Soutenance mémoire
Étude bibliographique du martelage à haute fréquence
La tenue en fatigue des pièces mécaniques dépend principalement des contraintes résiduelles, des concentrations de contraintes et de leur état de surface. Or, les pieds de cordon d’assemblages brut de soudage sont le lieu de contraintes résiduelles élevées en traction et leur géométrie singulière engendre bien souvent de fortes concentrations de contraintes. Le tout, limite la tenue à la fatigue de ce type d’assemblages, comparée aux caractéristiques des matériaux de base qui les composent. Tout comme le martelage conventionnel, le traitement par martelage à haute fréquence (MHF) permet à la fois de modifier la géométrie du pied du cordon par un profil plus progressif et de générer des contraintes résiduelles de compression à la place des contraintes résiduelles de traction. De plus, la zone martelée présente un état de surface part
Présentation de la technique d’assemblage par soudage
Le soudage est un mode d’assemblage permanent, applicable à une grande partie des métaux et assurant la continuité de la matière. Ce procédé nécessite l’intervention d’une forte énergie d’activation pour réaliser, dans la majorité des procédés, la liaison par fusion du métal de base avec éventuellement une adjonction de matière supplémentaire appelée métal d’apport (Figure I.1). Si le métal d’apport est de nature différente par rapport à celles des pièces à souder, la soudure est dite hétérogène. Dans le cas contraire, ou s’il n’y a pas d’apport de métal, la soudure est dite autogène.
Présentation des principaux procédés de soudage
Il existe plus d’une centaine de procédés différents que l’on peut classer en fonction de la nature de l’énergie mise en œuvre . Le choix d’un procédé est fonction principalement de l’épaisseur des pièces à souder, de la composition du matériau, du cahier des charges (performances mécaniques recherchées, recommandations en matière de sécurité), du lieu, de l’accès, de la position de soudage, du rendement souhaité, etc. Les techniques de soudage les plus utilisées sont celles à arc électrique avec métal d’apport, en particulier le soudage à l’arc avec électrodes enrobées, TIG, MIG et MAG.
Exemple du soudage à l’arc avec électrodes consommables sous protection gazeuse (MIG-MAG)
Le procédé de soudage à l’arc avec électrodes consommables est, de loin, le plus utilisé. La possibilité notamment de souder en continu et l’absence de laitier en ont fait le premier procédé robotisé. On en distingue deux variantes selon que le gaz de protection utilisé est inerte (MIG) ou actif (MAG).
Description de la zone soudée
La zone soudée se compose de plusieurs parties distinctes (Figure I.3) et notamment d’une zone affectée thermiquement (ZAT) dont la microstructure est différente de celle du métal de base et du métal fondu. À cela viennent s’ajouter la présence possible de fortes contraintes résiduelles de traction et une discontinuité géométrique pouvant être responsable localement de concentrations de contrainte élevées. Tout ceci confère à l’assemblage soudé des caractéristiques mécaniques variables.
Modes et faciès de rupture
Chacun des types d’assemblage présente un mode préférentiel de rupture en fatigue. Dans la majorité des cas, la fissure s’amorce en pied de cordon ou en racine suivant la configuration du joint soudé avant de se propager au sein du matériau jusqu’à la rupture finale. En général, le dimensionnement des soudures se fait de manière à éviter l’amorçage de fissure en racine au profit d’amorçage en pied de cordon pour en faciliter la détection, le suivi et éventuellement la réparation. Dans les cas des assemblages soudés, on retrouve le même faciès caractéristique d’une rupture par fatigue que pour les pièces mécaniques. Ce faciès comporte trois parties distinctes que sont les zones d’amorçage de la fissure, de propagation et de rupture finale .
