Comprendre la fatigue dans l'acier soudé : causes, effets et prévention

La fatigue cause plus de 90 pour cent des défaillances dans les composants d'ingénierie avec des pièces en acier soudé. La fatigue sur les équipements stationnaires est une énorme préoccupation, cependant, elle est cruciale dans les équipements mobiles, qui subissent des charges imprévisibles, les rendant susceptibles aux défaillances par fatigue.

Qu'est-ce que la fatigue ?

La fatigue sur l'acier soudé se produit quand vous enlevez et réappliquez une charge de magnitude insuffisante répétitivement sur une seule application. Quand la charge dépasse un certain seuil, elle crée des fissures microscopiques sur l'acier, qui atteignent progressivement une taille critique et se propagent de manière inattendue, causant une défaillance structurelle. Plusieurs facteurs tels que le manque de fusion, la forme et le manque de pénétration affectent la vie en fatigue d'une structure. Dans l'acier soudé, les défauts de conception fournissent des sites idéaux pour la formation de fissures. Dans son ensemble, la défaillance par fatigue se produit rapidement, avec une phase d'initiation quasi inexistante.

Qu'est-ce que la vie en fatigue ?

Le terme vie en fatigue en ingénierie fait référence au nombre de cycles de contrainte que l'acier soudé peut supporter avant qu'une défaillance structurelle ne se produise. Quand on traite avec l'acier, les ingénieurs travaillent toujours avec une valeur théorique pour la magnitude de contrainte, en dessous de laquelle l'acier fonctionnera de manière optimale indépendamment du nombre de cycles de contrainte.

Les ingénieurs testant la vie en fatigue de l'acier soudé se concentrent sur les déformations, les défauts internes, la technique de soudage et la concentration de contrainte au pied de soudure.

Dans l'identification de la défaillance dans la structure et l'équipement en acier soudé, il y a deux types courants de défaillances :

1. Défaillance statique – La défaillance statique commence avec une déformation plastique évidente que vous pouvez facilement détecter et réparer appropriément. La défaillance statique cause rarement des accidents soudains et catastrophiques.
2. Défaillance par fatigue – La défaillance par fatigue commence souvent par des fissures microscopiques qui augmentent progressivement en taille, réduisant l'efficacité de portance de charge d'une zone. L'échec à détecter les fissures tôt mène souvent à des défaillances structurelles et d'équipement soudaines et catastrophiques.

Fatigue dans l'acier soudé

Au cours des dernières décennies, les ingénieurs ont passé beaucoup de temps à rechercher la défaillance par fatigue dans l'acier soudé, tout en investissant temps et énergie vers le développement d'un système qui leur permet de prédire la durée de vie en service et de réduire le nombre de défaillances structurelles.

En raison de la nature catastrophique des défaillances liées à la fatigue, il existe différentes techniques non destructives que les ingénieurs utilisent pour inspecter et tester les traces de fatigue, par exemple, les inspections visuelles et l'imagerie ultrasonique parmi d'autres. Cependant, les réalisations majeures pour aider à prévenir les catastrophes liées à la fatigue se concentrent sur les techniques de soudage qui traitent les problèmes de fatigue dans la conception et la réalisation d'une soudure.

Techniques d'amélioration de la soudure

Le soudage réduit inhérentement la vie en fatigue des pièces et structures en acier, présentant un défi de conception continu. Il existe différentes techniques que les concepteurs et ingénieurs utilisent pour augmenter la vie en fatigue et la résistance de l'acier soudé, et par conséquent, réduire les défaillances structurelles liées à la fatigue. Elles incluent :

Techniques de meulage au pied de soudure

Une meuleuse à fraise utilise une meuleuse pneumatique à haute vitesse qui se déplace à une vitesse allant jusqu'à 40 000 tr/min. Le meulage à fraise enlève les défauts de surface et mélange le métal de soudure avec la plaque de base, ce qui donne à la soudure une forme qui réduit la concentration de contrainte locale. Le processus se concentre sur l'élimination des défauts et des sous-coupes du pied de soudure.

Une meuleuse à disque modifie la forme de la soudure en enlevant les inclusions de scories et les sous-coupes. En comparaison à la meuleuse à fraise, elle est plus rapide donc plus rentable mais laisse aussi des marques de meulage, qui servent de sites d'initiation pour les fissures de fatigue. Le meulage à disque réduit le risque d'incidents de fatigue de 20 à 50 pour cent, ce qui est relativement inférieur à l'utilisation du meulage à fraise.

Techniques de refusion du pied de soudure

La technique de refusion du pied de soudure fond la région de la soudure à une profondeur peu profonde, ce qui augmente substantiellement la résistance à la fatigue du joint de soudure. Le processus de refusion utilise l'équipement de soudage plasma ou un Tungstène Gaz Inerte (TIG). Le principal défaut avec cette technique est qu'il n'y a pas de critère d'inspection pour vous aider à évaluer si le processus était satisfaisant.

Méthodes de grenaillage

Le soudage de deux matériaux ensemble crée une contrainte résiduelle de traction à partir de la contraction de la soudure une fois qu'elle refroidit, ce qui affaiblit la résistance à la fatigue de l'acier. Une façon d'améliorer la résistance à la fatigue est d'introduire une contrainte résiduelle de compression, qui donne de meilleurs résultats.

Les techniques de grenaillage introduisent une contrainte de compression ; c'est un processus de travail à froid qui impacte la surface avec un outil ou de petites billes métalliques créant des déformations plastiques. En fin de compte, le processus de grenaillage améliore la résistance à la fatigue permettant des résistances d'acier plus élevées.

Méthodes de soulagement des contraintes

Contrairement à la méthode de grenaillage, les méthodes de soulagement des contraintes fonctionnent pour réduire la contrainte résiduelle de traction créée par la contraction. Les techniques de soulagement des contraintes se concentrent sur l'affinage de la procédure de soudage et le contrôle des températures qui déforment la soudure.

Plusieurs industries, fabricants et outils utilisent l'acier soudé pour leurs pièces. Comprendre les facteurs internes qui contribuent à la défaillance de l'équipement est crucial pour le processus de conception. Les concepteurs travaillant avec l'acier soudé peuvent créer des machines qui traitent les problèmes de fatigue dès le début. Si vous avez un besoin de fabrication ou de soudage, contactez Swanton Welding. Notre technologie innovante et nos soudeurs experts vous fourniront un excellent produit à chaque fois.