Qu'est-ce que la fatigue dans l'acier soudé ?

La fatigue est à l'origine de plus de 90 % des défaillances des composants d'ingénierie avec des pièces en acier soudées. La fatigue des équipements fixes est une préoccupation majeure, mais elle est cruciale pour les équipements mobiles, qui subissent des charges imprévisibles, ce qui les rend vulnérables aux défaillances par fatigue.

Qu'est-ce que la fatigue ?

La fatigue sur l'acier soudé se produit lorsque vous retirez et réappliquez une charge d'amplitude insuffisante à plusieurs reprises sur une seule application. Lorsque 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, provoquant une défaillance structurelle. Plusieurs facteurs tels que le manque de fusion, la forme et le manque de pénétration affectent la durée de 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 rupture par fatigue est rapide, avec une phase d'amorçage inexistante.

Qu'est-ce que la fatigue ?

Le terme durée de vie en ingénierie fait référence au nombre de cycles de contrainte que l'acier soudé peut supporter avant qu'une défaillance structurelle ne se produise. Lorsqu'ils traitent de l'acier, les ingénieurs travaillent toujours avec une valeur théorique d'amplitude de contrainte, en dessous de laquelle l'acier fonctionnera de manière optimale quel que soit le nombre de cycles de contrainte.

Les ingénieurs testant la résistance à la fatigue de l'acier soudé se concentrent sur les déformations, les défauts internes, la technique de soudage et la concentration des contraintes au pied de la soudure.

Lors de l'identification d'une défaillance dans une structure et un équipement en acier soudé, il existe deux types courants de défaillance :

1. Défaillance statique - La défaillance statique commence par une déformation plastique évidente que vous pouvez facilement détecter et réparer de manière appropriée. Une défaillance statique provoque rarement des accidents soudains et catastrophiques.
2. Rupture par fatigue – La rupture par fatigue commence souvent par des fissures microscopiques dont la taille augmente progressivement, ce qui réduit l'efficacité de la capacité de charge d'une zone. L'absence de détection précoce des fissures entraîne souvent des défaillances soudaines et catastrophiques de la structure et de l'équipement.

Fatigue dans l'acier soudé

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

En raison de la nature catastrophique des défaillances liées à la fatigue, les ingénieurs utilisent différentes techniques non destructives pour inspecter et tester les pistes de fatigue, par exemple, les inspections visuelles et l'imagerie par ultrasons, entre 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 intrinsèquement la durée de vie en fatigue des pièces et des structures en acier, ce qui représente un défi de conception continu. Il existe différentes techniques que les concepteurs et les ingénieurs utilisent pour augmenter la durée de vie et la résistance à la fatigue de l'acier soudé, et par la suite, réduire les défaillances structurelles liées à la fatigue. Ils incluent :

Techniques de meulage des orteils de soudure

Un broyeur de bavures utilise un broyeur pneumatique à grande vitesse qui se déplace à une vitesse allant jusqu'à 40 000 tr/min. Le meulage des bavures élimine les défauts de surface et mélange le métal fondu avec la plaque de base, ce qui donne à la soudure une forme qui réduit la concentration de contraintes locales. Le processus se concentre sur l'élimination des défauts et des contre-dépouilles du pied soudé.

Une meuleuse à disque modifie la forme de la soudure en supprimant les inclusions de limaces et les contre-dépouilles. Comparé au broyeur à bavures, il est plus rapide et donc plus économique, mais laisse également 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 %, ce qui est relativement plus faible que le meulage à bavures.

Techniques de refonte du pied de soudure

La technique de refusion du pied de soudure fait fondre la région de soudure à une faible profondeur, ce qui augmente considérablement la résistance à la fatigue du joint de soudure. Le processus de refusion utilise un équipement de soudage au plasma ou un gaz inerte au tungstène (TIG). Le principal défaut de cette technique est qu'il n'y a pas de critère d'inspection pour vous aider à évaluer si le processus a été satisfaisant.

Méthodes de martelage

Le soudage de deux matériaux crée une contrainte résiduelle de traction due à la contraction de la soudure une fois refroidie, ce qui affaiblit la résistance à la fatigue de l'acier. Une façon d'améliorer la résistance à la fatigue consiste à introduire une contrainte résiduelle de compression, ce qui donne de meilleurs résultats.

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

Méthodes de soulagement du stress

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

Plusieurs industries, fabricants et outils utilisent de 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 de l'acier soudé peuvent créer des machines qui traitent les problèmes de fatigue dès le départ. 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.