Comment améliorer la résistance à la fatigue des assemblages soudés

1. Réduire la concentration des contraintes

Les fissures de fatigue trouvent leur origine au niveau des concentrations de contraintes présentes dans les assemblages soudés et les structures. Toute mesure visant à éliminer ou à réduire ces concentrations peut améliorer la résistance à la fatigue.

Utilisez une structure solide

• Privilégiez les assemblages bout à bout et limitez au maximum les assemblages à recouvrement. Dans la mesure du possible, remplacez les assemblages en T ou d'angle dans les structures critiques par des assemblages bout à bout et évitez de réaliser des soudures au niveau des angles. Si un assemblage en T ou d'angle est inévitable, optez pour une soudure à pénétration complète.
• Évitez les charges excentriques. Les forces internes doivent s'exercer en douceur et se répartir uniformément sans générer de contraintes secondaires.
• Prévoyez des transitions progressives aux points de jonction entre des plaques dont l'épaisseur ou la largeur diffère sensiblement. Prévoyez des rayons généreux au niveau des angles vifs et des courbes.
• Évitez les intersections spatiales comportant trois soudures. Éloignez les soudures des zones de concentration de contraintes et évitez les soudures transversales sur les éléments soumis à des contraintes de traction principales. Lorsque cela est inévitable, veillez à ce que la qualité interne et externe soit optimale et réduisez au minimum la concentration au pied de soudure.
• Ne laissez pas de support permanent derrière une soudure bout à bout simple face dans une structure critique. Évitez les soudures discontinues, car chaque segment présente des concentrations importantes au niveau de son début et de sa fin.

Les ouvrages soumis à des charges dynamiques ou à une exploitation à basse température nécessitent une conception détaillée plus minutieuse que ceux soumis à des charges statiques à température ambiante.

Contrôle de la forme et de la qualité des soudures

Réduire au minimum la taille des renforts soudés bout à bout et, de préférence, raboter ou meuler la soudure pour qu’elle affleure la surface. Privilégier les soudures d’angle concaves plutôt que convexes pour les assemblages en T. Assurer une transition lisse au niveau du pied de soudure, en le meulant ou en le refondant au TIG si nécessaire.

Tout défaut de soudure entraîne une certaine concentration de contraintes. Les défauts plans — fissures, pénétration insuffisante, manque de fusion et creux de soudure — ont l'impact le plus important sur la résistance à la fatigue. Concevez chaque soudure de manière à faciliter l'accès et à garantir une bonne exécution, et éliminez tous les défauts qui dépassent les limites d'acceptation.

2. Ajuster le champ de contraintes résiduelles

La contrainte de compression résiduelle augmente la résistance à la fatigue, tandis que la contrainte de traction résiduelle la réduit. Il est possible de créer un champ de compression favorable en surface ou une concentration de contraintes en modifiant la séquence de soudage ou en appliquant un chauffage localisé.

Dans un assemblage bout à bout de poutres en I, la soudure bout à bout 1 subit la contrainte de flexion la plus importante. Laissez une courte longueur de la soudure en angle 3 non soudée à chaque extrémité, réalisez la soudure 1, puis la soudure bout à bout 2 de l’âme. Le retrait de la soudure 2 place la soudure 1 en compression résiduelle. Soudez enfin les parties non encore soudées de la soudure 3 ; leur retrait soumet les soudures 1 et 2 à une compression résiduelle. Des essais ont montré que cette séquence augmentait la résistance à la fatigue du 30% par rapport à un cas où la soudure 2 était réalisée avant la soudure 1. Pour une gousset assemblée par des soudures longitudinales, un chauffage par points correctement positionné au niveau de l’entaille près de l’extrémité de la soudure peut créer une compression résiduelle bénéfique au niveau de la concentration.

Le renforcement par déformation de surface obtenu par laminage, martelage ou grenaillage peut également déformer plastiquement et durcir la surface de l'assemblage, laissant des contraintes résiduelles de compression qui améliorent la résistance à la fatigue.

3. Améliorer la microstructure et les propriétés des joints

Pour améliorer la résistance intrinsèque à la fatigue du métal de base et du métal d'apport, il faut veiller à une meilleure qualité métallurgique tant du matériau que du fil, ainsi qu'à une réduction du nombre d'inclusions. Lorsque cela est possible, un traitement thermique de l'assemblage peut permettre d'obtenir une microstructure favorable, augmentant ainsi la résistance mécanique tout en améliorant la ductilité, la ténacité et la résistance à la fatigue.

La résistance, la ductilité et la ténacité doivent être équilibrées. La résistance permet de résister à la rupture, mais les matériaux à haute résistance sont sensibles aux entailles. La ductilité absorbe l'énergie de déformation, atténue les pics de contrainte, redistribue les contraintes élevées et émousse les pointes d'entaille et de fissure, ce qui ralentit ou stoppe leur propagation. Comme la ductilité permet d’exploiter efficacement la résistance, l’augmentation de la ductilité et de la ténacité peut améliorer considérablement la résistance à la fatigue des assemblages en alliages d’aluminium à haute résistance.