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"PROCEDE DE CONSTRUCTION D'OUVRAGES METALLIQUES EN ACIER A HAUTE RESISTANCE SOUDES A L'ARC ELECTRIQUE".\
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La présente invention est relative à un procédé de construction d'ouvrages métalliques en acier faiblement allié présentant, à l'état recuit, une résistance de rupture à la traction au minimum égale à 52 kg/mm2, dans lequel on assem- ble par soudure à l'arc électrique, au moyen de passes super- posées de métal de soudure, des pièces d'une épaisseur mini- mum de 10 millimètres.
On sait que les aciers laminés deviennent moins soudables à mesure que leur épaisseur augmente et que, par conséquent, leur degré de corroyage diminue et la grosseur de leur grain augmente.
On sait également que les aciers à haute résistance faiblement alliés ne sont que médiocrement soudables en épaisseurs minces (inférieures à 10 millimètres) tandis qu'aucun d'entre eux ne possède une soudabilité acceptable au delà de 25 millimètres d'épaisseur.
Par "aciers à haute résistance", il faut compren- dre dans le présent brevet, des aciers dont la résistance de rupture à la traction est au minimum égale à 52 kgs. par mil- limètre carré quand ils sont à l'état recuit.
Le défaut de soudabilité des aciers à haute résis- tance, qui est d'autant plus grand que leur teneur en carbone, en manganèse et en d'autres métaux alliés est plus forte, donne lieu à un tel manque de sécurité des ouvrages soudés qu'ils pourraient constituer, qu'on préfère ne pas les employ er pour la construction d'ouvrages soudés lourds tels que les grands ponts ou les grands navires.
Le manque de soudabilité des aciers à haute ré- sistance en fortes épaisseurs est dû aux effets combinés de trois causes principales :
1 ) Dans une construction soudée, les tensions de retrait provoquées par l'opération de soudure se combi- nent souvent défavorablement aux tensions dues aux charges
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extérieures. Il en résulte, en de nombreux points de l'ouvra- ge, l'existence d'états de tension multiples, et l'existence de pointes de tensions très élevées, dont on ne peut générale ment pas tenir compte dans les calculs de résistance parce qu'on ignore leur valeur exacte. Ces tensions multiples sont capables de provoquer des ruptures par décohésion, sans aucun allongement plastique préalable du métal.
Le risque est d'au- tant plus grand que le métal où règnent ces états multiples de tensions est plus dur. C'est le cas des aciers à haute résistance, et plus particulièrement des zones trempées au voisinage des soudures.
Il est à remarquer que les états multiples de tensions dangereux, dans une construction soudée, sont loca- lisés au voisinage des surfaces des pièces assemblées par sou dure. En effet, d'une part, les tensions de flexion ou de torsion sont maxima près des surfaces et, d'autre part, dans les joints soudés exécutés en plusieurs passes, les tensions de retrait sont particulièrement dues à la dernière passe de chaque joint et atteignent leur maximum à proximité de cel- le-ci (car les tensions dues aux passes précédentes sont en grande partie réduites par l'effet thermique dû aux pas- ses suivantes). Il en résulte que les combinaisons les plus défavorables des tensions de retrait et des tensions cons- tructives sont localisées au voisinage des surfaces des éléments métalliques assemblés par soudure.
2 ) Le métal des pièces soudées situé au voisinage des cordons de soudure subit, du fait du passage de l'arc électrique, un traitement thermique. Au voisinage d'un cordon de soudure réalisé à l'arc électrique, on constate donc dans l'acier des pièces soudées, l'existence d'une zone trempée et, autour de cette zone, l'existence d'une zone adoucie par revenu.
Si l'acier des pièces soudées est un acier extra
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doux à basse teneur en carbone, le métal de la zone trempée est à peine plus dur, et celui de la zone revenue à peine plus doux que le métal avant soudage. Si, au contraire, l'a- cier contient des proportions notables de carbone, de manganè- se, de chrome, de nickel, de molybdène, ou d'autres métaux servant à augmenter la résistance de l'acier, la zone trempée est inévitablement durcie et fragile.
Il est à remarquer en outre que, dans les assembla- ges soudés en plusieurs passes, la zone trempée d'une passe devient la zone adoucie de la passe suivante. Cet effet de revenu réduit la dureté et la fragilité de cette zone primiti- vement trempée. Seule la zone trempée de la dernière passe du joint n'est pas adoucie.