Méthodes de dimensionnement en fatigue
Il existe différentes procédures d’évaluation de la tenue en fatigue des assemblages soudés. Pour déterminer la méthode la plus appropriée au détail constructif étudié, on procède habituellement par élimination :
• Si l’assemblage soudé correspond à un détail constructif du catalogue et que l’on peut déterminer la contrainte au loin, on applique directement la démarche basée sur la contrainte nominale ;
• Si on ne peut pas déterminer la contrainte nominale, alors on peut utiliser la contrainte géométrique ou au point chaud ;
• Si on ne peut pas appliquer la contrainte géométrique, alors on peut appliquer la méthode basée sur la contrainte dite « locale » ou d’entaille ;
• Si des fissures ou des défauts assimilables à des fissures sont présents, on applique la mécanique de la rupture ;
• Enfin si aucune de ces méthodes n’est applicable, on peut procéder à des essais sur le composant entier ou sur chacun des détails constructifs potentiellement critiques vis-à-vis de la fatigue.
Dans la majorité des cas, c’est la démarche basée sur la contrainte nominale qui s’applique. Comme son nom l’indique, elle ne considère que la contrainte au loin du cordon de soudure, au sens de la Rés
Améliorations de la tenue à la fatigue
Optimisation de la conception
Un assemblage à l’état brut de soudage ne peut être exempt de contraintes résiduelles et de concentrations de contraintes, responsables de sa faible tenue en fatigue. En revanche, ces contraintes peuvent être en grande partie amplifiées suivant la configuration de l’assemblage soudé et des défauts qu’il peut comporter. Ce n’est donc pas tant le choix du procédé de soudage, mais bien plus encore la configuration de l’assemblage soudé et les conditions de soudage qui affectent le plus la tenue en fatigue de l’assemblage. Il est donc crucial de porter un intérêt tout particulier à optimiser la position, la forme et la qualité des soudures fortement sollicitées en fatigue, et ce, avant même la prescription d’un éventuel traitement de parachèvement. Un assemblage soudé de qualité supérieure sera d’autant plus facile à obtenir que la soudure sera accessible au moment de l’assemblage. Une bonne visibilité au moment des inspections préventives favorisera de plus la détection et le suivi d’anomalie par contrôle non destructif. Par ailleurs, on positionnera autant que possible les liaisons soudées aux endroits les moins sollicités vis-à-vis de la fatigue. Les profils de cordons convexes responsables de fortes concentrations de contraintes sont aussi à proscrire. Afin de réduire le facteur théorique de concentration de contrainte, des formes concaves, dans le cas de soudure en angle, et de faibles sur-épaisseurs, pour les soudures bout à bout, sont recommandées. Pour cela, des électrodes à mouillabilité améliorée sont parfois utilisées pour le raccordement au pied de cordon ou pour l’exécution de la totalité de la soudure, ainsi que le soudage en position gouttière. Par ailleurs, les soudures à pénétration partielle sont à éviter au profit de soudure à pénétration totale dans le cas où elles transmettent les efforts. En plus d’une tenue en fatigue plus faible en pénétration partielle, l’amorçage de fissure en racine présente un risque supplémentaire par sa difficulté à être détectée. Enfin, une qualité supérieure à celle prescrite dans les normes actuelles est généralement conseillée avec la présence d’un rayon de raccordement en pied de cordon visible à l’œil nu. Cette qualité est à appliquer uniquement aux zones les plus chargées.
Utilisation des traitements de parachèvement
Une fois l’optimisation de la conception effectuée, l’exécution d’un traitement de parachèvement peut alors être envisagée et prescrite pour une tenue en fatigue améliorée. Remarque. L’utilisation de tels traitements ne s’avère pas forcément bénéfique pour l’amélioration de la tenue en fatigue de joints soudés initialement mal conçus ou mal réalisés.
Localisation des effets
Les différents traitements de parachèvement se concentrent généralement sur une amélioration localisée en pied de cordon. La racine peut alors devenir un site préférentiel d’amorçage de fissure en fatigue. Or, il est naturellement conseillé de favoriser l’amorçage des fissures à l’extérieur de la soudure pour en faciliter la détection. Les traitements de parachèvement sont alors à appliquer de façon modérée, de sorte que l’amorçage se fasse toujours en pied de cordon. Ils peuvent même devenir inutiles si l’amorçage préférentiel de fissure était déjà localisé en racine.
