histoire du soudage[modifier | modifier le code]

L’origine du soudage remonte à l’âge des métaux :

  • à l’âge de bronze on soudait à la poche

  • à l’âge de fer on soudait à la forge

L'exemple le plus ancien consiste en des petites boîtes circulaires en or datant de l'âge du bronze et assemblées par chauffage et martelage d'un joint constitué de deux surfaces se recouvrant. Il a été estimé que ces boîtes ont été fabriquées il y a plus de 2000 ans. Pendant l'âge du bronze, les Égyptiens et les peuples de l'est méditerranéen ont appris à assembler par soudage des pièces en fer. Plusieurs outils datant approximativement de 3000 ans ont été retrouvés.

Pendant le Moyen Âge, l'art des chaudronniers et forgerons s'est développé et plusieurs objets en fer ont été produits en utilisant la technique du martelage / soudage. Jusqu’au milieu du xixe siècle, les procédés de soudage évoluent peu, c'est vers 1850 qu'on commence à se servir du gaz pour chauffer les métaux à souder.

Le soudage oxyacétylénique

Le soudage aluminothermique

Le soudage à l’arc électrique

Le soudage par résistance

Tous ces procédés connaîtront leur essor industriel vers 1920.

Présentation des principaux procédés de soudage[modifier | modifier le code]

Les procédés de soudage des métaux[modifier | modifier le code]

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a5/smaw.welding.navy.ncs.jpg/250px-smaw.welding.navy.ncs.jpg

Fig. 1. Soudage à l'arc à l'électrode enrobée

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e6/alfredpalmerwelder.jpg/250px-alfredpalmerwelder.jpg

Fig. 2. Soudage au fil fourré sans gaz - Procédé « FCAW » en désignation américaine

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b3/esw_stri_overlaying.jpeg

Fig. 3. Rechargement résistant à la corrosion déposé par feuillard au moyen du procédé électroslag (ESW)(Ets CMP DUNKERQUE).

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b4/soldadura_de_carril.jpg/250px-soldadura_de_carril.jpg

Fig. 4. exemple d'une soudure de raboutage de rail de chemin de fer effectuée par aluminiothermie

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/cc/frictionstudweld.jpg/250px-frictionstudweld.jpg

Fig. 5. Soudage par friction d'une tige filetée sur un support

  • Le soudage à la forge :

C'est le plus ancien procédé de soudage. Les bords des pièces à souder sont portés à la température qualifiée de « blanc soudant » (de 950 °C à 1 050 °C) estimée à l'œil par le forgeron. Une fois la température requise atteinte, les parties à assembler sont juxtaposées puis martelées. Ce procédé s'apparente au brasage car il n'y a pas, à proprement parler, de fusion des matériaux de base; ce principe est en partie repris dans le soudage par résistance (bien que dans ce cas il y ait fusion) et le procédé par ultrasons.

  • Le soudage à la flamme (Oxyfuel Welding) :

Le cordon de soudure est produit au moyen d'une flamme dirigée sur les bords à souder. Lorsqu'un métal d'apport est utilisé, c'est sous forme de baguette (baguette de soudure) de nuance adaptée que celui-ci est apporté, manuellement, dans le bain de fusion.

  • Le soudage à l'arc électrique avec électrode enrobée (« Manual Metal Arc Welding » en anglais ou « Shield Metal Arc Welding » en américain) :

Un arc électrique éclate entre un métal d'apport constitué par une électrode enrobée fusible et la pièce à souder.

  • Le soudage à l'arc électrique sous flux pulvérulent (Submerged Arc Welding) :

Un arc électrique éclate entre un métal d'apport constitué par un fil-électrode nu ou fourré qui se dévide mécaniquement et la pièce à souder, l'arc et le bain de fusion étant submergés par un flux pulvérulent.

  • Le soudage TIG (Tungsten Inert Gaz) :

Un arc électrique éclate entre une électrode non fusible en tungstène et la pièce à souder. S'il faut un métal d'apport, celui-ci est apporté dans le bain de fusion à la main (baguette d'apport) ou mécaniquement (bobine de fil d'apport).

  • Le soudage A-TIG (Active Tungsten Inert Gaz) :

Même procédé que le TIG, à la différence près que les pièces sont revêtues d'un flux qui, au passage de l'arc électrique, provoque un effet constricteur sur l'arc électrique. La concentration d'énergie qui en résulte permet une pénétration plus importante ; pour une même consommation d'électricité, l'épaisseur soudée est plus importante qu'en TIG traditionnel.

  • Le soudage plasma (Plasma Arc Welding) :

Un plasma électrique est maintenu entre une électrode non fusible en tungstène et la pièce à souder. En cas de besoin d'un métal d'apport, celui-ci est apporté dans le bain de fusion manuellement (baguette d'apport) ou mécaniquement (bobine de fil d'apport).

  • Le soudage MIG (Metal Inert Gaz) :

Un arc électrique éclate entre un métal d'apport constitué d'un fil-électrode nu qui se dévide mécaniquement et la pièce à souder, l'arc et le bain de fusion étant environnés d'une atmosphère protectrice chimiquement inerte d'argon ou d'hélium.

  • Le soudage MAG (Metal Activ Gaz) :

Un arc électrique éclate entre un métal d'apport constitué d'un fil-électrode nu ou fourré qui se dévide mécaniquement et la pièce à souder, l'arc et le bain de fusion étant environnés d'une atmosphère protectrice chimiquement active qui peut être du co_2 ou un mélange argon / co_2.

  • Le soudage au fil fourré (Flux Cored Arc Welding) :

Un arc électrique éclate entre un métal d'apport constitué d'un fil fourré qui se dévide mécaniquement et la pièce à souder. Ce procédé s'apparente au soudage à l'électrode enrobée.

  • Le soudage par effet Joule sous flux protecteur :

L'effet Joule est produit entre un fil ou un feuillard qui se dévide mécaniquement dans le bain de fusion formé avec les pièces à souder (ou à revêtir), le bain de fusion étant protégé de l'oxydation par un flux pulvérulent flottant à sa surface, ce procédé est souvent dénommé « Electroslag » ou un gaz protecteur inerte, ce procédé est souvent dénommé « Electrogas ».

  • Le soudage par résistance :

Des électrodes non fusibles et refroidies pincent adéquatement deux pièces superposées et conduisent un courant électrique ; la température de fusion est atteinte par effet Joule au droit des pièces à souder et le soudage s'effectue lors du pincement.

  • Le soudage par étincelage :

Des étincelles éclatent entre les bords des pièces à souder. Une fois la fusion obtenue, les bords à souder sont vivement rapprochés jusqu'à provoquer l'éjection de la phase liquide et des impuretés éventuelles, puis on maintient l'ensemble sous pression.

  • Le soudage par décharge de condensateur :

Les pièces sont maintenues en contact jusqu'à décharge d'un condensateur libérant l'énergie nécessaire à la production du bain de fusion, les pièces sont maintenues pressées l'une contre l'autre jusqu'à la solidification du joint (ce procédé est très utilisé pour le soudage de fils sur parois métalliques).

  • Le soudage par faisceau d'électrons :

Un faisceau d'électrons bombarde les pièces à souder et produit une source de chaleur tridimensionnelle étroite et intense formant un trou ou un tunnel débouchant à travers les matériaux et se déplaçant le long du joint à souder ; la machine et les pièces à assembler sont maintenus dans une enceinte sous vide.

  • Le soudage par faisceau laser :

Technique similaire à la précédente, le faisceau d'électrons est remplacé par un faisceau laser et le soudage n'est pas effectué sous vide.
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