Par conséquent, dans un ouvrage soudé en acier à haute résistance, les zones trempées les plus fragiles sont situées au voisinage des soudures, à proximité des surfaces des éléments assemblés.
3 ) Les constructions soudées contiennent toujours de nombreuses entailles, causées soit par les dispositions constructives (assemblages en T ou à recouvrement), soit par les défauts des soudures (inclusions de laitier et sur- tout morsures).
Il est connu que l'existence d'entailles dans une pièce tendue diminue sa résistance. Cette diminution est peu sensible dans le cas des aciers très doux, mais très importan te dans le cas des aciers plus durs, comme les aciers à haute résistance.
Il est à noter que dans une construction soudée, le plus grand nombre de ces entailles est situé à la surface des éléments assemblés par soudure (morsures dues au dernier cordon de chaque joint, entaille constructive des assemblages en T ou à recouvrement).
La présente invention a comme objet un procédé de
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construction par soudure d'ouvrages en acier à haute résis- tance du type rappelé ci-avant grâce auquel les inconvénients rappelés ci-dessus sont fortement atténués.
Suivant l'invention,on assemble par soudure des piè- ces d'acier faiblenent allié à haute résistance, recouvertes, la sur/face par laquelle on termine le cordon de soudure en plusieurs passes, d'une couche de placage d'acier doux préser. tant, à l'état recuit, une résistance de rupture à la trac- tion au maximum égale à 45 kg/mm2
Les pièces composites constituées d'une partie en acier faiblement allié et d'une couche de placage en acier doux peuvent être réalisées par des procédés connus convena- bles.
Dans les ouvrages construits avec ces éléments composites, les assemblages susdits sont réalisés en plu- sieurs passes, les dernières passes, qui sont les plus dan- gereuses pour la résistance de l'ouvrage, étant faites dans la couche de placage d'acier doux.
L'acier extra doux soudable possède une meilleure conductibilité thermique que les aciers alliés. Lorsqu'on soude sur la face plaquée d'un élément composite, l'effet thermique en profondeur est donc moindre que dans le cas d'un acier à haute résistance plein et la zone trempée ne pénètre pas, ou fort peu, dans le métal à haute résistance.
Ce métal ainsi durci peut toujours être adouci par le dépôt d'une dernière passe supplémentaire tandis que la zone trem pée dans le placage est exempte de fragilité.
D'autre part, les combinaisons des tensions les plus nuisibles, localisées en surface des pièces, sont donc situées dans le métal le moins fragile et le plus soudable.
Enfin, la plupart des entailles éventuelles sont localisées dans le placage extra doux où leur effet nuisible est négligeable.
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Afin de pouvoir déposer les dernières passes des cordons de soudure exécutés dans la couche de placage, avec des électrodes de diamètre usuel, approprié aux épaisseurs des pièces à souder (par exemple des électrodes de 3,25, de 4 ou de 5 millimètres de diamètre) sans que la zone trempée qui subsiste au voisinage des dernières passes du cordon de soudure pénètre exagérément dans le métal à haute résistance des pièces soudées, le placage doit avoir une épaisseur mini- mum de trois millimètres plus trois centièmes de l'épaisseur totale de la pièce composite soudée.
D'autres particularités et détails du procédé sui- vant l'invention apparaîtront au cours de la description des dessins annexés au présent mémoire, .qui représentent schématiquement, et à titre d'exemple seulement, quelques formes d'exécution de joints soudés par le procédé suivant l'invention ainsi qu'un schéma d'un essai de soudabilité d'une pièce composite traitée suivant l'invention.
Les figures 1 à 7 sont des coupes transversales dans des joints soudés réalisés conformément au procédé suivant l'invention.
La figure 8 est une vue en plan d'une tôle servant à la préparation d'un barreau pour un essai de soudabilité généralement connu sous le nom de "Bead Weld Nick-Bend Test".
La figure 9 est, à plus grande échelle, une coupe longitudinale à travers la partie médiane d'un barreau obte- nu à partir de la tôle suivant la figure 8, après exécution d'un trait de scie dans le cordon de soudure.
La figure 10 est un schéma de l'installation utili sée pour effectuer l'essai de soudabilité susdit.
Dans ces différentes figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques.