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Table des matières
Introduction générale
I Étude bibliographique du martelage à haute fréquence
I.1 Introduction
I.2 Présentation de la technique d’assemblage par soudage
I.2.1 Présentation des principaux procédés de soudage
I.2.2 Exemple du soudage à l’arc avec électrodes consommables sous protection gazeuse (MIG-MAG)
I.2.3 Description de la zone soudée
I.2.4 Principaux types d’assemblages
I.2.5 Principaux défauts des soudures
I.3 Notions de base sur la résistance à la fatigue des soudures
I.3.1 Modes et faciès de rupture
I.3.2 Représentation de la résistance à la fatigue des assemblages soudés
I.4 Méthodes de dimensionnement en fatigue
I.4.1 Facteurs d’influence sur la tenue à la fatigue des assemblages soudés
I.5 Améliorations de la tenue à la fatigue
I.5.1 Optimisation de la conception
I.5.2 Utilisation des traitements de parachèvement
I.6 Principaux procédés de parachèvement par impacts
I.6.1 Le martelage conventionnel
I.6.2 Le grenaillage
I.6.3 Le choc laser
I.7 Présentation du procédé de martelage à haute fréquence
I.7.1 Présentation des ultrasons de forte énergie
I.7.2 Origines et évolution du procédé
I.7.3 Structure d’un système de martelage à haute fréquence
I.7.4 Configuration des indenteurs
I.7.5 Modes d’excitation du transducteur
I.7.6 Fréquence du transducteur
I.7.7 Automatisation du traitement
I.7.8 Modèle pneumatique
I.7.9 Comparaison avec le martelage conventionnel
I.7.10 Exemples d’applications industrielles
I.8 Effets du martelage à haute fréquence sur les joints soudés
I.8.1 Modifications géométrique et de l’état de surface
I.8.2 Modifications microstructurales et de l’état des contraintes résiduelles
I.8.3 Influence des ultrasons
I.8.4 Défauts observés après martelage à haute fréquence
I.8.5 Influence sur le comportement en fatigue des assemblages soudés
I.8.6 Comparaison avec les traitements de parachèvement courants
I.8.7 Influence de la résistance mécanique
I.8.8 Influence du moment du traitement
I.9 Synthèse des résultats
II Étude expérimentale du martelage à haute fréquence
II.1 Introduction
II.2 Analyse de l’état brut de soudage de l’assemblage retenu
II.2.1 Configuration des assemblages soudés
II.2.2 Géométrie du cordon brut de soudage
II.2.3 Microstructure du cordon brut de soudage
II.2.4 Essais de traction monotone
II.2.5 Essais de fatigue oligocyclique
II.3 Dispositif de traitement par MHF
II.3.1 Matériel de traitement par MHF
II.3.2 Configuration du dispositif de traitement
II.3.3 Paramètres standards et conditions de traitement
II.4 Analyse des effets du martelage à haute fréquence
II.4.1 Aspect des sillons traités
II.4.2 Profils des sillons et états de surface
II.4.3 Microstructure et défauts de surface engendrés
II.4.4 Contraintes résiduelles
II.5 Essais de fatigue
II.5.1 Configuration des éprouvettes
II.5.2 Résultats des essais de fatigue
II.5.3 Faciès de rupture
II.6 Résultats d’essais complémentaires
II.7 Synthèse des résultats
III Estimation des propriétés locales d’un matériau métallique
III.1 Introduction
III.2 Présentation de l’indentation instrumentée
III.3 Mise en place de la méthode indirecte
III.3.1 Simulation des indentations
III.3.2 Relations entre les paramètres d’entrée et les données de sortie
III.4 Correction des courbes expérimentales
III.4.1 Correction de l’écrasement de l’indenteur
III.4.2 Correction de la géométrie de l’indenteur
III.5 Démarche générale
III.6 Validation de la méthode
Conclusion