A la figure 1, on a représenté les parties voisine: du joint de soudure entre deux pièces 2 et 3 en acier fai-
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blement allié présentant, à l'état recuit, une résistance au moins égale à 52 kg. par millimètre carré, pourvues sur une fa ce de couches de placages en acier doux respectivement dési- gnées par 4 et 5. La résistance de cet acier doux,est, à l'état recuit, au maximum de 45 kg. par millimètre carré.
Chaque élément composite 2-4 ou 3-5 a une épaisseur totale supérieure à 10 millimètres. Les deux éléments sont assemblés bout à bout au moyen d'un cordon de soudure 6 en forme de V qui a été exécuté par passes successives au moyen d',électrodes de soudure du type usuel employé pour la soudure de pièces en acier. Le V formé entre les pièces présente son ouverture du,côté où se trouvent les couches de placage 4 et 5 en acier doux. En d'autres termes, les couches de placage sont situées sur la face des pièces par laquelle on termine le cordon de soudure en passes superposées.
L'épaisseur des couches de placage 4 et 5 est au minimum de trois millimètres plus trois centièmes de l'épais- seur totale de la pièce composite 2-4 ou 3-5, afin de per- mettre l'emploi d'électrodes de diamètre usuel pour la sou- dure de pièces de l'épaisseur totale considérée, sans que la zone trempée et non revenue puisse pénétrer de manière sensible dans le métal faiblement allié à haute résistance constituant les parties 2 et 3.
A la figure 2, on voit deux pièces composites com- prenant chacune un noyau en acier faiblement allié à haute résistance désigné par 2 ou 3 recouvert sur ses deux faces d'une couche de placage en acier doux, Ces couches sont dési- gnées par 4 et 4' pour le noyau 2 et par 5 et 5' pour le noy- au 3. L'assemblage bout à bout de ces deux pièces a été ef- fectué en passes successives par un cordon de soudure 6-6' en forme de X.
A la figure 3, la pièce composite 2-4 présente une nervure en forme de nez 7 à l'endroit de l'assemblage. Cette
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nervure 7 est formée par la couche de placage 4.
Les couches de placage peuvent s'étendre sur toute la face de le. pièce dont elles font partie. Dans le cas parti- un culier de grosses pièces, on peut avoir/intérêt économique à limiter les couches de placage uniquement au voisinage des joints de soudure. A la figure 4, on voit une pièce composite 2-4-7 dans laquelle la couche de placage n'existe qu'au voisi- nage du cordon de soudure 5-6' a la figure 5, on a représenté une pièce composite 2-4 de section transversale rectangulaire dont la couche de placage s'étend sur les quatre faces et deux pièces composites 3-5, également de section transversale rectangulaire, dont la couche de placage s'étend sur trois des quatre faces.
Les cordons de soudure 6 appliqués dans les angles sont au con- tact des couches en acier doux des pièces assemblées.
A la figure 6, on a représenté un autre assemblage réalisé suivant l'invention, dans lequel la nervure 7 de la pièce composite 2-4-7 est formée par une couche de placage 4 qui s'étend sur toute la périphérie du noyau 2. la¯ figure 7, on a représenté un assemblage sou- dé suivant l'invention dans lequel un noyau 2 en forme de L est recouvert complètement d'une couche de placage 4 et est assemblé à trois autres pièces composites 3-5. Celles-ci ne présentent une couche de placage 5 qu'au voisinage des cor- dons de soudure 6.
Les considérations qui ont été développées au début du présent mémoire suffisent pour faire comprendre clai rement que l'existence du placage en acier doux supprime près que totalement les causes du mauvais comportement des élément en acier faiblement allié à haute résistance, en construction soudée lourde.
Néanmoins des essais de soudabilité ont été exé- cutés pour vérifier directement les qualités des éléments
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composites utilisés dans le procédé suivant l'invention.
Ces éléments composites ont été soumis à l'essai de pliage avec cordon transversal entaillé proposé par Jack- son et Luther et qui est généralement connu sous le nom de
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"Bead Weld Nick-Bend-Test".
On a opéré comme suit : sur une tôle composite 8 (figure 8) de 300 millimètres x 150 millimètres, comprenant, d'une part, une partie 2 (figure 9) en acier faiblement allié à haute résistance, de 21 millimètres d'épaisseur et, d'autre part, sur une face de cette partie 2 une couche de placage 4 en acier extra doux de 4 millimètres on a déposé un cordon de soudure 9 à l'aide d'une électrode d'un diamètre de 4 milli mètres et déposant un métal d'une résistance de rupture à la traction de 45 kg/mm2. On a découpé au milieu de cette tôle deux barreaux de pliage de 40 millimètres de largeur par sciage entre les traits 10 dirigés perpendiculairement au cordon de soudure 9.
On a ensuite pratiqué dans le cordon de soudure un trait de scie 11 (figure 9) de 2,5 millimètres de large sur une profondeur telle que le fond 12 était à 1,2 millimètre en dessous de la surface extérieure 13 de la couche de placage 4. Fuis on a placé les barreaux entre les supports /(figure10) de la machine de pliage, le support arondi 15 14 et 15/, d'une épaisseur de 50 millimètres, étant à mi-disten ce entre les supports cylindriques 14 qui, en leurs points les plus rapprochés, étaient à 150 millimètres l'un de l'autre
L'acier de la couche 2 contenait 0.18 % de carbone, 0,16% de silicium, 1,1 % de manganèse, 0,5% de nickel, 0,25 de molybdène, 0,28 % de cuivre, 0,1 % de vanadium et 0,1 % de chrome.
La résistance de.rupture à la traction était, à l'éta recuit de 65 kg/mm2. L'acier extra doux constituant la cou- che de placage 4 contenait 0,08 % de carbone, 0,02% de soufre, 0,03 % de phosphore, 0,3 % de manganèse. Sa résistance de rup- ture à la traction était de 42 kg/mm2.
On a soumis successivement les deux barreaux au
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pliage par la machine. On a constaté un angle de pliage de 30 au moment de l'apparition de la première crique et la formation d'une cassure progressive mixte.
On a recommencé deux séries d'essais de ce genre au moyen des mêmes matériaux et en opérant dans les mêmes conditions. On a constaté des angles de pliage respectivement de 29 et de 31 avec une cassure progressive mixte. Dans les trois séries, la cassure /'présentait 25 à 40% de surface soyeuse.
Ces résultats montrent que le procédé suivant l'invention donne lieu à une bonne soudabilité puisqu'il est admis qu'un acier d'une épaisseur supérieure à 20 millimètres est soudable si l'angle de pliage au moment de l'apparition
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de la première crique dans l'essai ' Bead-ûeld-IVick-Bend-Testtr est supérieur à 25 .
A titre comparatif, on a également'procédé à des essais de ce genre sur des barreaux de pliage de 22 millimè- tres d'épaisseur ayant la même composition que la couche 2 des barreaux composites susdits. On a obtenu une rupture brusque, voire explosive, pour des angles de pliage compris entre 10 et 15 . La surface des cassures était à gros grains.
Ceci démontre l'excellente soudabilité que procure le procé- dé de soudage conforme à l'invention.
Des résultats analogues à ceux qui viennent d'ê- tre exposés peuvent être obtenus avec des aciers faiblement alliés à haute résistance et des aciers doux, qui ont des compositions différentes de celles décrites ci-dessus, à condition que les résistances de rupture à la traction de cet: aciers soient à l'état recuit, respectivement supérieures à 52 kg/mm2 et inférieures à 45 kg/mm2.
On peut avantageusement réaliser le procédé sui- vant l'invention avec des aciers faiblement alliés à haute résistance contenant du carbone dans la proportion de 0,09
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à 0,3%, et au moins un des métaux du groupe suivant : manganè se, chrome, molybdène, silicium, nickel, vanadium, tungstène, cuivre, dans une proportion telle que la somme des teneurs des métaux de ce groupe fasse au moins 1%. Ces aciers peuvent alors être recouverts d'une couche de placage en acier doux qui contient de 0,03 à 0,13% de carbone et, au maximum, 0,6 % de manganèse et 0,2% de silicium
REVENDICATIONS
1.
Procédé de construction d'ouvrages métalliques en acier faiblement allié présentant, à l'état recuit, une résistance de rupture à la traction au minimum égale à 52 kg/ mm2, dans lequel on assemble par soudure à l'arc électrique, au moyen de passes superposées de métal de soudure, des piè- ces d'une épaisseur minimum de 10 millimètres, c a r a c t é r i s é en ce qu'on assemble par soudure des pièces d'acier faiblement allié à haute résistance, recouvertes, sur la face par laquelle on termine le cordon de soudure en plusieurs passes, d'une couche de placage d'acier doux .; 'présentant, à l'état recuit, une résistance de rupture à la traction au maximum égale à 45 kg/mm2.